IPS爱谱斯电化学氢渗透测量案例解析

电化学氢渗透测量方法用于测定金属中的氢吸收与氢传输行为，对应标准 EN ISO 17081:2014（ASTM G148）。

下文将展示若干典型测试曲线，并说明如何使用本公司EcmWin软件完成此类渗透测量。

针对金属（以钢材为主）开展电化学氢渗透测试存在多种实现方案。所有测试流程的共同点：对金属进行充氢，可采用阴极电流电化学充氢，或者采用酸液化学充氢。充氢过程会产生氢离子，以吸附氢原子形式附着于金属试样表面。一部分氢原子侵入金属内部；另一部分重新复合生成氢气，形成气泡逸出。

如果在无钯镀层、无促进剂条件下开展测试，测量灵敏度很高，建议在法拉第屏蔽笼内完成测试，否则有效测试信号很难分辨。但该测试方案最接近材料实际工况行为。

图1：钢试样氧化侧的电流测量

图注：充氢电流‑5mA条件下，电流上升至1.5~2μA

试样前处理（除气温度）不同，会导致等待时间长短不一，直至本底残余电流降至1 μA以下。该阈值针对普通碳素钢确定；高合金钢的本底电流可低至纳安(nA)级别。测试刚开始时本底电流可达30~50 μA，会快速衰减趋近1 μA；部分试样衰减耗时会更长。

若过早启动充氢，几乎观测不到电流变化；即便增大充氢电流，测试曲线也不会出现明显响应，表现为氢传输过程受限制。

充氢开始后，氧化侧检测电流会存在一定延迟才发生变化。曲线上升阶段代表金属晶格空位逐步被氢原子占据（氢致脆化过程）。只有晶格空位全部被氢填满之后，电流才会达到稳定平台，甚至出现小幅下降。

实际工程中更常用的方案：试样氧化侧单面镀钯开展渗透测试。钯起到催化作用，促进氢原子从金属内部析出。图2可以清晰体现该特点。

首先，本底电流衰减时间显著缩短。经验表明普通碳钢一般仅需10 min即可使电流降到1 μA以下。充氢启动后，初期电流快速上升，之后上升速率放缓，需要一定时间趋近水平平台。当充氢电流逐级阶跃增大，氧化侧检测电流会快速跟随，迅速重新达到平台。

由此可以判断：测试初期晶格空位持续捕获氢原子，不断有氢残留在钢材基体内部；当晶格空位全部饱和后，氧化侧测得电流才会和充氢电流呈现比例对应关系。未镀钯试样无法观测到此种规律。

图2：单面镀钯钢材试样氧化侧电流测量曲线

标注：‑5mA、‑10mA、‑20mA、‑40mA（逐级增大充氢电流）

采用酸液作为充氢介质，对镀钯试样测试，也能观察到相似规律。图3为表面处理厂商提供试样的测试结果；测试体系添加缓蚀剂，目的是减少酸洗过程中自生氢的生成，该曲线为此类工艺的典型响应。

图3：镀钯钢试样氧化侧电流测量

标注：15 min后约700 nA；再经过10 min约45 μA

2 使用IPS系统开展渗透测量

我司提供两套渗透测试系统：

系统一：经济型PguTouch‑H2系统

由两台PguTouch恒电位仪/恒电流仪，搭配小型可加热Devanathan双电解池组成；电解池可从远东采购获得，成本更优。

单池容积约150 mL；对电极为镀铂钛棒；参比电极采用Ag/AgCl电极。

图4：PguTouch‑H2系统

两台仪器最大输出电流500 mA，最小电流量程1 nA。仪器设计将工作电极接设备电源地，电流在对电极回路完成采集。

该设计下设备之间的电气隔离要求不高；无论哪台仪器，电流均流向参考地，不会出现虚拟地仪器常见的杂散误差电流。

但高合金钢测试时渗透电流极低，依然建议放置于法拉第笼内测量。

系统二：PGU‑OEM‑H2双恒电位仪系统

采用一体化双恒电位仪；充氢侧最大输出电流可达2 A；氧化侧最大输出100 mA，同时可分辨低至皮安(pA)级微弱电流。

电流采集基于ZRA零电阻安培计+虚拟地架构，因此模块必须实现可靠电气隔离，本设备采用双重隔离实现该要求。

该设备同样适用于二氧化碳还原同步电化学pH测量研究。

PGU‑OEM双恒电位仪通常配套更大容积的可加热Devanathan电解池；大电流工况下更大电解液体积更有利。

电解池可以互换：PguTouch主机也可以搭配大电解池；PGU‑OEM主机也可以使用小型电解池，也可选用我司非加热型电解池。

图5：PGU‑OEM‑H2系统（文档配图略）

测试操作流程

开展渗透测试时，氧化侧通常灌注0.1~1 mol/L氢氧化钠NaOH溶液。

如果试样氧化侧带有钯镀层，则电解液要求宽松；即使试样无镀层，NaOH溶液也可以抑制腐蚀电流，测得电流仅为无充氢条件下的背景本底电流；充氢后测得即为氢渗透电流。

无钯镀层试样的有效信号与本底差值很小，数据处理时必须扣除背景本底电流。

测试第一步安装试样。初次调试可选用厚度0.05‑0.1 mm薄钢板。

电解池结构设计使密封垫圈夹持牢固不易脱落；试样直接装入两侧法兰之间，锁紧法兰完成密封。

需要重点关注密封性能；只有电解池灌入电解液之后才能判断是否存在泄漏。

纯电化学充氢模式下：充氢侧注入0.1‑1 mol/L氯化钠NaCl电解液。

可以测试开始时两侧同时注液；也可以等待氧化侧本底电流充分衰减之后再给充氢侧加电解液。

当氧化侧本底电流稳定后，充氢侧施加阴极电流，电解液中生成氢。3‑5 min延迟后氧化侧应观测到电流上升。

如果刚启动充氢就出现尖锐电流峰或者氧化侧电流瞬间飙升，说明装置存在故障，需要重新检查装配。试样位置泄漏会造成非常明显异常信号。故障表现为：本底电流无法降到1 μA以下；或者电解池两侧出现地环路（电流环路）的电耦合干扰。

整套测试流程可由我司 EcmWin软件控制。两台恒电位仪通过交换机连接计算机；计算机上启动两份独立EcmWin软件实例，分别控制一台设备。打开测量对话框，可先使用交互模式运行实验。

图6：EcmWin软件启动界面

左侧界面：充氢侧控制，仪器工作于恒电流模式；

右侧界面：氧化侧控制，仪器工作于恒电位模式；

两侧均选用Holdvalue（恒定保持）试验模式。

两个参数设定窗口可以保持打开，实验运行过程中仍可修改参数。

充氢侧设定目标电流密度 \boldsymbol{-50\ A/m^2}；试样暴露面积1 cm²对应总电流‑5 mA；测试时长预设30 min，可设置更长避免实验提前终止。

氧化侧设定电位350 mV；测试时长预设100 h，实验可随时点击Stop手动停止。

操作人员先启动氧化侧测量。软件会显示典型电流曲线：初始电流50‑100 μA，随后逐步衰减。

当氧化侧电流下降至1 μA以下，点击启动按钮开启充氢。如前文所述，数分钟之后氧化侧电流开始上升：电流先快速增大，之后增速放缓，最终趋于平台，甚至小幅下降。

到达平台阶段，即可停止充氢；曲线开始回落，试样内部储存的氢向外析出。

该过程可以手动重复多次，充分掌握试样与整套系统的响应特性。

如果需要全自动循环测试，操作如下：氧化侧软件右上角方法选择切换为 H2App模式；充氢侧软件会同步自动切换H2‑App模式；两套软件互相通信，氧化侧程序同步管控充氢侧。

图7：EcmWin软件通信联动

右侧弹窗为自动测试控制参数输入界面

弹窗可以设置：充氢电流、循环次数、氧化侧电流阈值。

下限电流阈值：触发启动充氢；上限电流阈值：触发停止充氢。

除电流阈值外，也可以通过dI/dt电流变化速率、时间条件触发切换。每项触发条件可以单独启用；若同时启用电流阈值、dI/dt、时间，全部条件同时满足才会切换下一阶段。

借助该功能，整套测试可以循环运行，研究试样多次充氢‑析氢循环后的性能变化。

原始测试数据以ASCII文本格式存储，实验结束后可开展数据分析。

测试过程软件持续计算累积电荷量；每一个测试阶段结束可手动清零电荷量；各阶段最终电荷量记录保存在对应文件头内。