一种多气氛环境下电化学渗氢电解池及其应用方法与流程

本发明属于电化学氢渗透测量技术领域，具体涉及一种多气氛环境下电化学渗氢电解池及其应用方法。

背景技术：

随着人类对能源需求的增加，核聚变能的发展越来越受到人们的关注。氚增殖包层是实现聚变反应堆氚增殖、维持氚自持的核心部件，通过li⁶与中子反应在线产氚，是涉氚量最大、材料服役环境极为严苛的区域。特别是氚增殖包层中优选的结构材料—低活性铁素体马氏体(rafm，reducedactivationferritic/martensitic)钢，面对原子半径小、反应活性高的燃料氚，加之14.1mev中子辐照、锂腐蚀、高温、高热负荷(大于0.5mw/m²)等服役环境，面临着严重的氢及其同位素渗透问题。

评价服役环境下结构材料的氢渗透性能则对于结构材料的研究和开发具有重要的科学意义和实用价值。液相电化学氢渗透测量技术由于设备简单、密封性好、成本低且操作方便，在测定氢渗透性能方面被广泛应用。然而针对多气氛环境体系，如氦冷固态包层中冷却气体为he+0.1％h，市场现有电解池无法在双气氛或多气氛下对结构材料进行氢渗透测试，多气氛电化学渗氢方法还不成熟。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多气氛环境下电化学渗氢电解池及其应用方法，本发明利用四个螺杆连接两个单电解池并通过螺栓固定，样品密封性高，实现了多气氛环境下金属材料的电化学渗氢测试。

实现本发明目的的技术方案：

一种多气氛环境下电化学渗氢电解池，所述电解池包括两个相同的单电解池和螺杆，每个单电解池包括：电解槽、气氛进气口、参比电极插口、内置对电极、夹具、阳极端、插孔、基座、置气通气口，进水口和出水口；电解槽为内双层结构，包括间隔设置的内层和外层；基座和夹具分别与电解槽同轴设置并位于电解槽的两侧，基座和夹具分别与电解槽可拆卸连接；气氛进气口、参比电极插口、置气通气口分别设于电解槽的顶面上，并与电解槽的内层贯通；进水口和出水口分别设于电解槽的前侧面和后侧面上，并与电解槽的外层贯通；内置对电极设于基座内部；基座靠近电解槽的一侧均匀设有插孔，夹具上对应插孔的位置设有通孔，插孔和通孔分别与螺杆相配合；

两个单电解池对称同轴设置，两个单电解池上的夹具的侧面相对设置，且两者形成间隙；螺杆贯穿插孔和通孔，与插孔固定连接；阳极端设于两个单电解池上的夹具形成的间隙中，样品置入阳极端中，样品的中心位于两个单电解池的水平轴线上。

进一步地，所述单电解池还包括垫圈，垫圈设于夹具与样品之间，垫圈的两面分别与夹具和样品顶紧。

进一步地，所述单电解池还包括内置鲁金毛细管、气氛进气接管、置气通气接管，内置鲁金毛细管接入参比电极插口中，气氛进气接管接入气氛进气口中，置气通气接管接入置气通气口中。

进一步地，所述置气通气接管为f型内插支管。

进一步地，所述电解槽为玻璃材质，基座为聚丙烯材质，夹具为聚四氟乙烯材质，垫圈为橡胶材质，螺杆为不锈钢材质。

进一步地，所述内置对电极为铂网，面积为2cm×2cm。

进一步地，所述样品为低活化铁素体/马氏体钢或不锈钢。

进一步地，所述夹具的内径为

进一步地，所述气氛进气口和置气通气口均为磨砂口。

一种多气氛环境下电化学渗氢电解池的应用方法，所述方法包括以下步骤：

步骤(1)、对样品进行双面抛光，利用磁控溅射仪在样品背面镀一层钯膜；

步骤(2)、将镀膜后的样品置入渗氢电解池的阳极端，样品两面用橡胶垫圈紧固到电解池中间夹具形成的间隙中，并旋紧与基座的插孔对应的四个螺栓，将样品完全固定且密封于电解池中间；

步骤(3)、将外部循环恒温水浴装置接入渗氢电解池各进水口、出水口，调节外置循环恒温水浴装置的设定温度，开始对循环水进行加热，当循环水达到设定温度时，开启渗氢电解池的水循环，使渗氢电解池水浴加热至设定温度；

步骤(4)、向渗氢电解池的电解槽中加入电解液，在各参比电极插口中通过内置鲁金毛细管置入参比电极；

步骤(5)、将置换气体通过f型置气通气接管接入到渗氢电解池各置气通气口，将气氛气体通过气氛进气接管接入到渗氢电解池各气氛进气口；

步骤(6)、将渗氢电解池与双恒电位仪连接，双恒电位仪主单元采用恒电位测试模式，从单元采用恒电流模式，主从单元的阳极、对电极、参比电极线分别与样品、内置铂电极、参比电极连接；

步骤(7)、将样品镀膜侧正对主单元测试端，保持在一定的测试压力，待主单元背底电流密度低于0.1μa/cm²时，从单元施加恒电流，对样品进行渗氢测试，获得样品的氢扩散系数。

进一步地，所述样品抛光至粗糙度为1μm。

进一步地，所述磁控溅射中的溅射气压为0.5pa，溅射功率为80w，溅射时间为5～10min。

进一步地，所述水浴的温度为25℃-80℃。

进一步地，所述电解液为无机电解液，所述无机电解液为koh、naoh。

进一步地，所述参比电极为氧化汞标准电极。

进一步地，所述置换气体为ar、he；所述气氛气体为n2、h2、o2。

进一步地，所述双恒电位仪主单元恒电位值相对于参比电极为150-300mv，从单元恒电流值为0.05-5ma/cm²。

进一步地，所述氢扩散系数的计算公式为：

其中，d为氢扩散系数，l为样品厚度，tlag为迟滞时间。

本发明的有益技术效果在于：

本发明提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池用于电化学渗氢测试，利用四个螺杆连接两个单电解池并通过螺栓固定，样品密封性高，数据稳定性好，同时设置的三个通气口和进、出水口，实现了多气氛、水浴加热条件下样品的电化学渗氢测试，提高了电化学渗氢设备利用率。

附图说明

图1为本发明所提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池的结构示意图；

图2为本发明所提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池中单电池的俯视图；

图3为本发明所提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池中单电池的侧视图；

图4为本发明所提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池中置气通气口连接置气通气接管的结构示意图；

图5为本发明所提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池应用测试示意图；

图6为本发明实施例2中clf-1钢的氢渗透曲线。

图中：1、气氛进气口；2、参比电极插口；3、内置对电极；4、夹具；5、垫圈；6、阳极端；7、插孔；8、基座；9、内置鲁金毛细管；10、气氛进气接管；11、置气通气口；12、进水口；13、出水口；14、置气通气接管。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1-4所示，本发明提供的一种多气氛环境下电化学渗氢电解池，包括两个相同的单电解池和螺杆，每个单电解池包括：电解槽、气氛进气口1、参比电极插口2、内置对电极3、夹具4、垫圈5、阳极端6、插孔7、基座8、内置鲁金毛细管9、气氛进气接管10、置气通气口11、进水口12、出水口13和置气通气接管14。

如图1所示，电解槽为玻璃材质的内双层结构，包括间隔设置的内层和外层。基座8为聚丙烯材质，位于电解槽的一侧，夹具4为聚四氟乙烯材质，位于电解槽的另一侧，基座8和夹具4均与电解槽同轴设置，基座8与电解槽可拆卸连接，夹具4与电解槽可拆卸连接。

如图1-4所示，气氛进气口1、参比电极插口2、置气通气口11分别设于电解槽的顶面上，并与电解槽的内层贯通；内置鲁金毛细管9接入参比电极插口2中，气氛进气接管10接入气氛进气口1中，f型置气通气接管14接入置气通气口11中。气氛进气口1和置气通气口11均为磨砂口。

如图2-3所示，进水口12设于电解槽的前侧面上，出水口13设于电解槽的后侧面上，进水口12和出水口13分别与电解槽的内层和外层形成的间隙贯。

如图1所示，内置对电极3为铂网，面积为2cm×2cm。将铂网安装于基座8内部，作为电解的阴极端。

如图1所示，基座8靠近电解槽的一侧均匀设有四个插孔7，夹具4上对应插孔7的位置设有四个通孔，插孔7和通孔分别与螺杆相配合。两个单电解池对称同轴设置，两个单电解池上的夹具4的远离电解槽的侧面相对，且两者形成间隙；夹具4的内径为25mm。四个螺杆分别贯穿对应的插孔7和通孔，通过四个螺栓分别将四个螺杆与对应的插孔7固定连接，其中螺杆为不锈钢材质。

如图1所示，将阳极端6设于两个单电解池上的夹具4形成的间隙中，将样品置入阳极端6中，样品为clf-1钢，尺寸直径为29mm，厚度在0.5mm。样品的中心位于两个单电解池的水平轴线上。在夹具4与样品之间分别放置两个橡胶垫圈5，并且在螺栓与螺杆拧紧后，垫圈5的两面分别与夹具4和样品顶紧，将样品紧密至于两个单电解池上的夹具4形成的间隙中，使得样品完全密封在两个单电解池中间。

实施例2

如图5所示，本发明还提供一种多气氛环境下电化学渗氢电解池的应用方法，包括以下步骤：

步骤(1)、对样品6进行双面抛光，样品抛光至粗糙度为1μm。利用磁控溅射仪，将样品背面镀一层pd膜，背底抽到3×10^-3pa，溅射功率为80w，溅射气压0.5pa，溅射时间5min。

步骤(2)、将镀膜后的样品6置入渗氢电解池的阳极端，试样两面用橡胶垫圈5紧固到电解池中间夹具4形成的间隙中，并旋紧与基座8的插孔7对应的四个螺栓，将样品完全固定且密封于电解池中间。

步骤(3)、如图5所示，将外部循环恒温水浴装置接入渗氢电解池各进水口12、出水口13，调节外置循环恒温水浴装置的温度，将温度设置为30℃，开始对循环水进行加热，当循环水达到30℃时，开启水循环，使渗氢电解池水浴加热至30℃。

步骤(4)、待温度稳定后将1mol/lkoh溶液置入两个单电解池中，两侧电解池的参比电极插口2中通过内置鲁金毛细管9均插入氧化汞参比电极，其中参比电极穿入橡胶塞后连接保证其密闭性。

步骤(5)、如图1所示，将氢气通过气氛进气接管10接入单电解池气氛进气口1，通过氢气瓶进气阀调节氢气压力1mpa。如图4所示，将氦气通过f型置气通气接管14接入置气通气口11，f型置气通气接管14左端置气，通过氦气瓶进气阀调节氦气压力0.1mpa，右侧通气管密封，排除电解液中的氧等气体。

步骤(6)、如图5所示，将渗氢电解池与cs2350h双恒电位仪连接，双恒电位仪主单元采用恒电位测试模式，从单元采用恒电流模式，主从单元的阳极、对电极、参比电极线分别与样品、内置铂电极、参比电极连接。

步骤(7)、将样品镀钯侧单电解池接入双恒电位仪主单元，另一侧接入从单元，主单元电位设置为0.3mv(相对于参比电极)，保持在一定的测试压力，待主单元背底电流密度低于0.1μa/cm²，利用devanthan-stachurski双电解槽电化学渗氢试验方法对样品进行测试，从单元恒电流设置为0.38ma/cm²，获得多气氛下样品的氢扩散渗透曲线，渗透曲线如图6所示。

利用公式计算clf-1钢的氢扩散系数，其中，d为氢扩散系数，l为样品厚度，tlag为迟滞时间。

在本实施例中，tlag＝(5794-2318)s＝3476s，l＝0.482mm，经计算，氢扩散系数d＝1.11×10^-7cm²/s。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。