【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料的腐蚀与防护，具体涉及一种海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金及其组分设计方法、制备方法和应用。
技术介绍
1、在海洋环境中使用广泛的钢铁材料会普遍地遭受腐蚀破坏，从而极大地减弱它们的服役性能。因此，需要对相关的钢铁工程结构材料采取一定的防腐措施。其中，对于海洋环境来说，特别是深海环境，牺牲阳极这种防腐技术具有易于维修、便宜等优点。
2、相对于要保护的金属构件，牺牲阳极材料拥有更负的电极电位。因此，牺牲阳极材料能够通过自身的活性溶解放电来抑制钢铁材料的腐蚀，从而实现保护作用。也因此，放电量和电流效率是评判牺牲阳极的2个至关重要的指标。相对于zn基、mg基牺牲阳极，al基牺牲阳极具有理论电容量大、电位驱动力大、自腐蚀较小、价格低廉等优点，被广泛应用于海洋工程领域。然而，在低温、低氧、高压的深海环境中，由于合金元素的活化作用受到抑制和局部腐蚀的加重，al基牺牲阳极的放电量会下降约5～30％，电流效率最高降低18％。这严重地影响了al基牺牲阳极的保护效果。
3、早在20世纪中期，人们就发现了in、ga、hg、mg、sn等合金元素可以使铝的电位负移，即活化铝合金。之后，研究还发现mg、cd、ba、re(稀土元素)和bi等合金元素也具有活化效果。自此之后，国内外研究者通过添加各种合金元素，开发了一系列的多元al基牺牲阳极，目前，al基牺牲阳极材料主要有al-zn-in系合金、al-zn-mg系合金、al-zn-sn系合金以及al-zn-ga系合金。在现有专利中，当前的新型al基牺牲阳极研发方法主要
技术实现思路
1、为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金及其组分设计方法、制备方法和应用。上述技术方案通过引入高熵合金的技术，提供了高放电活性和电流效率的牺牲阳极合金材料，可用于海洋环境下钢铁材料的防腐保护。
2、本专利技术所提供的技术方案如下：
3、一种海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，按原子百分比计，其化学成分包括：in0.00009～0.49％、ga 0.00009～14.9％、zn 20.1～59.9％、mg5.1～14.9％，余量为al，同时满足公式：0.0011％≤in+ga≤9.9％，0.0011≤in/ga≤0.99，70.1％≤zn+al≤90.9％，0.31≤zn/al≤2.49。
4、基于上述技术方案：
5、所得合金为中、高熵合金，具有较高的混合熵，这降低了合金的吉布斯自由能，使得合金倾向于形成固溶体结构。因此，它能增加活化合金元素的固溶度，从而提高al基牺牲阳极的放电活性；
6、所得合金为中、高熵合金，其含有多种主要合金元素，由于各元素原子在晶格位点中的随机分布和其特殊的微观扩散机制(空位扩散机制)，中、高熵合金的原子迁移困难，从而能导致晶粒细化并抑制第二相的形核。因此，它能减小合金的晶粒尺寸，增加组织的稳定性和均匀性，进而提高al基牺牲阳极的电流效率。
7、本专利技术还提供了以上技术方案的实现方式，即，海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金的组分设计方法，包括以下步骤：
8、1)合金元素的选择：将活化效果较强的合金元素和al皆考虑进合金设计体系，以最大限度地增强牺牲阳极材料的放电活性；
9、2)高熵合金技术的运用：根据固溶型高熵合金的半经验参数范围，进行非线性多元函数最小值求解，以获得合适的合金成分。其中，合金元素的含量(原子百分比)作为自变量。随后，结合半经验参数与合金元素含量的关系式，所有的参数可转化为元素含量的函数。然后，分别以半经验参数原子半径差(δ)、电负性差异(δχ)、熵焓比的相反值(-ω)、混合熵的相反值(-smix)、混合焓的绝对值(|δhmix|)、以及理论电容量的相反值(-q0)作为目标函数，以增大形成简单固溶体结构的趋势。同时，将趋向于形成简单固溶体结构的半经验参数范围作为约束条件。利用matlab软件中的fmincon函数，可求得一系列符合这些半经验参数范围的最优合金组分；
10、3)合金相的一致性判断：首先，计算所有可能的二元混合焓根据混合焓结果，排除混合焓较正的合金组分，因为它们难以形成固溶相；然后，分析二元混合焓较负的合金，评估它们形成第二相的可能性。再结合三元合金相图，进一步确定可能产生的合金相。最后，利用第一性原理计算各合金相的功函数，并得到每个合金相相对于al基体的volta电势差。通过这一过程，排除电势差较大的合金组分，因为较大的电势差可能导致合金发生严重的电偶腐蚀，进而破坏电流效率；
11、4)合金的结构稳定性评估：用价电子浓度(vec)这个参数预测合金作为简单固溶体相存在时的相结构，用虚拟晶体近似法建立合金的简单固溶相结构。然后进行弹性常数(cij)和生成热(eform)的计算，考察合金结构的力学和热力学稳本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：In 0.00009～0.49％、Ga 0.00009～14.9％、Zn20.1～59.9％、Mg 5.1～14.9％，余量为Al，同时满足公式：0.0011％≤In+Ga≤9.9％，0.0011≤In/Ga≤0.99，70.1％≤Zn+Al≤90.9％，0.31≤Zn/Al≤2.49。
2.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：In 0.2％、Ga 0.6％、Zn 43.67％、Mg 8.45％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：In 0.1％、Ga 3％、Zn 34.83％、Mg 7.57％，余量为Al。
4.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：In 0.1％、Ga 3％、Zn 27.04％、Mg 8.16％，余量为Al。
5.一种根据权利要求
6.一种根据权利要求1至4任一项所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：按照化学成分，选用合金元素的纯金属进行配料；在高纯氩气作为保护气的条件下，通过高真空悬浮炉多次反复重熔熔炼，得到海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金。
7.根据权利要求6所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于：熔炼气压为10-5～0.07MPa。
8.根据权利要求6所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金的制备方法，其特征在于：熔炼温度为470～490℃。
9.一种根据权利要求6至8任一项所述的方法得到的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金。
10.一种根据权利要求9所述海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金的应用，其特征在于：用于制作海洋环境下使用的钢铁材料的阴极保护装置。
...【技术特征摘要】
1.一种海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：in 0.00009～0.49％、ga 0.00009～14.9％、zn20.1～59.9％、mg 5.1～14.9％，余量为al，同时满足公式：0.0011％≤in+ga≤9.9％，0.0011≤in/ga≤0.99，70.1％≤zn+al≤90.9％，0.31≤zn/al≤2.49。
2.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：in 0.2％、ga 0.6％、zn 43.67％、mg 8.45％，余量为al。
3.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：in 0.1％、ga 3％、zn 34.83％、mg 7.57％，余量为al。
4.根据权利要求1所述的海洋用钢铁材料防腐的牺牲阳极合金，其特征在于，按原子百分比计，其化学成分包括：in 0.1％、ga 3％、zn 27....
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