雙極電化學(xué)清除鈦合金表面鐵污染

李游游，趙曉燕，曹鐵山，趙杰，孟憲明，余偉，程從前

雙極電化學(xué)清除鈦合金表面鐵污染

李游游1，趙曉燕1，曹鐵山1，趙杰1，孟憲明2，余偉1，程從前1

（1.大連理工大學(xué)，遼寧 大連 116085；2.中汽研汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

針對(duì)耐蝕合金表面潔整化制造中，清洗介質(zhì)和零件形狀對(duì)清除表面異質(zhì)鐵污染的重要影響，提出了一種采用雙極電化學(xué)清除鐵污染的方法。采用COMSOL軟件建立雙極電化學(xué)模型，仿真計(jì)算了不同驅(qū)動(dòng)電位和樣品位置對(duì)表面電位分布及清除速率的影響，對(duì)噴丸強(qiáng)化后的鈦合金表面進(jìn)行鐵污染清除試驗(yàn)，利用鄰菲羅啉顯色檢驗(yàn)和電化學(xué)阻抗驗(yàn)證鐵清除效果，分析典型參數(shù)對(duì)鐵污染清除效果的影響。仿真模擬中電解池內(nèi)的電壓呈對(duì)稱分布，樣品表面電位為0 V；樣品位于電解池中近正極1/4處時(shí)，其清除速率較中間位置時(shí)低；隨驅(qū)動(dòng)電壓增加，有效清除長(zhǎng)度減小，清除速率下降；顯色檢測(cè)顯示鈦合金原始試樣表面的鐵污染程度不均勻，紅色色度值最高為15.5，清洗后合金表面從紅色變?yōu)闊o(wú)色，阻抗譜圖顯示合金表面的耐蝕性增加。試驗(yàn)與仿真模擬結(jié)果吻合良好，雙極電化學(xué)可用于鈦合金表面鐵污染的清除，為鈦合金表面高清潔度制造提供了一種新思路。

鈦合金；鐵污染；雙極電化學(xué)；顯色檢測(cè)

鈦合金作為航空、核電和海洋工程等領(lǐng)域關(guān)鍵零部件用材，其耐蝕性不僅與合金成分組織有關(guān)，還與零部件加工制造過(guò)程的表面清潔度密切相關(guān)[1-3]。例如鈦合金表面噴丸強(qiáng)化過(guò)程中，鑄鋼丸在高速擊打鈦合金表面時(shí)可能會(huì)殘留彈丸碎粒造成鐵污染，并且在腐蝕介質(zhì)中鐵污染會(huì)加速氫到鈦合金內(nèi)部的擴(kuò)散，造成氫脆，降低鈦合金的使用壽命[4]。目前表面清除鐵污染的方法有化學(xué)酸洗法、機(jī)械法、電化學(xué)拋光法。其中化學(xué)酸洗法是用如氫氟酸、硝酸、氨基磺酸和檸檬酸等試劑與鐵污染物反應(yīng)，達(dá)到清洗效果，其具有成本低的優(yōu)點(diǎn)，但存在環(huán)境污染問(wèn)題[5-7]；噴砂、二次噴丸等機(jī)械清除法是利用噴料或噴丸高速擊打在鈦合金零件的表面，去除零件表層的污染物層。二次噴丸是在一次噴丸的基礎(chǔ)上選用強(qiáng)度較小的彈丸流高速撞擊合金表面，用于改善一次噴丸造成的彈丸殘留，降低表面粗糙度，提高合金表面完整性。機(jī)械清除法對(duì)于平整的零件的清除效果明顯，但是對(duì)于一些復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)件清潔存在不足[8-9]。電化學(xué)拋光法是基于陽(yáng)極溶解的過(guò)程從金屬或合金表面清除污染的方式，速率較快，清除效果明顯，但是陰陽(yáng)極間的距離以及適合的輔助電極是影響電拋光的重要因素，因此在拋光復(fù)雜、精細(xì)的零件時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)度腐蝕現(xiàn)象，并且其對(duì)輔助電極的材料和設(shè)計(jì)要求苛刻[10-11]。因此，發(fā)展綠色便捷的表面鐵污染清除方法，成為鈦合金零部件高清潔度制造的重要環(huán)節(jié)。

雙極電化學(xué)是利用兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電極產(chǎn)生的電場(chǎng)，使電解質(zhì)中樣品表面不接觸就發(fā)生極化，進(jìn)而發(fā)生氧化還原反應(yīng)[12-13]，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，在傳感和篩選[14-17]、電沉積[18-19]、腐蝕電化學(xué)檢測(cè)[20-23]等領(lǐng)域受到研究者關(guān)注。Dorota等[24]采用硫酸蒸汽作為雙極電化學(xué)反應(yīng)的離子介質(zhì)，施加驅(qū)動(dòng)電壓誘導(dǎo)商用鍋爐鋼發(fā)生露點(diǎn)腐蝕，利用雙極電化學(xué)的電位梯度變化觀察不同電位下鋼材的腐蝕程度，對(duì)鋼材進(jìn)行篩選。結(jié)果顯示，相較于碳鋼和鐵素體鋼，不銹鋼（AISI 347/AISI310）表現(xiàn)出良好的抗露點(diǎn)腐蝕性能。Zhou等[25]利用雙極電化學(xué)的電位梯度，克服了使用動(dòng)電位極化測(cè)試時(shí)掃描速率和曝光時(shí)間對(duì)測(cè)定不同外加電位下黃銅脫鋅的影響，得出影響脫鋅反應(yīng)的參數(shù)僅僅是樣品表面的局部作用電勢(shì)，且在較低的外加電位下，生成氧化鋅腐蝕產(chǎn)物，銅溶解后沉積在黃銅表層，當(dāng)在較高的外加電位下時(shí)鋅優(yōu)先溶解，黃銅表面的腐蝕產(chǎn)物為氧化亞銅。Nashmil等[26]研究發(fā)現(xiàn)極化電位差與兩側(cè)驅(qū)動(dòng)電壓的大小和樣品在電場(chǎng)中的位置有關(guān)。然而，雙極電化學(xué)在清洗方面的研究應(yīng)用鮮有報(bào)道。

本文提出采用雙極電化學(xué)方法清除鈦合金表面的鐵污染，采用Comsol軟件中電化學(xué)工程模塊來(lái)仿真分析鈦合金在不同驅(qū)動(dòng)電位和放置位置下的電位變化，結(jié)合顯色檢測(cè)和電化學(xué)測(cè)試，對(duì)噴丸強(qiáng)化后的鈦合金片進(jìn)行典型工藝參數(shù)下的清洗驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用鑄鋼噴丸強(qiáng)化的6 mm鈦合金圓片，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：Ti 6.01%，Al 4.00%，V 0.17%，F(xiàn)e 0.12%，O 0.03%，C 0.01%，N 0.001%。圓片用酒精清洗吹干并用硅橡膠密封非測(cè)試面。采用10 cm×15 cm的鉑片作為雙極電化學(xué)電解池兩端的驅(qū)動(dòng)電極，電源為直流電源，清除液為3 mol/L硫酸鈉和0.2 mol/L磷酸二氫鈉的混合溶液。

采用COMSOL模擬軟件構(gòu)建20 cm×10 cm的二維電解池模型，其中清洗樣品尺寸為6 cm×0.2 cm。研究不同驅(qū)動(dòng)電壓（2、6、10、30、60 V）以及樣品位置對(duì)雙極電化學(xué)電解池中電位分布的影響，取距離樣品下表面3 mm處清除液中的電位數(shù)據(jù)擬合電位分布曲線。

將平均尺寸80 μm的鐵粉壓在測(cè)試面模擬殘留的噴丸顆粒制造鐵污染[27]，采用2 V的驅(qū)動(dòng)電壓進(jìn)行雙極電化學(xué)清除試驗(yàn)。清洗后運(yùn)用鄰菲羅啉試劑檢驗(yàn)鐵污染前后的效果，在酸性測(cè)試溶液環(huán)境中，合金表面的鐵污染會(huì)與測(cè)試液發(fā)生顯色反應(yīng)并生成絡(luò)合物，反應(yīng)為3phen+Fe2+→[Fe(phen)3]2+（紅色絡(luò)合物）[28-31]。將測(cè)試紙浸漬鄰菲羅啉顯色試劑并貼于樣品表而進(jìn)行顯色反應(yīng)，3 min后對(duì)測(cè)試紙進(jìn)行拍照，之后用MATLAB提取圖像色素點(diǎn)，通過(guò)紅色像素的色度來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)試面鐵污染的清除情況。

在室溫下，采用CS350型電化學(xué)工作站，首先測(cè)量鐵污染在清除液中的極化曲線，清除液為3 mol/L硫酸鈉和0.2 mol/L磷酸二氫鈉的混合溶液。采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系，參比電極為Ag/AgCl電極，輔助電極為鉑電極，掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為?1.5～3 V（相對(duì)于Ag/AgCl電極），工作面積為0.39 cm2。其次對(duì)鐵污染清除前和清除后的樣品測(cè)試面進(jìn)行動(dòng)電位極化掃描和阻抗–頻率掃描，分析清洗前后樣品在一般環(huán)境下的耐腐蝕性，電解液為3.5%NaCl，掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為?0.5～1.5 V（相對(duì)于Ag/AgCl電極），工作面積為1.8 cm2。在電化學(xué)測(cè)試之前，工作電極均在溶液中穩(wěn)定一段時(shí)間，直至獲得穩(wěn)定的開路電位。試驗(yàn)中的所有電極電位都經(jīng)過(guò)校正后換算成標(biāo)準(zhǔn)氫電極（SHE）：

she=ag/agcl+0.197?0.001 1×(?25) (1)

式中：Ag/AgCl是用氯化銀/氯化銀參比電極測(cè)得的電位；SHE是在試驗(yàn)溫度下對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位。此外，本研究中Ag/AgCl和SHE的單位為V。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品位置和驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)電位分布的影響

圖1為施加10 V驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)樣品在不同位置下電解池內(nèi)模擬電位分布云圖以及距離樣品下表面3 mm處清除液的電位數(shù)據(jù)。在圖1a和圖1b中，顏色變化表明電解池中等電位值的變化，可見(jiàn)電位從正極+5 V至負(fù)極?5 V遞減，樣品表面的電位為0 V[32]。當(dāng)樣品位于近電解池的正極一端時(shí)，電位隨著樣品位置的變化發(fā)生波動(dòng)，右側(cè)顏色范圍整體左移，電位為0值的顏色范圍向左側(cè)拓展；其中白色實(shí)線表示電解池中的電流密度矢量，可以看出樣品周圍電流密度發(fā)生變化，在兩端的電流密度較大。圖1c中數(shù)值曲線表明，當(dāng)樣品位于中間時(shí)，電解池中的電位值呈對(duì)稱分布；將樣品放在靠近某一驅(qū)動(dòng)電極端時(shí)，電解池中的電位值較小。

圖2為不同驅(qū)動(dòng)電壓下電解池中的電位數(shù)據(jù)。如圖2a所示，可以看出不同驅(qū)動(dòng)電壓下電解池中的電位分布規(guī)律大致相同，從左至右電位遞減，樣品處電位在0值附近。將圖2a中樣品位置處（紅框）放大得到圖2b，可以看出電解池兩端驅(qū)動(dòng)電壓越大，清除液中的電位越大。

2.2 鐵污染在清除液中的電化學(xué)腐蝕特性和清除速率

圖3為純鐵在清除液中的極化曲線?？梢钥闯?，鐵在清除液中的自腐蝕電位為?0.39 V，隨著電位的升高，電流密度增加，鐵在清除液中發(fā)生陽(yáng)極溶解過(guò)程，即：Fe?2e+→Fe2+。當(dāng)外加電位高于0.65 V時(shí)，電流密度突然減小，不隨電壓的變化而變化，表示待測(cè)面處于鈍化狀態(tài)，存在一層穩(wěn)定的鈍化膜[33-35]，發(fā)生2Fe+3H2O→Fe2O3+6H++6e?，此時(shí)的維鈍電流密度為0.000 805 25 A/cm2，處于鈍態(tài)的金屬仍有一定的反應(yīng)能力，即鈍化膜的溶解和修復(fù)（再鈍化）處于動(dòng)態(tài)平衡[36]。當(dāng)電壓超過(guò)1.68 V時(shí)，待測(cè)表面從鈍態(tài)變成活性溶解，電流隨著電壓的升高迅速增大，處于過(guò)鈍化區(qū)。

圖2 不同驅(qū)動(dòng)電壓下電解池中的電位數(shù)據(jù)

圖3 純鐵在3 mol/L硫酸鈉和0.2 mol/L磷酸二氫鈉混合溶液中的極化曲線

樣品表面近驅(qū)動(dòng)電極正極的一側(cè)在電場(chǎng)作用下，作為雙極電極的陰極發(fā)生反應(yīng)，相應(yīng)的近驅(qū)動(dòng)電極負(fù)極的一側(cè)作為陽(yáng)極發(fā)生反應(yīng)，將樣品表面的電位（0 V）與清除液間的電位差近似為極化電位，根據(jù)圖3的極化曲線，獲得該電位所對(duì)應(yīng)的電流密度，采用深度指標(biāo)表征鐵污染的清除速率，公式為：

式中：corr為腐蝕電流密度；為金屬密度；為得失電子數(shù)；為26.8 A·h/mol；為相對(duì)原子質(zhì)量。

圖4為不同位置下樣品表面與清除液間的電位差（極化電位）分布和鐵污染在清除液中的清除速率。從圖4a可以看出，當(dāng)樣品位于電解池中間時(shí)，表面處于陽(yáng)極溶解區(qū)，而位于近正極1/4處的樣品表面，其左側(cè)約0.7 cm的長(zhǎng)度處于陰極極化區(qū)，并且極化電位較低。從圖4b中可以看出，清除速率沿著長(zhǎng)度方向變化，位于中間位置處的樣品右側(cè)表面因處于活化–鈍化過(guò)渡區(qū)，清除速率下降。

圖4 不同位置下樣品表面的極化電位分布與清除速率

圖5為不同驅(qū)動(dòng)電壓下樣品表面的極化電位分布和鐵污染在清除液中的清除速率。從圖5a中可以看出，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為2、6、10 V時(shí)，整個(gè)樣品表面處于可清除區(qū)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓增加至30 V時(shí)，樣品左側(cè)表面處于陰極極化區(qū)，鐵污染無(wú)法清除，右側(cè)處于鈍化區(qū)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為60 V時(shí)，試樣右側(cè)約0.5 cm處發(fā)生過(guò)鈍化。從圖5b中可以看出，從樣品表面左側(cè)至右側(cè)，清除速率呈上升趨勢(shì)；隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，樣品左側(cè)清除速率減小，右側(cè)清除速率沒(méi)有明顯趨勢(shì)。

假設(shè)電解池中樣品是鈦合金材料，且表面存在一層100 μm厚的鐵污染，利用不同條件下清除鐵污染的平均速率，得到了鐵污染的清除時(shí)間（見(jiàn)表1）。

圖5 不同驅(qū)動(dòng)電壓下樣品表面的極化電位分布與清除速率

表1 鐵污染的清除時(shí)間

Tab.1 The cleaning time of iron contamination

從表1中可以看出，相同驅(qū)動(dòng)電壓下，與中間位置的樣品相比，近正極1/4處樣品表面鐵污染的清除時(shí)間較長(zhǎng)，清除長(zhǎng)度較小。隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，有效清除長(zhǎng)度減小，清除時(shí)間增加。驅(qū)動(dòng)電壓為2 V時(shí)，清除時(shí)間最短，為91.48 min。

2.3 鐵污染清除試驗(yàn)結(jié)果

將鈦合金放入電解池中，驅(qū)動(dòng)電壓選擇2 V，根據(jù)圖5數(shù)據(jù)可知，在此驅(qū)動(dòng)電壓下樣品整個(gè)表面處于陽(yáng)極極化區(qū)。圖6為鈦合金樣品鐵污染清除前和清除15 min后的顯色三維圖，可以看出原始鈦合金表面右上方存在明顯紅色點(diǎn)狀顯色，色度值最高位為15.50，存在不同程度的鐵污染。清除15 min后表面紅色色度值在5.9以下，原始表面紅色顯色處的鐵污染已被完全清除。

圖6 鈦合金表面鐵污染清除前后顯色三維圖

removal: a) original sample; b) cleaning sample

圖7為清除前后鈦合金的極化曲線和阻抗譜，可以看出鐵污染清除前樣品表面不平整，極化曲線波動(dòng)明顯，清除后鈦合金的極化曲線較為平滑，清洗后陽(yáng)極極化區(qū)左移，整體電流減小，自腐蝕電位增加，自腐蝕電流密度下降，抗腐蝕性能提高。當(dāng)電壓超過(guò)1.15 V時(shí)，腐蝕電流突然增加，可能是因?yàn)楫?dāng)驅(qū)動(dòng)電壓為2 V時(shí)，樣品右側(cè)面部分位置處于活化–鈍化過(guò)渡區(qū)，生成了部分鐵氧化物，這些鐵氧化物發(fā)生了溶解。阻抗圖中可以看到在低、中、高頻率區(qū)域表現(xiàn)出明顯的電容特性，即為圖上不完整的一段電容弧，表明鐵清除后體系的腐蝕過(guò)程是由樣品表面與電解液之間界面發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移所主導(dǎo)。電容弧的半徑反映了電荷轉(zhuǎn)移電阻的大小[37]。鐵清除后的電容弧半徑大于清除前，表明鐵清除后的電荷轉(zhuǎn)移電阻更大。

圖7鐵污染清除前后的電化學(xué)數(shù)據(jù)

3 討論

電化學(xué)拋光又稱陽(yáng)極拋光或電解拋光，是一種基于陽(yáng)極溶解過(guò)程從金屬或合金中去除材料的拋光過(guò)程。在電解質(zhì)溶液中工作電極與電源正極相連作為陽(yáng)極，輔助電極與電源負(fù)極相連作為陰極，通電時(shí)，基于電解過(guò)程，凹凸不平的工作電極表面形成電阻率較大的高黏度氧化物薄膜，突出的部分由于氧化物膜較薄，電阻小，因此被選擇性溶解，如表面的鐵污染，從而達(dá)到拋光和提高表面完整性的目的。但在電化學(xué)拋光中，輔助電極與工作電極的面積比和兩者間的距離是影響電化學(xué)拋光中電流密度以及電位分布的重要因素[38]。因此對(duì)于復(fù)雜幾何零件，在電化學(xué)拋光過(guò)程中，難以達(dá)到工作電極的每個(gè)表面與輔助電極距離相等的條件，有些表面存在過(guò)度腐蝕的現(xiàn)象，所以為了清除特定地方的污染物，往往需要定制特定的輔助電極，這樣的電極不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，而且適用性不強(qiáng)。然而相對(duì)于其他清除方法，電化學(xué)拋光具有較快的清除速率、較高的表面完整性等優(yōu)點(diǎn)，因此為解決輔助電極對(duì)電化學(xué)拋光的限制，研究了采用雙極電化學(xué)的方法來(lái)進(jìn)行鐵污染清除。

在雙極電化學(xué)裝置中，樣品與電源無(wú)接觸，施加驅(qū)動(dòng)電壓后，電解池中形成一定強(qiáng)度的電場(chǎng)，樣品兩端及其部分表面附近的電解液中會(huì)同時(shí)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其極性取決于驅(qū)動(dòng)電極。當(dāng)達(dá)到電平衡時(shí)，位于電解池中的導(dǎo)體樣品作為一個(gè)等勢(shì)體[32]，其電勢(shì)為0 V（見(jiàn)圖1）。王蕾等[39]闡述了雙極電化學(xué)體系的電壓分布規(guī)律，若樣品為一個(gè)均勻?qū)w，則樣品上的極化電位和樣品兩端的極化電位差公式為：

式中：total為驅(qū)動(dòng)電壓；為驅(qū)動(dòng)電極的距離；為樣品在電解池中的位置；Δmax為樣品兩端的最大極化電位差；為極化電位；為樣品的長(zhǎng)度?？梢灾?，對(duì)于同一個(gè)雙極電化學(xué)體系，樣品兩端的極化電位差與驅(qū)動(dòng)電壓有關(guān)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，極化電位差增大，有利于樣品兩端發(fā)生氧化還原反應(yīng)。從熱力學(xué)角度看，樣品兩端發(fā)生反應(yīng)的法拉第要求是樣品沿長(zhǎng)度的電壓降要大于其兩端氧化還原反應(yīng)的電位差[40]。且驅(qū)動(dòng)電極之間的距離不變時(shí)，樣品上的極化電位沿其長(zhǎng)度方向變化，Dorri及其團(tuán)隊(duì)[18]就利用這一性質(zhì)在樣品電極表面沉積了梯度分布的納米銅。當(dāng)樣品在中間時(shí)，樣品表面與溶液之間的極化電位是對(duì)稱的，即樣品氧化還原反應(yīng)在樣品表面對(duì)稱分布[41-43]。將樣品放在靠近某一驅(qū)動(dòng)電極時(shí)，極化電位減小，可清除長(zhǎng)度減小，對(duì)照?qǐng)D4b可以看出，位于陽(yáng)極極化區(qū)的樣品上鐵污染的清除速率下降，因此改變樣品的放置位置對(duì)只想要樣品上部分面積發(fā)生單一的某一氧化或者還原反應(yīng)有較大幫助。

本次試驗(yàn)則是利用鐵污染與和鈦合金在鹽溶液中腐蝕電位的差異，以及雙極電化學(xué)的電位梯度分布，省略了電拋光處理中設(shè)計(jì)特殊電極的步驟，使得表面鐵污染在陽(yáng)極極化區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)，精準(zhǔn)清除鐵污染，不會(huì)存在過(guò)腐蝕的現(xiàn)象，但是選用合適的清除液成分以及驅(qū)動(dòng)電壓是十分重要的。顯色結(jié)果驗(yàn)證了雙極電化學(xué)清除鐵污染的可行性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)模擬計(jì)算的鐵清除速率與試驗(yàn)得到的速率存在差異，分析發(fā)現(xiàn)是因?yàn)槔碚撃M中鈦合金表面均勻覆蓋一層鐵污染，而試驗(yàn)中噴丸強(qiáng)化后殘留的鐵污染是局部分散的（見(jiàn)圖6），因此試驗(yàn)時(shí)合金表面的鐵污染清除速率較快。

4 結(jié)論

1）通過(guò)模擬和試驗(yàn)表明，雙極電化學(xué)方法可以用來(lái)清除在鐵陽(yáng)極溶解電位范圍內(nèi)發(fā)生表面鈍化的合金表面的鐵污染。模擬計(jì)算中，樣品與其表面電解液的電位差隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加而增大，且樣品的位置越靠近驅(qū)動(dòng)電極，樣品近驅(qū)動(dòng)電極一側(cè)的電位差越小，所對(duì)應(yīng)的氧化還原區(qū)域也越小。

2）當(dāng)樣品位于中間位置時(shí)，與位于近正極1/4處相比，清除鐵污染的速率快，清除長(zhǎng)度長(zhǎng)；隨著驅(qū)動(dòng)電壓的增加，可清除區(qū)域減小，清除速率下降。

3）在試驗(yàn)中，經(jīng)過(guò)雙極電化學(xué)試驗(yàn)后的樣品表面鐵污染被清除，其極化曲線和阻抗譜顯示清除后表面耐蝕性增強(qiáng)。

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Dipolar Electrochemical Removal of Iron Contamination on Titanium Alloy Surface

1,1,1,2,1,1

(1. Dalian University of Technology, Liaoning Dalian 116085, China; 2. China Automotive Technology and Research Center Co., Ltd., Tianjin 300300, China)

Aiming at the important influence of cleaning medium and part shape on the removal of surface heterogeneous iron contamination in the clean and tidy manufacturing of corrosion-resistant alloy surfaces, a method for removing iron contamination by bipolar electrochemistry was proposed. Firstly, the electrochemical module in COMSOL software was used to establish the bipolar electrochemical model. The size of the electrolytic cell was 20 cm×10 cm, the size of the cleaning sample was 6 cm×0.2 cm, and the cleaning solution was the mixed solution of 3 mol/L Na2SO4and 0.2 mol/L NaH2PO4. The potential distribution of electrolytic cell under different driving voltages (2 V, 6 V, 10 V, 30 V, 60 V) was calculated. The potential distribution changes in the cell were calculated when the sample was located in the middle of the cell and near the positive 1/4 when the driving voltage was 10 V. The potential data fitted with the potential distribution curve in the clearance solution 3 mm away from the lower surface of the sample. Secondly, a standard three-electrode system was used to measure the polarization curve of pure iron in the scavenging solution, in which a reference electrode was Ag/AgCl electrode and an auxiliary electrode was platinum electrode. The corrosion depth index was used to characterize the removal rate of iron pollution, and the removal rate curves under different parameters were drawn. Finally, iron pollution removal test was carried out on the surface of titanium alloy after shot peening. A 10 cm×15 cm platinum plate was used as the driving electrode, and the dc power supply was used. The removal effect was tested by the phenanthroline color reaction. In addition, the dynamic potential polarization scan and impedance-frequency scan were performed on the sample test surface before and after cleaning. This is used to analyze the corrosion resistance of the samples in general conditions before and after cleaning. The electrolyte was 3.5% NaCl, the scanning rate was 0.5 mV/s, and the scanning range was from ?0.5 V to 1.5 V (relative to Ag/AgCl electrode). The results show that the voltage in the electrolytic cell is symmetrically distributed in the simulation, and the surface potential of the sample is 0 V. The removal rate of the sample in the middle of the electrolytic cell is higher than that near the positive electrode 1/4. With the increase of driving voltage, the effective removal length decreases, and the removal rate increases when the driving voltage exceeds 10 V. The color test shows that the iron contamination on the surface of the original titanium alloy sample is uneven, and the highest red chromaticity value was 15.5. After cleaning, the alloy surface changes from red to colorless, and the impedance spectroscopy shows that the corrosion resistance of the alloy surface increased. The experimental results are in good agreement with the simulation results. The bipolar electrochemistry can be used to remove the iron contamination on the surface of titanium alloy, which provides a new idea for high cleanliness manufacturing of titanium alloy surface.

titanium alloy; ironpollution; bipolar electrochemistry; color detection

2021-08-19；

2021-11-17

LI You-you (1996-), Female, Postgraduate, Research focus: metal corrosion and protection, simulation.

TG174

A

1001-3660(2022)09-0226-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–08–19；

2021–11–17

李游游（1996—），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻饘俑g與防護(hù)、仿真模擬。

程從前（1982—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)椴讳P鋼表面鈍化及完整性評(píng)價(jià)、車身輕量化材料腐蝕與可靠性等。

CHENG Cong-qian (1982-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: stainless steel surface passivation and integrity evaluation, lightweight material corrosion and reliability of car body, etc.

李游游, 趙曉燕, 曹鐵山, 等. 雙極電化學(xué)清除鈦合金表面鐵污染[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 226-233.

LI You-you, ZHAO Xiao-yan, CAO Tie-shan, et al. Dipolar Electrochemical Removal of Iron Contamination on Titanium Alloy Surface[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 226-233.

責(zé)任編輯：萬(wàn)長(zhǎng)清