氧化鈰膜制備及其耐腐蝕性能

　　摘要：采用不同的制備溶液及制備參數(shù)在X80鋼表面制備出不同的氧化鈰膜，并對其耐腐蝕性能進行了研究。利用掃描電鏡、能譜儀、XRD、拉曼光譜、接觸角測試儀對不同的氧化鈰膜腐蝕前后的表面形貌、元素、物相及親水性進行了分析，利用電化學(xué)工作站對不同的氧化鈰膜在3.5wt.%NaCl溶液中的開路電位、線性極化電阻、交流阻抗、極化曲線進行了研究。研究結(jié)果表明，制備溶液中的水會導(dǎo)致膜層出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，增強電流密度不會引起膜層龜裂;電流密度增強或時間增加均會增加電化學(xué)沉積膜的表面能;制備溶液中的水可以提高膜層的耐腐蝕性能，增強制備電流密度亦能明顯提升其耐腐蝕性能，但制備時間對涂層耐腐蝕性能的影響不敏感。優(yōu)化氧化鈰膜制備參數(shù)可以明顯提升其耐腐蝕性能。

　　關(guān)鍵詞：鈰離子;電化學(xué)沉積;腐蝕;X80;接觸角

　　深海處于低溫、高壓，強腐蝕和海底復(fù)雜流動的環(huán)境中，對深海裝備及深海作業(yè)工具的強度、韌度、抗水壓及抗腐蝕性能、尺寸精度等指標都有著極高的要求1]。X80鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如高的屈服強度、高的沖擊韌性等，且其碳當量較低，具有較好的可焊接性能。X80鋼亦是美國石油學(xué)會的標準中推薦的一種可用于深海環(huán)境作業(yè)的高強鋼。X80鋼作為油氣領(lǐng)域中重要的能源運輸基礎(chǔ)材料，其在真實的服役環(huán)境中往往會遭受到腐蝕破壞的威脅，因而，對其腐蝕性能的研究一直以來是管線鋼服役安全及壽命評價中重要的研究內(nèi)容之一。

　　電化學(xué)論文范例： 電化學(xué)流體電容器的研究進展

　　利用涂層對金屬表面進行改性，在一定程度上阻隔腐蝕介質(zhì)與金屬直接接觸，是目前常用的一種提高材料耐腐蝕性能的方法。研究表明稀土轉(zhuǎn)化膜具有較好的環(huán)境友好性，且鈰化學(xué)轉(zhuǎn)化膜能夠大大優(yōu)化金屬材料的耐腐蝕性能。鈰轉(zhuǎn)化膜往往具有較好的致密性，可以有效阻礙腐蝕介質(zhì)與金屬基體的直接接觸;其轉(zhuǎn)化膜中的鈰的氧化物可以在一定程度上抑制腐蝕反應(yīng)的陰極過程。利用電化學(xué)沉積法制備鈰轉(zhuǎn)化膜可以適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬件表面，且其工藝簡單、膜層的可控性較好。利用電化學(xué)沉積法制得的鈰轉(zhuǎn)化膜是由鈰的氧化物構(gòu)成的，包括CeO、Ce、Ce8]。

　　目前關(guān)于氧化鈰膜的研究主要是關(guān)注鈰離子對基體材料耐腐蝕性能的改變方面;也有研究對其在深海環(huán)境中的服役進行了評價。為了揭示不同的制備溶液、不同的制備條件對制備后的鈰轉(zhuǎn)化膜的性能的影響規(guī)律，本文利用不同的制備溶液及制備參數(shù)在X80鋼表面制備了氧化鈰膜并對其耐腐蝕性能進行了對比研究。

　　1試驗

　　1.1試驗材料

　　試驗所用材料為X80管線鋼，其化學(xué)成分及顯微組織，可知其顯微組織由準多邊形鐵素體及針狀鐵素體構(gòu)成。利用線切割機切取尺寸為10mm×10mm×3mm的試樣，將試樣各個表面在SiC砂紙上逐級打磨至800目，并用丙酮、酒精、去離子水對磨后試樣進行清洗吹干，保存在干燥的干燥皿中。

　　1.2氧化鈰膜制備

　　利用銅導(dǎo)電膠將上述X80試樣與銅導(dǎo)線導(dǎo)通，用704硅橡膠將非工作面進行密封，僅露出一個10mm×10mm的表面作為工作電極暴露在制備溶液中。制備樣品、制備溶液及參數(shù)如表所示，利用Ivium電化學(xué)工作站進行恒電流制備時，上述樣品作為工作電極，輔助電極為Pt片，參比電極為飽和甘汞電極。制備結(jié)束后，將工作電極在去離子水、酒精中依次清洗并吹干。利用白光干涉儀測得制得膜層厚度約.070.61μm。

　　1.3表面分析

　　利用掃描電鏡、能譜儀對腐蝕后測試試樣的表面形貌、化學(xué)元素進行觀察和分析;利用XRD、拉曼光譜對膜層腐蝕前后的物相進行分析;利用接觸角測試儀對腐蝕前后測試試樣表面的親水性進行表征，測試液滴為3.5wt.%NaCl溶液，液滴體積為3μL，靜置時間為30s。

　　1.4電化學(xué)測試

　　本文中的電化學(xué)測試均采用三電極體系由Ivium電化學(xué)工作站進行測試。上述制得的樣品作為工作電極、Pt片作為輔助電極、參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，測試溶液為3.5%NaCl溶液，測試溫度為室溫。電化學(xué)測試時，對樣品的開路電位進行30min的跟蹤以待腐蝕體系達到穩(wěn)定狀態(tài);后以30min測得的開路電位(ocp)作為測試電位，測試其線性極化電阻，交流阻抗及極化曲線，線性極化電阻的測試電位ocp為10~10mV;線性極化電阻測試后，以開路電位為交流阻抗測試電位，交流電壓幅值為0，測試頻率為10，每十倍頻采樣個點進行交流阻抗分析;電化學(xué)極化測試電位ocp為0.25~0.5V，線性極化電阻及極化曲線測試方向均從陰極向陽極進行掃描，掃描速率為0.3mV/s。電化學(xué)測試后的樣品依次用去離子水及無水乙醇進行清洗并吹干。

　　2試驗結(jié)果與討論

　　2.1表面分析

　　X80鋼表面用不同制備溶液及制備參數(shù)制得氧化鈰膜的表面形貌。在含水體積比20%的制備溶液制得的電化學(xué)沉積膜中存在大量的龜裂裂紋，隨著制備時間增加，其表面出現(xiàn)瘤狀形貌，且在底層膜中會出現(xiàn)些許龜裂;當制備時間均為5min時，沉積的電流密度增加亦會在表面出現(xiàn)瘤狀形貌，但其底層膜依然非常致密。

　　含水溶液制得膜層開裂的主要是由于其在制備后表面脫水而造成的龜裂9];而未含水溶液制得膜層中，隨著制備時間的增加，其膜層內(nèi)應(yīng)力會隨厚度增加而增加10]，從而會導(dǎo)致較長制備時間的膜層出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象。表面膜層的開裂會降低其在腐蝕過程中的阻隔作用，腐蝕介質(zhì)會通過裂紋進入到鋼基體表面并發(fā)生腐蝕，因而表面龜裂的多少會直接影響其防腐性能。

　　2.2電化學(xué)性能分析

　　不同制備溶液及制備參數(shù)制得氧化鈰膜在3.5wt.%NaCl溶液中的電化學(xué)測試結(jié)果。制備電化學(xué)沉積膜的時間越短，其開路電位越正;制備電流密度強度越大，其開路電位越正。當制備電化學(xué)沉積膜的電流密度強度增大時樣品5)，其線性極化電阻明顯增大。線性極化電阻與材料的自腐蝕電流密度成反比15，因而樣品的耐腐蝕性能最優(yōu)。為電化學(xué)沉積膜的極化曲線測試結(jié)果，可以看出，含水的制備溶液與不含水的制備溶液制備的電化學(xué)沉積膜的陽極極化曲線存在明顯差異。 可以得到不同制備溶液及制備參數(shù)制得的氧化鈰膜在3.5%NaCl溶液中腐蝕的電化學(xué)參數(shù)。

　　當制備溶液中含水時，制得的氧化鈰膜在3.5wt.%NaCl溶液中的自腐蝕電位較負，且其耐腐蝕性能與制備溶液中鈰離子濃度的關(guān)系不大;當制備溶液中不含水時，其自腐蝕電位明顯正移。在不含水的制備溶液中制得的氧化鈰膜的耐腐蝕性能與制備時間的關(guān)系不大，而增強制備電流密度能明顯提升材料的耐腐蝕性能;制備溶液中的水有利于涂層自腐蝕電流密度的降低。這是由于增加制備電流密度可以有效的增加膜厚及致密性，溶液中添加水有利于增加溶液的導(dǎo)電性，更利于膜層形成，故會有利提高制得涂層的耐腐蝕性能。

　　3結(jié)論

　　1)含水制備溶液制得的電化學(xué)沉積膜存在明顯的龜裂現(xiàn)象，且隨著腐蝕的破壞，其表面裂紋會進一步加劇。制備溶液中不含水時，制備時間的增加其表面出現(xiàn)瘤狀形貌，且在底層膜中會出現(xiàn)些許龜裂;增強制備電流密度不會引起膜層龜裂;

　　2)電化學(xué)沉積膜制備時的電流密度增強或時間增加均會增加電化學(xué)沉積膜的表面能;經(jīng)腐蝕后的電化學(xué)沉積膜表面能有所降低;

　　3)制備溶液中不含水時，其自腐蝕電位明顯正移;制備溶液中鈰離子濃度對電化學(xué)沉積膜相貌沒有明顯影響，對耐腐蝕性能影響亦不明顯;制備溶液中的水可以提高制得電化學(xué)沉積膜的耐腐蝕性能;增強制備電流密度亦能明顯提升制備膜層的耐腐蝕性能，但制備時間對膜層耐腐蝕性能無明顯影響;

　　4)在0.3mol/的Ce乙醇無水溶液中，利用2.4A/cm的陰極電流持續(xù)電化學(xué)沉積min制得的氧化鈰膜的耐腐蝕性能最佳。

　　參考文獻：

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　　[2]張圣柱，程玉峰，馮曉東，等.X80管線鋼性能特征及技術(shù)挑戰(zhàn)[J].油氣儲運，2019，8(5)：481495.ZHANGShengzhu,CHENGYufeng,FENGXiaodong,etal.PerformancecharacteristicsandtechnicalchallengesofX80pipelinesteel[J].Oil&GasStorageandTransportation,2019,38(5):481495.

　　作者：張志斌1,3屈少鵬,尹衍升

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