深海环境下钛合金电极反应特征
2022-03-08
钛合金因其表面一层致密的氧化膜从而带有比一般合金更正的电位，在深海环境中，海水是天然的导电介质。在使用过程中，钛合金与其他合金不可避免地会发生接触，由于合金之间存在不同的电位差，从而会构成电池。作为电位更正的钛合金通常被作为阴极被保护起来，而偶接合金则会被快速地腐蚀。当电位差大于0.25 V时则会发生严重的电偶腐蚀。当钛合金表面存在微小缺陷时,缺陷因为电位低而成为阳极,并且缺陷面积很小，因而腐蚀电流会高度集中，腐蚀因而快速向内发展而形成腐蚀孔。另外，钝化膜表面为阴极，因此会纵向往内部腐蚀[45,63-65]。
深海高静水压力会对Cl-，氧元素等环境因子产生影响，同样，深海高静水压力亦影响平衡电极电位，从而影响金属的腐蚀速率。在忽略材料的体积模量、离子的偏摩尔压缩性等条件影响，只考虑应力的作用下，得到如下式(6~8)[21]。通过公式，便可得到静水压力改变对平衡电极电位影响的数值。根据文献[21]的方法计算结果得到下图7。静水压力的增大，对析氢、吸氧反应的平衡电极电位影响较大，静水压力使析氢反应的平衡电极电位降低，使吸氧反应的平衡电极电位升高。相较于空气加压环境条件，溶解氧条件下吸氧反应的平衡电极电位变化幅度较小。这是因为压缩后的空气不仅能够增大溶解氧的活度，还能增大氧的溶解度，并且溶解度变化对平衡电极电位的影响大于溶解氧活度变化对平衡电极电位的影响。静水压力对电极反应交换电流密度的影响在不考虑压力对化学反应速率及传输系数的条件下，可得公式如下：
式中，φe(P)和φe(Pθ)代表压力P和Pθ时的平衡电极电位，F是法拉第常数，fg(P)代表压力为P时气相的逸度，fg(Pθ)则是Pθ的逸度。Vm,s(Pθ)代表固相的摩尔体积，V1(Pθ)以及k1(Pθ)则分别代表了液相的偏摩尔体积和压缩性。I0,a是阳极的交换电流密度,i0,c则代表了阴极的交换电流密度。
据此对图7所列典型电极反应的交换电流密度进行计算，所示结果如图8。从图可知，随着静水压力的变化，对于不同反应的交换电流密度的影响也不同，对于析氢反应，其交换电流密度增大。而吸氧反应则由于平衡电极电位的增大，其交换电流密度因此减小。
