一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置

摘要

本发明公开了一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置，包括超声波发生装置和电化学测量系统；超声波发生装置包括依次连接的控制屏、超声波发生器、换能器、变幅杆；电化学测量系统包括工作电极、参比电极、辅助电极、底座、铜棒、鲁金毛细管、陶芯；工作电极固定底座上，参比电极下端插入鲁金毛细管中；参比电极和辅助电极固定于导轨上；变幅杆和工作电极在电解池内衔接，变幅杆上设置有螺杆，电解池内设置有循环水系统。本发明兼具空蚀发生和电化学测量功能，利用超声波振荡产生冲击空泡，并对传统电化学测量系统部件进行改造，实现空蚀状态下电化学参数的实时采集，对将电化学技术应用于空蚀保护研究具有重要的意义。

权利要求

1.一种用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，包括超声波发生装置和电化学测量系统；所述超声波发生装置包括依次连接的控制屏(1)、超声波发生器(2)、换能器(3)、变幅杆(4)；所述电化学测量系统为三电极两回路测量系统包括工作电极(5)、参比电极(6)、辅助电极(7)、底座(8)、铜棒(9)、鲁金毛细管(10)、陶芯(11)；所述工作电极(5)通过铜棒(9)固定底座(8)上，所述参比电极(6)下端插入带有陶芯(11)的鲁金毛细管(10)中并粘接在一起；所述参比电极(6)和辅助电极(7)使用卡口装置固定于导轨(12)上，导轨(12)焊接于立柱(13)上；所述超声波发生装置的变幅杆(4)和电化学测量系统的工作电极(5)通过电解池(14)中电解质进行衔接，变幅杆(4)上设置有螺杆(15)；电解池(14)内设置有循环水系统(16)；整个电化学测量系统、部分变幅杆(4)、电解池(14)、导轨(12)和立柱(13)被密封箱(17)包裹，密封箱顶部设置有观察孔(18)，所述变幅杆(4)浸水部位采用聚四氟乙烯进行包裹；所述鲁金毛细管(10)与工作电极(5)之间距离为2～5mm；所述变幅杆(4)和工作电极(5)在同一中心线上，通过螺杆(15)来调节变幅杆(4)和工作电极(5)之间距离，距离范围为0～2.5mm。

2.根据权利要求1所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述电解池(14)为双层玻璃筒；所述双层玻璃筒中间部分为循环水系统(16)；所述循环水系统(16)外部有两个突出端口，其中上端为出水口，下端为进水口。

3.根据权利要求1所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述电解池(14)池底粘接有玻璃板(19)；底座(8)固定于玻璃板(19)上。

4.根据权利要求1所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述电解池(14)内设置有温度传感器(20)，电解池(14)通过温度传感器(20)控制循环水系统(16)温度，能够实现不同温度控制下的电化学测量。

5.根据权利要求1-4任一所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述电解池(14)固定于工型架(21)上，电解池(14)与工型架(21)之间设置有橡胶垫圈。

6.根据权利要求1所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述陶芯(11)为陶瓷制品，置于鲁金毛细管(10)尖嘴末端。

7.根据权利要求1所述的用于测量金属空蚀状态下电化学阻抗谱EIS的装置，其特征在于，所述用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置还包括连接端口(22)，所述连接端口(22)位于密封箱(17)内侧从上至下为三对孔口，从下至上依次连接工作电极(5)、参比电极(6)、辅助电极(7)，所述连接端口(22)位于密封箱(17)外侧孔口用于外接数据采集装置，通过连接端口(22)将用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置和数据采集装置连接。

说明书

一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置

技术领域

[0001] 本发明属于材料电化学参数的测量技术，具体涉及一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置。

背景技术

[0002] 空蚀也称气蚀，是指当液体在与金属表面接触处的压力低于它的饱和蒸汽压力时，将在金属表面附近形成气泡，或溶解在液体中的气体析出而形成气泡。由于液体流动引起金属表面气泡压力变化时，使得空泡体积减小至溃灭，气泡在溃灭瞬间产生巨大的冲击波和微射流而导致金属表面破坏，出现麻点、蜂窝、腐蚀微孔、微裂纹等现象，然后逐渐扩大成洞穴。金属空蚀过程主要涵盖机械损伤、电化学腐蚀、化学腐蚀和热力学作用等多种破坏机制，且空蚀和腐蚀之间相互促进。

[0003] 空蚀环境为动水环境，介质的流动加快了材料表面及附近腐蚀介质的电子传质过程，导致材料表面电化学参数变化，在空蚀过程中会产生大量空泡，空泡溃灭瞬间造成金属表面电子传质过程加速，导致腐蚀加剧，且其产生的腐蚀速率远大于介质流动。由于介质流动和空泡溃灭的共同作用，在空蚀过程中试件表面的介质处于极不稳定状态，使得实时采集空蚀过程中的电化学参数存在很大的困难和局限性。

[0004] 中国专利201120152150.6公开了一种配置有电化学测试装置的旋转式冲蚀与空蚀联合作用试验装置，利用叶片旋转推动固-液-气多相介质流动，模拟螺旋桨等过流件的冲蚀和空蚀耦合作用过程。中国专利201620780097.7公开了一种多相流冲蚀空蚀及腐蚀综合实验台数据采集及控制装置，通过高压渣浆泵将料浆高速喷射到试件表面，形成冲蚀作用，同时连接电化学工作站采集电化学参数信息。然而上述装置，并未针对动态环境中介质不稳定而难以实时采集电化学参数的问题进行合理设计，而且忽视了空蚀过程中空泡溃灭的主导作用，尤其是在高水头、大流量泄水建筑物泄流过程中。

发明内容

[0005] 发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置，该装置利用超声波振荡产生冲击空泡，并对传统电化学测量系统部件进行改造，实现空蚀状态下电化学参数的实时采集，对将电化学技术(如阴极保护)应用于空蚀保护研究具有重要的意义。

[0006] 技术方案：为了实现上述目的，如本发明一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置，包括超声波发生装置和电化学测量系统；所述超声波发生装置包括依次连接的控制屏、超声波发生器、换能器、变幅杆；所述电化学测量系统为三电极两回路测量系统包括工作电极、参比电极、辅助电极、底座、铜棒、鲁金毛细管、陶芯；所述工作电极通过铜棒固定于底座上，所述参比电极下端插入带有陶芯的鲁金毛细管中并粘接在一起；所述参比电极和辅助电极固定于导轨上，通常使用卡口装置固定于导轨，导轨焊接于立柱上；所述超声波发生装置的变幅杆和电化学测量系统的工作电极通过电解池中电解质进行衔接，变幅杆在电解质中振动产生大量气泡并作用于工作电极，变幅杆上设置有螺杆；电解池内设置有循环水系统；整个电化学测量系统、部分变幅杆、电解池、导轨和立柱被密封箱包裹，密封箱顶部设置有观察孔。

[0007] 作为优选，所述电解池为双层玻璃筒；所述双层玻璃筒中间部分为循环水系统；所述循环水系统外部有两个突出端口，其中上端为出水口，下端为进水口。循环水系统可通过软管与恒温槽连接，用以恒定电解池内部工作温度，电解池内可控温度为0～70℃。

[0008] 所述电解池池底粘接有玻璃板；底座固定于玻璃板上。底座材料为聚四氟乙烯，玻璃板为硬质玻璃板采用玻璃胶粘接于电解池底部，底座和硬质玻璃板均设置中心对称的螺丝孔，通过螺丝将底座固定于玻璃板上。

[0009] 进一步地，底座为倒“T”圆柱体，底座下部设置四个中心对称的螺丝孔，通过螺丝将底座固定于玻璃板上；底座上部中心设置“T”型圆孔，圆孔上部孔径为16mm，高度为5mm，用于放置工作电极；圆孔下部孔径为5mm，高度为40mm。工作电极为圆柱体试件，底面积为2cm2、高度为5mm；工作电极底部开螺丝孔，孔径为5mm，孔深为2.5mm。

[0010] 更进一步地，所述工作电极通过铜棒固定于底座之后需在工作电极凸出部位外部均匀涂抹一层硅橡胶，然后将底座盖筒拧上。所述铜棒上端通过圆孔下部穿插至工作电极预留螺丝孔中，下端连接导线，作用为防止实验中工作电极上下移动。工作电极与底座位于同一平面，工作电极与底座之间缝隙需填满硅橡胶。

[0011] 其中，所述电解池内设置有温度传感器，电解池通过温度传感器控制循环水系统温度，能够实现不同温度控制下的电化学测量。

[0012] 所述电解池固定于工型架上，电解池与工型架之间设置一个橡胶垫圈。可防止电解池在空蚀过程中发生相对移动。

[0013] 所述变幅杆和工作电极在同一中心线上，通过螺杆来调节变幅杆和工作电极之间距离，距离范围为0～2.5mm。所述螺杆为空心圆环结构，通过旋转螺杆来调节变幅杆与工作电极之间的距离，并在通过旁边设置观察孔，用于校准变幅杆与工作电极是否位于同一中心位置，减小观察过程中由于光的折射产生的视觉误差。

[0014] 作为优选，所述变幅杆浸水部位采用聚四氟乙烯进行包裹，以减小杂散电流影响。

[0015] 作为优选，所述鲁金毛细管与工作电极之间距离为2～5mm。

[0016] 进一步地，所述鲁金毛细管属于盐桥的一种，作用为消除液接电势和溶液电阻，避免动水环境引起参比电极自身电势的波动。

[0017] 进一步地，所述鲁金毛细管内液体为饱和KCl溶液，参比电极浸泡在溶液中，作用为避免电极遭受污染，可用于测量不同介质中金属空蚀电化学参数。所述参比电极为直管甘汞电极，将直管甘汞电极插入带有陶芯的鲁金毛细管中。

[0018] 进一步地，所述陶芯为陶瓷制品，置于鲁金毛细管尖嘴末端。

[0019] 所述用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置还包括连接端口，所述连接端口内侧从上至下为三对孔口，从下至上依次连接工作电极、参比电极、辅助电极，所述连接端口外侧孔口用于外接数据采集装置，通过连接端口将用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置和数据采集装置连接。

[0020] 进一步的，所述超声波发生装置可调功率为0-2500W，振动频率为20kHz，变幅杆振幅为50μm，变幅杆振动产生气泡，用以模拟空蚀环境。超声波发生器功率可调，可实现不同强度下金属空蚀电化学测量。

[0021] 工作原理：测试时，将工作电极逐级打磨至2000#，用丙酮清洗试样表面油脂和杂物，清洗后放入烘箱在105℃下烘1h，之后放置于干燥器中冷却至室温。然后将工作电极固定于底座，并在周围均匀涂抹一层硅橡胶，待硅橡胶凝固后，对准螺丝孔，将底座固定在玻璃板上，同时旋紧底座盖，并在电解池中加入适量电解质溶液。待工作电极电位在电解质中稳定后，将电解池放置于工型架上，调整电解池位置，使变幅杆对准工作电极，同时转动螺杆，使变幅杆底端距离样品表面1.0～1.5mm，同时通过观察孔进行校准，然后分别安装辅助电极和参比电极于导轨上，参比电极插入鲁金毛细管中且粘接一起，移动参比电极，使得鲁金毛细管弯嘴处距离工作电极2～5mm，同时调节辅助电极至合适位置。连接工作电极、辅助电极和参比电极至连接端口位于密封箱内侧的孔口后便可开始电化学测量。测量过程中，先用软管将恒温槽与循环水系统连接起来，设置实验温度为25℃，然后检查连接管是否漏水，电解池温度是否恒温。待温度恒定后，通过连接端口外部(侧)孔口外接数据采集装置，最后打开超声波发生器和换能器，换能器用于聚能，持续产生超声波，引起变幅杆震动。通过控制屏设置基本参数(温度、功率、工作时间等)，根据实验所需，采集空蚀过程开路电位、极化曲线、EIS、DEIS等电化学参数，便可实现不同温度、不同强度以及不同环境介质下的电化学测试。

[0022] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

[0023] (1)本发明的用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置兼具空蚀发生和电化学测量功能，变幅杆振动产生气泡，用以模拟空蚀环境，实现空蚀状态下电化学参数的实时采集；

[0024] (2)利用陶芯-鲁金毛细管结构，避免动水环境引起的参比电极自身电势波动，且陶芯可替代传统琼脂填充工艺，操作简单；

[0025] (3)设计电化学测量系统连接端口和电极卡口装置，便于电化学工作站对接以及电极工装；

[0026] (4)本发明的顶端设置观察孔和螺杆，可实现变幅杆与工作电极的对中及间距精确控制。

附图说明

[0027] 图1为本发明用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置结构示意图；

[0028] 图2为本发明电化学测量系统结构示意图。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

[0030] 如图1和图2所示，一种用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置，包括超声波发生装置和电化学测量系统。超声波发生装置包括依次连接的控制屏1、超声波发生器2、换能器3、变幅杆4。超声波发生装置可调功率为0-2500W，振动频率为20kHz，变幅杆振幅为50μm，变幅杆4振动产生气泡，用以模拟空蚀环境，超声波发生器3功率可调，可实现不同强度下金属空蚀电化学测量；

[0031] 电化学测量系统为三电极两回路测量系统包括工作电极5、参比电极6、辅助电极7、底座8、铜棒9、鲁金毛细管10、陶芯11；工作电极5通过铜棒9固定底座上，参比电极6为直管甘汞电极，下端插入带有陶芯11的鲁金毛细管10中并粘接在一起，陶芯11为陶瓷制品，置于鲁金毛细管10尖嘴末端；鲁金毛细管10属于盐桥的一种，作用为消除液接电势和溶液电阻，避免动水环境引起参比电极6自身电势的波动，鲁金毛细管10内液体为饱和KCl溶液，参比电极6浸泡在溶液中，作用为避免电极遭受污染，可用于测量不同介质中金属空蚀电化学参数。鲁金毛细管10与工作电极5之间距离为2～5mm；参比电极6和辅助电极7通过卡口装置
23固定于导轨12上，辅助电极7通常选用Pt电极，导轨12焊接于立柱13上；超声波发生装置的变幅杆4和电化学测量系统的工作电极5在通过电解池14中电解质(图1中虚线)进行衔接，变幅杆4在电解质中振动产生大量气泡并作用于工作电极5，变幅杆4上设置有螺杆15；
电解池14内设置有循环水系统16；整个电化学测量系统、部分变幅杆4、电解池14、导轨12和立柱13被密封箱17包裹，密封箱顶部设置有观察孔18。

[0032] 电解池14为双层玻璃筒；所述双层玻璃筒中间部分为循环水系统16；循环水系统16外部有两个突出端口，其中上端为出水口，下端为进水口。循环水系统16的两个突出端口可通过软管与恒温槽连接，用以恒定电解池14内部工作温度，电解池14内可控温度为0～70℃。电解池14池底粘接有玻璃板19；底座8固定于玻璃板19上。底座8材料为聚四氟乙烯，玻璃板19为硬质玻璃板采用玻璃胶粘接于电解池14底部；底座8为倒“T”圆柱体，底座8下部设置四个中心对称的螺丝孔，通过螺丝将底座8固定于玻璃板19上；底座8上部中心设置“T”型圆孔，圆孔上部孔径为16mm，高度为5mm，用于放置工作电极5；圆孔下部孔径为5mm，高度为
40mm。工作电极5为圆柱体试件，底面积为2cm2、高度为5mm；工作电极5底部开螺丝孔，孔径为5mm，孔深为2.5mm。工作电极5通过铜棒9固定于底座8之后需在工作电极5凸出部位外部均匀涂抹一层硅橡胶，然后将底座8的盖筒拧上。铜棒9上端通过底座8中心圆孔下部穿插至工作电极5预留螺丝孔中，下端连接导线，作用为防止实验中工作电极5上下移动。工作电极
5与底座8位于同一平面，工作电极5与底座8之间缝隙需填满硅橡胶。电解池14内设置有温度传感器20，电解池14通过温度传感器20控制循环水系统温度，能够实现不同温度控制下的电化学测量。整个电解池14固定于工型架21上，电解池14与工型架21之间设置一个橡胶垫圈。可防止电解池在空蚀过程中发生相对移动。

[0033] 变幅杆4和工作电极5在同一中心线上，通过螺杆15来调节变幅杆4和工作电极5之间距离，距离范围为0～2.5mm。螺杆15为空心圆环结构，通过旋转螺杆15来调节变幅杆4与工作电极5之间的距离，并在通过旁边设置观察孔18，用于校准变幅杆4与工作电极5是否位于同一中心位置，减小观察过程中由于光的折射产生的视觉误差。变幅杆4位于电解质的浸水部位采用聚四氟乙烯进行包裹，以减小杂散电流影响。

[0034] 本装置还包括连接端口22，连接端口22位于密封箱17内侧从上至下为三对孔口，从下至上依次连接工作电极5、参比电极6、辅助电极7，连接端口22位于密封箱17外侧孔口用于外接数据采集装置，通过连接端口22将用于测量金属空蚀状态下电化学参数的装置和数据采集装置连接。

[0035] 测试时，将工作电极5逐级打磨至2000#，用丙酮清洗试样表面油脂和杂物，清洗后放入烘箱在105℃下烘1h，之后放置于干燥器中冷却至室温。然后将工作电极5固定于底座8，并在周围均匀涂抹一层硅橡胶，待硅橡胶凝固后，对准螺丝孔，将底座8固定在玻璃板19上，同时旋紧底座盖，并在电解池中加入适量电解质溶液。待工作电极5电位在电解质中稳定后，将电解池14放置于工型架上21，调整电解池14位置，使变幅杆4对准工作电极5，同时转动螺杆15，使变幅杆4底端距离样品表面1.0～1.5mm，同时通过观察孔18进行校准，然后通过卡扣装置23分别安装辅助电极7和参比电极6于导轨上，参比电极6插入鲁金毛细管10中且粘接一起，移动参比电极6，使得鲁金毛细管弯嘴处距离工作电极2～5mm，同时调节辅助电极7至合适位置。连接工作电极5、辅助电极7和参比电极6至连接端口22位于密封箱17内侧孔口后便可开始电化学测量。测量过程中，先用软管将恒温槽与循环水系统16连接起来，设置实验温度为25℃，然后检查连接管是否漏水，电解池14温度是否恒温。待温度恒定后，通过连接端口22位于密封箱17外侧孔口外接数据采集装置，设置实验温度为25℃，然后检查连接管是否漏水，电解池14温度是否恒温。待温度恒定后，通过连接端口22外侧孔口外接数据采集装置，最后打开超声波发生器2和换能器3，换能器2用于聚能，持续产生超声波，引起变幅杆4震动。通过控制屏1设置基本参数(温度、功率、工作时间等)，根据实验所需，采集空蚀过程开路电位、极化曲线、EIS、DEIS等电化学参数，便可实现不同温度、不同强度以及不同环境介质下的电化学测试。