[发明专利]一种测试纯钛表观氢扩散系数的装置及测量方法

说明书

本发明属于氢渗透电化学测量领域，具体地说是一种测试纯钛表观氢扩散系数的装置及测量方法。所述装置主要包括充氢系统的第一电解池、第二电解池以及测氢系统的第三电解池。其中双面工作电极0.01～0.1mm厚的b形钛片安装在第二电解池与第三电解池之间，试样尾部充当导线，在第一电解池与第二电解池之间设有质子交换膜。本发明所提供的三电解池装置及方法可测试低温下纯钛在多种介质环境下不同温度表观氢扩散系数，测试温度范围为25～100℃，测试温度精确到±1℃，采用超薄的钛箔作为工作电极，工作电极无需镀镍，使用质子交换膜防止了辅助电极反应产物对工作电极反应的干扰，能够在相对较短时间测得低温下氢在纯钛中的表观扩散系数，成本低，操作方便，测定结果准确且稳定的特点。

技术领域

本发明是涉及氢渗透电化学测量，具体地说是一种测试纯钛表观氢扩散系数的装置及测量方法。

背景技术

纯钛及其合金因具有耐蚀性好、密度低、比强度高、导热率低、可焊接、无毒无磁、表面可装饰性强、生物相容性好等特性，已经被广泛应用于航空、航天、化工、石油、电力、医疗、建筑、体育用品等领域。然而，当钛暴露在含氢环境中，钛很有可能因为裂纹尖端附近发生氢吸收，从而促进应力腐蚀开裂过程中裂纹的形成，最终导致氢脆的发生。一般对于在低氢逸度环境中受力而发生氢脆材料可分为两类：(1)非氢化物体系和(2)氢化物体系。钛就属于后者。如果氢吸收达到临界水平(室温下氢在α-Ti中的溶解度在20ppm到150ppm之间)，钛表面就会形成氢化物，这种氢化物易发生脆化，并且其弹性性能与母体晶格有很大的不同。氢在钛中的扩散系数能够反应氢在材料中扩散特性，同时可以估测钛表面形成氢化物的厚度，从而判断其发生氢脆的可能性。

有关测量氢在材料中的扩散系数主要有电化学法和气相法两种方法。由于氢在钛中扩散极其缓慢，目前对于氢在钛中扩散的研究大多数在高温环境(400℃以上)，利用气相法测定其扩散系数，并最终通过外推法获得低温下氢在钛中扩散系数。然而这种外推法得到的结果并不可靠，因为氢在近α-钛合金中扩散最慢，而在稳定β-合金中扩散最快，这种差异在低温下最为显著，并随着温度的升高而减小。目前仅有的一种电化学法测量低温下氢在纯钛中的扩散系数方法是建立在氢化物厚度和质量随充氢时间变化关系上进行推导估算。该方法总体而言比较复杂，需要借助多种表征方法测定氢化物的具体成分，而且还需要测定氢化物厚度和质量。更为重要的是该方法并不能适用于能够产生沉积层的介质环境中，因为沉积层的生成会加大其对氢化物厚度和质量测定的难度。

电化学法测定氢在材料扩散系数中更多采用Devanathan-Stachurski双电解池法，是研究氢脆以及氢在金属材料中扩散行为的经典方法，然而由于氢在纯钛中扩散极其缓慢，该方法测定实验时间较长，因此，该方法对测定低温下纯钛表观系数受限。

现阶段，需要提供一种测定时间短、且可用于低温测定氢在纯钛中的表观扩散系数的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试纯钛表观氢扩散系数的装置及测量方法。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种测试纯钛表观氢扩散系数的装置，其特征在于：包括第一电解池、第二电解池以及第三电解池，第一电解池与第二电解池之间以硅胶垫圈进行密封，硅胶垫圈之间设有质子交换膜，第一电解池上开有第一孔，第一辅助电极通过第一孔插入第一电解池的溶液中，第二电解池上开有第二孔，温度计通过第二孔插入溶液中，第二电解池与第三电解池之间同样以硅胶垫圈进行密封，硅胶垫圈之间设有待测双面工作电极钛箔，第三电解池上开有第三孔和第四孔，参比电极和第二辅助电极分别通过第三孔和第四孔插入第三电解池溶液中，通过紧固长螺栓上的螺母将整个三电解池装置连接固定。

第一电解池与第二电解池中的溶液相同并通过质子交换膜相连接。

第一辅助电极与待测双面工作电极钛箔不在同一个电解池中。

利用所述的装置测试纯钛表观氢扩散系数的方法：