摘要：通过对AZ31型镁合金阳极掺杂合金元素，研制出自腐蚀速率低、电流效率高的镁合金阳极材料。通过析氢速率、极化性能等指标探索出新型镁合金熔炼工艺曲线；采用单因素法和均匀分布法进行元素配比方案设计，通过极化曲线、交流阻抗谱、电流效率、自腐蚀速率等测试手段对新型阳极材料进行了检测，确定了最佳元素配比方案。用新型阳极，在3.5%的NaCl溶液，对Q235碳进行了阴极保护试验研究，并对其自腐蚀程度及保护效果进行评价。
（1）镁合金熔炼工艺曲线：升温时间1h、恒温温度900℃、恒温时间3h、炉冷2h、空冷6h、回火温度200℃、回火时间0.5h。
（2）高效低耗镁合金阳极元素配比方案：Ca元素0.1%（wt%）、Cd元素0.3%、Y元素0.2%、Sn元素0.7%、In元素0.18%、Ga元素0.04%、Ce元素0.6%、Ti元素0.16%。
关键词：镁合金牺牲阳极；电流效率；自腐蚀速率；电化学测试
第1章 绪 论
1.1 课题研究的目的和意义
全世界每年由于材料腐蚀（主要是钢铁氧化）造成的损失约占全球GDP的3％，为地震、水灾、台风等灾害损失总和的6倍。据美国国家统计局分析统计报告认为：只要利用好现今的防腐技术，可降低腐蚀损失费用25％-30％，上述损失中约有15％应用目前已有的防腐技术就可避免。这充分说明，采取有效措施避免或减缓各类腐蚀具有重大意义[1]。
腐蚀是金属和周围环境发生化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀。金属腐蚀广泛地存在于我们的生活中。因金属材料腐蚀而造成的直接和间接经济损失是巨大的。如果运用目前已有的防腐技术，这类失中的15％就可避免。腐蚀造成工程设施中物质的跑、冒、滴、漏等也会引起环境污染，影响人类的生态环境。以上这些都说明，采取有效措施避免或减缓各类腐蚀具有重大意义[2]。
作为三大牺牲阳极之一的镁合金牺牲阳极，具有较高的化学活性。它的电极电位较负，驱动电压高。同时，镁表面难以形成有效的保护膜，保护膜易溶解，自腐蚀很强烈。但电流效率低的缺点影响了其广泛的应用，为了改善其电流效率，研究出了AZ31系列镁合金牺牲阳极，其以电流效率高、发生电量大、工作电位稳定、表面溶解均匀等优异的性能得到了广泛的应用。
1.2 牺牲阳极法在阴极保护领域中的发展现状
阴极保护技术已广泛应用于地下管网，码头船舶，军用车辆，建材，石油和化工等行业中，对相关金属构件的防腐蚀具有重要的作用，是一种经济有效的电化学保护技术[3-5]。因电流源的不同，阴极保护技术可分为牺牲阳极和外加电流保护法。相对于外加电流保护法，牺牲阳极法具有不需辅助电源；对毗邻构筑物产生的杂流影响很小，甚至无干扰；适用范围广等优点
镁基金属材料因满足以上要求，被国内外诸多研究者作为阳极材料应用于实际工程中，并通过涂层、热浸、电镀、控温冶炼及液相沉积等技术，向阳极内部或表面掺杂其他元素，例如钛、锰、镓、砷、铷、镉、铟、铯、汞、镧、铱等元素及其相应的氧化物，从而提高阳极材料的合金性能。
第2章 实验材料与方法
2.1 实验方法
2.1.1 待测电极/待测试件的制作
（1）将熔炼后的阳极试件切割制成1cm×1cm×1cm的立方体，利用碳化硅砂纸将试件的一个工作面由800目、1000目连续地进行打磨直至表面平滑。
（2）利用锉刀将打磨后的试件四周锉出凹槽，凹槽深度为2mm，凹槽位置为试件的上半部分。凹槽内挤压入铜导线，且要求铜导线与凹槽内金属间五间隙。
（3）取一PVC塑料环（内径为3cm），并将环的一侧经由800目、1000目连续地进行打磨直至表面平滑，将水注入PVC塑料环后要求无渗漏。
2.1.2 失重速率的测定
（1）将熔炼后的镁试件切割制成1cm×1cm×1cm的立方体，利用碳化硅砂纸将试件的每个工作面由400目、1500目连续地进行打磨直至表面光滑。
（2）将试件制成待测试件，并在1500目的砂纸下将待测试件工作面打磨至无划痕，用无水乙醇将抛光后的工作面进行清洗处理。清洗后的待测试件经电热恒温鼓风干燥箱105℃下恒温干燥2h后恒温称重，称重后将试件在同条件下继续烘干30min，直至前后两次称重质量差值小于0.0004g，记录试件的质量。
（3）浸泡后的试件取出后采用100mL清洗液（20g铬酸钾+1g硝酸银）进行清洗，以去除工作面上的腐蚀产物。清洗后的腐蚀试件，采用无水乙醇进行清洗，并在恒温干燥箱内进行105℃烘干恒重，利用腐蚀前后试件的重量差计算出试件的失重速率。
2.1.3 析氢速率的测定
（1）制作试件，其中试件的六个表面须全部打磨光滑、无划痕，最后用无水乙醇清洗试件。
（2）将试件置于质量分数为3.5%的NaCl溶液中进行腐蚀实验，同时将一漏斗倒扣于试件上方，并采用容积为200mL的量筒装满质量分数为3.5%NaCl溶液罩于漏斗上方，记录此时量筒中气体所占体积。
（3）析氢实验进行72h后，记录量筒中气体所占体积。该体积与第一次记录体积的差值即为析氢总量。
第3章 高效低耗镁合金阳极的炼制
通过提高AZ31型镁合金牺牲阳极的电流效率达到阳极材料的高效化利用，而阳极材料的腐蚀电位、开路电位一定程度可反映出阳极材料的反应能力，腐蚀电位及开路电位低反应出阳极材料自身可提供的反应能力强，有效电流容量大，电流效率高。通过降低其自腐蚀速率进而达到其低耗型的效果。需要确定各个元素最佳掺杂范围及所有掺杂元素的最佳含量。
3.1 新型镁合金牺牲阳极的炼制及性能检测
3.1.1 新型镁合金牺牲阳极的炼制
高效低耗镁合金牺牲阳极的炼制过程中，本实验拟定掺杂8种金属元素综合改善镁合金电流效率低、腐蚀电位高、自腐蚀速率高等材料缺点。通过方法设计，由均匀分布方案确定的各个金属元素掺杂含量表见图3-1：
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图3-1 镁合金阳极内各元素掺杂含量表
3.1.2 新型镁合金牺牲阳极的各项检测指标
（1）新型镁合金牺牲阳极的极化曲线
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图3-1 镁合金牺牲阳极掺杂元素后的极化曲线
如图3-1可知，极化曲线的实验中均属符合本课题研究的要求。从腐蚀电位和腐蚀电流方面来如图3-1可知，十组试样中，第八组、第十组方案的熔炼阳极的腐蚀电位相近均比较高；而第一组、第二组方案合金阳极的腐蚀电位较负，此时，腐蚀电位分别为-1.85V和-1.829V，腐蚀电流分别为20.75mA和21.67mA。较负的腐蚀电位电极可在3.5%氯化钠溶液中提供较大的驱动电压；第一组和第二组在看第一组和第二组均较好，耐蚀性能较高。因为本课题研究的新型镁电极是应用在海水中，所以为了进一步比较十组方案中更符合课题研究的新型镁电极，本课题进行十组方案在3.5%氯化钠溶液腐蚀不同天数后腐蚀电压的变化情况，从而选出最优的方案。
结 论
实验通过向AZ31型镁合金阳极中掺杂Cd、Y、Ca、Ce、Ga、In、Ti、Sn八种元素，提高合金材料的电流效率、降低其自腐蚀速率，研制出高效低耗镁合金牺牲阳极材料。实验结果如下：
（1）高效低耗镁合金阳极材料的熔炼工艺曲线为：升温时间1h、恒温温度900℃、恒温时间3h、炉冷2h、空冷6h、回火温度200℃、回火时间0.5h。
（2）高效低耗镁合金阳极材料的掺杂元素比例为：Ca元素0.1%（wt%）、Cd元素0.3%、Y元素0.2%、Sn元素0.7%、In元素0.18%、Ga元素0.04%、Ce元素0.6%、Ti元素0.16%。当元素配比为以上比例时，熔炼后的镁合金阳极材料的自腐蚀速率最低、电流效率最高，自腐蚀速率在0.5×10-4g/cm2·h以下、电流效率在73.96%至77.44%之间，实验中第二组配比方案为高效低耗镁合金牺牲阳极熔炼方案。
（4）高效低耗镁合金牺牲阳极在3.5%NaCl模拟海水体系应用实验表明，新型镁合金阳极在15天内对Q235碳钢试件的阴极保护效果最佳。
参考文献：
[1] 房中学，赵言辉，徐河.镁合金牺牲阳极材料的应用与加工进展[J].第十三届中国有色金属学会材料科学与工程合金加工学术研讨会文集，2009
[2] 凌赵华.镁铝复合牺牲阳极的制备及其电化学性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2007
[3] B.Alessandro，M.Luca，P.Francesca，et al.Cathodic protection of carbon steel in natural seawater：Effect of sunlight radiation[J].Electrochim.Acta，2009，54：6472-6476
[4] 乔进朝，王进锁，张石奎.变电站接地网牺牲阳极保护试验研究[J].山西电力，2009，154（3）：21-24
[5] F.M.Song，N.Sridhar.Modeling pipeline crevice corrosion under a disbonded coating with or without cathodic protection under transient and steady state conditions[J].Corros.Sci.，2008，50：70-83
论文作者:马野
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30