Summary
Aquí, presentamos un protocolo para medir la tribocorrosión tasa y desgaste de corrosión sinergia de película delgada y a granel Al aleaciones en agua de mar simulado a temperatura ambiente.
Abstract
La creciente complejidad y severidad de las condiciones de servicio en áreas como las industrias aeronáuticas y Marina, sistemas nucleares, microelectrónica, baterías y dispositivos biomédicos, etc., imponen grandes retos en el desempeño confiable de expuestos a condiciones extremas donde coexisten ataque mecánico y electroquímico de aleaciones. Encontrar formas de aleaciones mitigar el ataque combinado de desgaste y la corrosión (es decir, tribocorrosión) bajo condiciones tan extremas es así altamente crítico para mejorar su vida de servicio y confiabilidad cuando se utiliza en tales condiciones. El reto radica en el hecho de que se desgaste y corrosión no son independiente unos de otros, sino más bien trabajar en sinergia para acelerar la pérdida material total. Por lo tanto, es necesario un método confiable para evaluar la resistencia de tribocorrosión de metales y aleaciones. Aquí, se presenta un protocolo para la medición de la tribocorrosión tasa y desgaste de corrosión sinergia basada en Al granel y muestras de película delgada en un ambiente corrosivo bajo temperatura ambiente.
Introduction
Tribocorrosión es un proceso de degradación del material causado por el efecto combinado de desgaste y la corrosión de1,2. Tribocorrosión ocurre en la naturaleza y en aplicaciones industriales donde están simultáneamente presentes contacto mecánico y un ambiente corrosivo. La complejidad de tribocorrosión radica en eso química y mecanismos de degradación mecánica no son independientes unos de otros. Una combinación de ataque mecánico y químico a menudo conduce al fracaso acelerado, debido a efectos sinérgicos. Por lo tanto, la pérdida material total se puede calcular como T = C0 + W0 + s. (ecuación 1), donde C0 es la pérdida de material resultado de la corrosión en ausencia de desgaste, W0 es la pérdida de material debido a desgaste mecánico en la ausencia de corrosión , y S es la pérdida de material debido a la corrosión de desgaste sinergia3,4. El efecto sinérgico es prominente para pasivas aleaciones tales como aluminio, titanio, y aceros inoxidables, que espontáneamente forman una protectora delgada (unos cuantos nanómetros de espesor) óxido (película pasiva) en contacto con el oxígeno o agua5, 6. Durante la corrosión, y si esta película pasiva es perturbada localmente por desgaste mecánico, depassivation podría conducir a la corrosión localizada y fracasos inesperados1,3,7,8, 9.
Como ejemplo de las repercusiones económicas de tribocorrosión en nuestra sociedad, desgaste y la corrosión se estiman que costará casi $ 300 billones anuales en los Estados Unidos10. En Florida, fenómenos de tribocorrosión de aleaciones estructurales en agua de mar es de interés dado su economía mar (pesca, transporte marítimo y construcción costera), que aporta alrededor de 4% del total de producto interno bruto de la Florida11. Por lo tanto, una mejor comprensión de tribocorrosión de metales y aleaciones conducirá a mejores directrices para la aplicación y uso de aleaciones en condiciones de servicio de medio ambiente áspero. Tal comprensión servirá también para mejorar los principios de diseño para la fabricación de nuevas aleaciones y recubrimientos contra la tribocorrosión y mejorar la durabilidad.
Estudios de tribocorrosión requieren la integración de un tribómetro y un sistema de medición electroquímico. El tribómetro proporciona carga mecánica controlada y movimiento relativo y mide la fuerza de fricción y la muestra cambio de altura de la superficie. El sistema de medición electroquímica incluye un Potenciostato/Galvanostato con un amperímetro de resistencia cero (opcional) que determina el potencial de circuito abierto (OCP) y medidas de polarización electroquímica. Estas técnicas proporcionan un método rápido y económico para obtener las propiedades electroquímicas de un material, donde la velocidad de corrosión de un metal puede medirse mediante la observación de la respuesta del proceso de transferencia de la carga a una perturbación electroquímica controlada . Aquí, presentamos un protocolo de pruebas para determinar la sinergia tribocorrosión tasa y desgaste de corrosión de las aleaciones de Al, en su mayoría siguiendo el estándar de ASTM G1192. Este protocolo incluye la preparación de la muestra, configuración de la máquina, tribocorrosión pruebas y post pruebas de procedimientos de cálculo. Esperamos que este esfuerzo beneficiará a los nuevos en el campo para realizar pruebas de tribocorrosión confiables y repetibles para evaluar el comportamiento de deformación y degradación de a granel así como muestras metálicas de película delgada.
Protocol
PRECAUCIÓN: Consulte los materiales pertinentes hojas de seguridad (MSDS) antes de su uso. Algunos productos químicos utilizados en el protocolo son tóxicos. Utilice todas las prácticas de seguridad apropiadas cuando se realizan experimentos, incluyendo el uso de controles de ingeniería (campana extractora) y equipo de protección personal (gafas, guantes, bata, pantalones largos y zapatos cerrados). La máquina CNC (Computer Numerical Control) debe operarse por personal capacitado. El ácido fluorhídrico debe manejarse dentro de una campana que se identifica con un cartel indicando "Peligro, el ácido fluorhídrico se utiliza en esta zona" o similar.
1. preparación de la muestra
Nota: Adecuada preparación de la superficie de las muestras antes de tribocorrosión pruebas es fundamental para garantizar la buena confiabilidad de la prueba realizada y aumentar la repetibilidad de la prueba. En el presente Protocolo, una aleación 3003 Al comercial (Si: Fe 0.1,: 0,4, Cu: 0.08, Mn: wt.% 1.1, balance Al) se utiliza como un ejemplo.
- Preparación de la muestra metálica a granel
- Cortar como se reciben Al 3003 aleaciones (en adelante referidas como Al) varios 1,5 x 2 cm2 cupones utilizando una máquina CNC.
- Moler mecánicamente un lado de la superficie de la muestra con papel de lija con grano número (#180, 240, 400, 600 y 1200) cada vez mayor.
- Moler la muestra con papel de lija #180 de 30 s a lo largo de una dirección arbitraria.
- Girar la muestra 90 ° y moler usando papel de lija #240 hasta las cero del paso anterior se eliminan totalmente. Usar un microscopio óptico para facilitar esta inspección.
- Repita el procedimiento de rotación de la muestra y pasar al siguiente moliendo papel. Utilice un cepillo suave entre medidas para limpiar la superficie de la muestra en agua corriente para eliminar cualquier contaminación del paso anterior.
- Después de moler, pulir la superficie de la muestra usando diferentes tamaños de alúmina de alta viscosidad pulido suspensión (1 μm 0.3 μm y μm 0,05) cojines del paño de microfibra. Use un paño diferente para cada tamaño de compuesto.
- Vierta ~ 1 oz de suspensión de alúmina de 1 μm (10-30% alúmina, 0.6-1% vidrio de sílice, 70-90% de agua) sobre una almohadilla de paño. Pulir la muestra en una sola dirección o dibujar una forma de '8' (evitar una forma de '0') hasta quitar las líneas cero del paso anterior.
- Repetición para 0.05 y 0.3 μm suspensión de pulido (10-30% alúmina, 0.6-1% vidrio de sílice, 70-90% de agua) hasta llegar a un espejo acabado.
- Coloque al espécimen pulido en un vaso de precipitados con 40 mL de agua desionizada (DI) y colocar el vaso en un limpiador ultrasónico durante 1-2 min para eliminar cualquier partícula superficial. Utiliza gas comprimido para secar completamente la superficie. Figura 1a muestra un ejemplo de una sin pulir vs un pulido Al.
- Cortar 5 cm de largo, ~ 1-2 mm de diámetro alambre eléctrico y tira lejos cubierta de plástico protector (~ 1 cm de longitud) en ambos extremos para exponer el interior Cu alambre al aire.
- Eléctricamente, conecte un extremo del alambre a la parte posterior (el lado sin pulir) de la muestra mediante una cinta conductor o conductora epoxi. Si usa conductive epoxy, siga las recomendaciones del fabricante hasta curación completa.
- Usar electroquímica parada laca para pintar un ~ 1 ventana de2 × 1 cm en el lado brillante y la parte posterior completa de la muestra. Para la parte trasera, pintura sobre el alambre Cu expuesto.
- Secar la muestra pintada totalmente en una campana bien ventilada durante al menos 24 h antes de los experimentos. Figura 1b se muestra un ejemplo de la muestra de pintura a granel, que se utiliza como electrodo para las pruebas de corrosión y tribocorrosión.
- Preparación de la muestra de película delgada
Nota: Películas delgadas metálicas depositadas sobre un sustrato plano tales como vidrio, oblea de Si y otra chapa utilizando técnicas de procesamiento de no-equilibrio como deposición de vapor física y electrodeposición pueden utilizarse para tribocorrosión después de adecuada preparación. Aquí Al-Mn por pulverización de magnetrón muestra de película fina depositada en substrato de Si se utiliza como ejemplo para explicar los pasos críticos.- Pulir una oblea de Si (100 mm de diámetro) con 1:50 ácido fluorhídrico solución de agua durante 2 minutos eliminar cualquier capa de oxidación superficial.
- Limpie la oblea de Si con etanol al 95%. Luego secar con aire comprimido y ponerlo directamente en un cámara de vacío de la máquina de la farfulla del magnetrón.
- Operar la maquina farfulla a 80 W potencia entrada bajo un 5 mTorr argón atmósfera (99.99%)1. Crecer un ~ 2-3 μm de grosor Al 20% Mn película (en lo sucesivo como película fina Al) utilizando un objetivo de Al-Mn en la máquina de pulverización.
- Giro cubra una fina capa protectora de un photoresist positivo (~ 10 mL para una oblea de Si 100 mL) depositado al lado de Si la oblea y dados en 1,5 × 2 varios cupones de cm2 .
- Sumerja la muestra picada en acetona durante 1 minuto eliminar la capa protectora. Enjuague por el alcohol y finalmente secar por el aire comprimido.
- Siga los pasos 1.1.5 y 1.1.8 para hacer una conexión eléctrica y pintar la superficie de la muestra para la prueba de tribocorrosión. C de la figura 1 muestra un ejemplo de una muestra de película fina pintada.
2. tribocorrosión prueba
- Configuración de la máquina de tribocorrosión
- Realice una prueba de tribocorrosión utilizando una celda de corrosión diseñado instalada en un analizador mecánico universal (UMT) como se muestra en la Figura 2a. Utilice el esquema de la tribocorrosión pruebas de configuración como se muestra en la figura 2b. La figura 3 muestra la celda de corrosión diseño personalizado instalada en el escenario giratorio de la UMT. La resolución del sensor de fuerza es 50 µN y 50 mN para carga de 5-500 mN y 10-1000 N, respectivamente.
- Para la medición electroquímica, utilizar resolución actual de amplificador de 2 x 10-17 y 10 impedancia de entrada de Ω14 .
- Principio de medida de tasa de tribocorrosión
- Medir la resistencia de tribocorrosión según la norma ASTM G1192, donde la pérdida material total T = C0 + W0 + S (véase la introducción para más detalles).
- Medir la corrosión tipo C0 de la prueba de potentiodynamic.
- Medir la tasa de desgaste puro W0 durante la polarización catódica de la prueba de tribocorrosión. Aplicar una configuración de bola en disco con una bola de alúmina para imponer recíproco desgaste mecánico en la gama de la carga de mN a unos N.
- Para la muestra de película delgada, escoger una adecuada carga normal. Esto asegura que la deformación plástica se limita dentro de la superficie para que el grueso de la muestra depositada es lo suficientemente grande para asemejarse a comportamiento de materiales a granel verdadero. Tal estimación puede hacerse mediante el uso de la teoría de contacto hertziano12.
- Medir la tasa de tribocorrosión T de tribocorrosión prueba de OCP.
- Calcular la sinergia S de las mediciones y la ecuación 1.
- Medir la resistencia de tribocorrosión según la norma ASTM G1192, donde la pérdida material total T = C0 + W0 + S (véase la introducción para más detalles).
- Prueba de medición de la corrosión tipo C0 de potentiodynamic (PD)
- Prepare el electrodo de trabajo (es decir, a granel o película fina una muestra de metal bajo análisis). Limpie la superficie del metal con acetona, seguida de etanol al 95%.
- Limpie la celda de corrosión antes de cada ejecución de corrosión. Fregar el cell con detergente y enjuague con agua del grifo. Repetir este paso 3 veces.
- Enjuagar la celda de corrosión 3 veces con agua y agua desionizada (DI) para eliminar posibles contaminantes encontrados en agua del grifo.
- Vierta 100 mL de etanol al 95% en la celda de corrosión y remolinar alrededor en contacto con todas las superficies internas. Derramar el etanol y repetir este paso 3 veces.
- Salir de la celda de corrosión bajo una campana de 30 minutos permitir que todos etanol se evapore completamente.
- Tome la celda de corrosión limpio y seco y enjuague con el electrolito que se utilizará para la corrosión ejecutar. Para cada enjuague, llenar la celda de corrosión con 40 mL de electrólito y repita este procedimiento 3 veces. De este protocolo, enjuagar la celda de corrosión con 3,5% de peso (0,6 M), solución acuosa de pH ≈ 7 cloruro de sodio (es decir, simular agua de mar).
- Tras el enjuague, llenar la celda de corrosión con 40 mL de electrólito listo para la reacción.
- Configurar la configuración de tres electrodos. Utilice la muestra Al, un estándar de Ag/AgCl y una malla de titanio activado como el trabajo, la referencia y el contraelectrodo respectivamente.
- Coloque el electrodo de trabajo centralizada en la parte inferior de la celda de corrosión y pegar la parte inferior con pegamento. Coloque la punta de alambre Cu expuesto por encima de la altura de la superficie de electrólito esperado.
- Coloque el electrodo de referencia de ~ 1 cm encima del electrodo de trabajo.
- Ligeramente curva el contraelectrodo para envolver alrededor de la muestra bajo prueba (electrodo de trabajo). La distancia entre el contador y el electrodo de trabajo es de ~ 2-4 cm.
- Conectar los electrodos con el potenciostato. Asegurar que los electrodos no se toquen.
- Abra el paquete de software electroquímico, que interconecta con el potenciostato USB controlado. Encienda el potenciostato.
- Abrir y utilizar la Vista de la medición para ver las lecturas actuales y potenciales del medio ambiente de la corrosión. Durante el ACO fase donde no hay rampa de potencial aún es aplica la lectura actual entre el trabajo (potencial positivo) y contraelectrodo (negativo) es alrededor de 0 ± 0,01 μA.
- Dejo la muestra para equilibrar y estabilizar de OCP en el entorno de la célula de corrosión. La duración de esta varía (1 a 6 h) y es dependiente del material probado. Controlar el potencial utilizando vista de medición para determinar si una condición estabilizada (es decir, un cambio potencial de menos de 50 mV durante más de media hora) se alcanza.
- Ejecutar la prueba de corrosión. Después de la estabilización de la corrosión potencial (Ecorr), rampa el potencial aplicado en la dirección positiva en relación con el electrodo de referencia.
- Seleccione el procedimiento de potenciostato de voltametría cíclica dentro de la vista de configuración de la ficha de procedimiento activar los siguientes parámetros a ser muestreados para la corrosión ejecutar: hora, potencial de electrodo (nosotros), de trabajo y actual para la corrosión ejecutar.
- Seleccione la opción de automatizar la gama actual. Fijar la corriente máxima en el rango de 10 mA y la más baja corriente en el rango de 10 nA para la WE.
- Asegurar que la selección final de corte está controlada por el potencial estableciendo el parámetro 'ciclo back' a 0.8 mV para permitir el lazo de histéresis completar.
- Registro OCP desde la visión de la medición en el cuadro de texto del parámetro OCP. Establecer el inicio potencial a 100 mV por debajo del valor registrado de la OCP. Establecer el vértice superior potencial a 800 mV, el vértice inferior a 100 mV a continuación el potencial de inicio y el parada potencial de 100 mV por debajo del vértice inferior potencial. Establecer la frecuencia de barrido a 0.167 mV/s (estándar ASTM).
- Presione start. Después de unas horas, se acaba la prueba de corrosión.
- Ver los resultados en el software.
Nota: Microscopía óptica se realizará después de cada prueba. Deseche las muestras mostrando cualquier indicio de corrosión de la grieta bajo la laca parada. Los resultados obtenidos para cada condición de la prueba deben repetirse al menos tres veces. La figura 4 muestra los resultados representativos de bulto y de película delgada Al PD pruebas en 3.5 wt.% NaCl solución acuosa a pH ≈ 7. - Determinar el potencial de picaduras (Epit) de la prueba de PD como el potencial que un rápido incremento en la corrosión actual tuvo lugar (figura 4).
- Obtener un valor nominal de la inclinación de la polarización catódica (βc) ajustando una línea recta a la porción de la curva de polarización que corresponde a potenciales de más de 50 mV menor Eoc.
- Obtener un valor nominal de la inclinación de la polarización anódica (βun) utilizando además la porción de la curva que comenzó a potenciales > 50 mV superior Eoc y terminó en Ecielo.
- Extrapolar tanto de esas tendencias Eoc y conveniente medio de ambos para obtener una densidad de corriente de corrosión nominal (mecorr) (figura 4).
- Calcular corrosión tipo C0 de la corrosión actual mecorr utilizando la conversión de Faraday (1 µA.cm-2≈ 10,9 μm/año) asumiendo la corrosión uniforme con la formación de Al3 +. La ecuación de Faraday es R = M/nFP(icorr), donde R es la velocidad de corrosión,corr es la corrosión actual medida de la prueba de PD, M es el peso atómico del metal, P es la densidad, n es el número de carga que indica el número de electrones intercambian en la reacción de disolución y F es equivalente constante de Faraday a 96.485 C/bandeo M/n es el peso equivalente.
- Medición de la tasa de desgaste W0 de prueba de la protección catódica
Nota: Para medir la tasa de desgaste, una bola de alúmina con diámetro de 4 mm se utiliza como el cuerpo de contador a cero en la superficie de la muestra mientras que la muestra se sumerge en la solución, como se muestra en la figura 5. Abajo se encuentra el procedimiento de prueba de la protección catódica.- Realice los pasos de 2.3.1 a 2.3.13 en la sección 2.3.
- Mueva la sonda del penetrador hacia la superficie de la muestra lo más cerca posible (distancia de 1 mm de superficie de la muestra). Asegúrese de que el penetrador se queda cerca del centro de la muestra y no hay ningún contacto eléctrico entre los electrodos, la sonda y la superficie de la muestra.
- Mueva al penetrador adelante para 200 mm. Vierta la solución acuosa de NaCl 3.5 wt.% en la celda de corrosión hasta que se sumergen electrodos, sonda y muestra toda la superficie.
- Mueva la sonda del penetrador hacia la superficie de la muestra tan cerca como sea posible. Conectar los electrodos con el potenciostato.
- Abra el paquete de software electroquímico, que interconecta con el potenciostato USB controlado. Encienda el potenciostato.
- Seleccione el experimento a ver DC corrosión y elija el modo de Potentiostatic .
- Aplicar un potencial catódico de 350 mV por debajo de la OCP. Este potencial catódico (350 mV por debajo de la OCP) es elegido para evitar la reacción de evolución de hidrógeno durante el desplazamiento, que podría conducir a la fragilidad de las muestras13. El potencial inicial y final potencial es de-350 mV vs Eoc. El tiempo experimental total es de 1.800 s incluyendo 300 s de tiempo de rayar.
- Establecer la prueba de desgaste desde el software UMT aplicando 1 Hz de frecuencia cero, 5 mm de longitud cero y 0,5 N carga normal. Presione el botón Ejecutar en el sistema de desgaste para iniciar la tribocorrosión. Nota la frecuencia cero, cero longitud y carga aplicada prueba de parámetros que pueden variar basados en el propósito del experimento.
- Después de 1.800 s, la prueba final. Ver los resultados en el software de la UMT. Para las pruebas de confianza, repetir las pruebas bajo las mismas condiciones por lo menos tres veces.
- Utilice un Perfilómetro de superficie para medir la profundidad del desgaste de la pista de al menos tres lugares diferentes a lo largo de la pista de desgaste para cada muestra. La dirección de exploración es vertical a la línea cero y la longitud de la exploración es más grande que el ancho de desgaste de la pista (ver figura 6). El radio de la aguja de Perfilómetro es 5 μm, la fuerza de la aguja es de 3 mg, y la resolución de escaneo es 0.028 μm/muestra.
- Exportar los datos de medición de perfil. Utilizar software para integrar directamente la profundidad debajo de la superficie sin uso (área sombreada en la figura 7).
- Calcular el área transversal de desgaste como
, donde h (x) es la altura de la superficie como una función de posición x y es la anchura de pista de desgaste. A, calcular el volumen de desgaste como 
(A es el área transversal del desgaste, L es la longitud de la pista de desgaste = 5 mm). - Por último, calcular el desgaste tipo W0 W0= V/Ltot, donde Ltot es la distancia total del desplazamiento.
- Prueba de medición de tasa de tribocorrosión T de tribocorrosión en ACO
- Siguiendo pasos 2.4.1-2.4.8 excepto en el paso 2.4.6, establecer el potencial aplicado durante la prueba como el OCP.
- Una vez terminada la prueba, siga el paso 2.4.10 para calcular T, donde T = V/Ltot.
- Cálculo de sinergia corrosión desgaste S
- Después de realizar todos los pasos anteriores, calcular la sinergia corrosión desgaste como S =-C0- C0, donde T es la pérdida material total medida de OCP, W0 es la pérdida de material medida en el potencial catódico principalmente debido a desgaste mecánico ( donde la corrosión se convierte en insignificante en comparación a usar), y C0 es la pérdida de material debido a la corrosión pura estimada de PD pruebas14,15. Nota, si C0 se mide en términos de pérdida de profundidad/año de la prueba de PD, es importante convertir en una pérdida de volumen equivalente por hora para el correcto cálculo de S.
, donde h (x) es la altura de la superficie como una función de posición x y es la anchura de pista de desgaste. A, calcular el volumen de desgaste como 
(A es el área transversal del desgaste, L es la longitud de la pista de desgaste = 5 mm).Representative Results
Siguiendo el protocolo de pruebas descrito anteriormente, la tasa de tribocorrosión (T) se mide en varios potenciales. Figura 8 representa la pérdida de material obtenida para la muestra de película delgada de Al después de tribocorrosión en la catódica (350 mV por debajo de ACO), circuito, abierto y anódica (200 mV por encima de la OCP) potencial. El ensayo se realizó en 3.5 wt.% NaCl solución acuosa durante 5 minutos bajo carga normal del 0,5 N, en un 1 Hz de frecuencia y 5 mm de recorrido de deslizamiento. Antes de cada prueba, el OCP se estabilizó para 20 minutos la figura 9 muestra el Resumen de todos los componentes de la ecuación 1, incluyendo la tribocorrosión tasa (T), tarifa (W0), velocidad de corrosión (C0) y desgaste de corrosión sinergia (S) de película fina de desgaste.
Figura 1 . Foto de muestra de bulto Al (a) sin pulir y pulida, pintado y (b) por cable y (c) fina película Al muestra para prueba de tribocorrosión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 . (a) fotografía del frente de la máquina de Bruker UMT sin tribocorrosión por encargo de la célula. (b) esquema de tribocorrosión pruebas de configuración. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 . Foto de celular de tribocorrosión a medida instalado en el escenario giratorio de la UMT. La célula está hecha de teflón con un anillo en la superficie inferior para prevenir la pérdida de líquido durante la prueba de tribocorrosión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4 . Curvas de polarización potentiodynamic representante de Al granel y de película delgada después de la inmersión en una solución de NaCl de 0.6 M 1 hora. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5 . Foto de máquina de tribocorrosión durante las pruebas donde se mueve la sonda penetrador sobre la superficie de la muestra en movimiento recíproco. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6 . Análisis de imagen de microscopia electrónica de la pista de desgaste después de prueba de tribocorrosión. Las líneas punteadas representan los límites de la pista de desgaste. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7 . Perfil de la pista de desgaste típico de película fina Al después de la prueba de tribocorrosión obtenido mediante Perfilómetro. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8 . Resumen de tribocorrosión tasa (T) de películas delgadas Al potencial aplicado diferentes. La barra de la flecha representa una desviación estándar de todos los resultados de pruebas repetidas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 9 . Resumen de tribocorrosión tasa (T), usar velocidad (W0), velocidad de corrosión (C0) y desgaste de corrosión sinergia (S) de películas delgadas de Al. La barra de la flecha representa una desviación estándar de todos los resultados de pruebas repetidas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 10 . Evolución de la corrosión potencial durante la tribocorrosión prueba de película delgada de OCP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 11 . Evolución del coeficiente de fricción (COF) en tribocorrosión prueba de película delgada de OCP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 12 . Evolución de la corrosión actual durante la tribocorrosión prueba de película delgada Al 200 mV por encima de la OCP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 13 . Resumen de desgaste mecánico y químico de película fina Al durante prueba de tribocorrosión en 200 mV por encima de la OCP. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Hay varios pasos fundamentales dentro de este protocolo. En primer lugar, adecuada preparación superficial de las muestras antes de las pruebas de tribocorrosión es fundamental para garantizar la buena confiabilidad de la prueba realizada y aumentar la repetibilidad de la prueba. A granel diferentes aleaciones deben ser preparados siguiendo procedimientos diferentes para asegurar una rugosidad controlada y la eliminación de contaminantes de la superficie ni escalas. El procedimiento descrito aquí consiste en exclusivamente mecánico de esmerilado y pulido. Este método se aplica generalmente a las aleaciones con media a alta dureza tales como Al, Ti, Ni, aleaciones de Cu y acero. Para las aleaciones más suaves tales como aleaciones de Mg, fresado ion o pulido electroquímico debe acoplarse con pulido mecánico para lograr la rugosidad deseada. En segundo lugar, para la muestra de película fina pulverización, manteniendo una muy baja (< 10-6 Torr) vacío en la cámara de sputtering es crítico para asegurar la concentración baja del defecto en la película depositada, que en caso contrario afectaría a la resistencia a la corrosión significativamente. En tercer lugar, al preparar ya sea a granel o muestras de película delgada en el electrodo de trabajo, es importante asegurar una buena conexión eléctrica entre la muestra y el cable de conexión (Cu). En este protocolo, se utiliza cinta conductor o conductora epoxi. Por otra parte, soldadura, soldadura o técnicas similares pueden utilizarse. Sin embargo, el efecto de la calefacción durante la soldadura en la microestructura y finalmente la tribocorrosión resistencia de muestras tiene que ser evaluados cuidadosamente. Esto es especialmente importante para metales y aleaciones con bajo punto de fusión. Finalmente, desde tribocorrosión implica una interacción de tres cuerpos (incluyendo los dos cuerpos en contacto y el tercer cuerpo en el medio), es importante asegurarse de que una nueva punta de bola (o una nueva área de la punta de bola) se utiliza cuando realice repetidas pruebas de tribocorrosión.
El protocolo actual evalúa tribocorrosión tasa mediante la medición de pérdida de material. De este protocolo puede ser fácilmente modificaciones para evaluar la cinética de depassivation y de repasivación de tribocorrosión. Esto se logra mediante el seguimiento de la evolución del coeficiente de fricción (COF), corriente y potencial durante la prueba. Por ejemplo, figura 10 y 11 muestran resultados representativos de la evolución del potencial de corrosión y COF respectivamente, de película fina Al después de tribocorrosión prueba de OCP. Las flechas en la figura 10 representan el inicio y acabado de rayar. Puede verse que para aleaciones pasivas como Al, la interrupción mecánica durante la tribocorrosión conduce a ruptura/mudanzas locales de la película pasiva en la pista de desgaste y exponer un área depassivated que conduce a una disminución en el potencial de corrosión ~ 20 mV. Nuestro anterior trabajo16 demostró que la magnitud del potencial de reducción de corrosión está fuertemente relacionado con la microestructura del metal dado que los parámetros de prueba (por ejemplo, aplicar carga, velocidad de desplazamiento, temperatura) son las mismas. Con mayor dureza y microestructura más fino, la misma carga aplicada puede llevar a una menor depassivated zona, por lo tanto más pequeño cambio en el potencial de corrosión. También se observa que durante el modo de circuito abierto, la corriente es demasiado baja para ser detectado como el circuito está 'abierto'. Sin embargo, puede controlarse la evolución durante prueba de tribocorrosión en impuestos potenciales catódicos o anódicos. Un ejemplo puede encontrarse en nuestro anterior trabajo16. Figura 12 muestra la evolución actual de película fina Al tribocorrosión en un impuesto potencial anódico de 200 mV más positiva que la OCP. Este potencial anódico fue seleccionado dentro de la región pasiva pero muy por debajo de los potenciales picaduras. Este resultado puede utilizarse para cuantificar la corrosión de desgaste acelerado. En este caso, puede evaluarse la pérdida material total como T = Vmech + Vchem, donde Vmech y Vchem corresponde a la contribución de la pérdida de material mecánica y electroquímica, respectivamente. En concreto, Vchem puede considerarse como resultado de la oxidación de metal bajo potencial aplicada anódica. Así se puede calcular por la ley de Faraday como 17,18,19
, donde Q es la carga eléctrica (se calcula multiplicando la diferencia entre la corriente anódica promedio durante y antes de deslizamiento por el tiempo), M es el peso molecular, n es la Valencia de la oxidación, F es constante de Faraday, y ρ es que la densidad de otros figura 13 muestra el resultado típico de ambos términos de películas delgadas. De la discusión anterior, se aprecia que la evaluación del cambio de parámetros electroquímicos, además de la pérdida de peso, así ofrecerá una perspectiva crítica la cinética de depassivation durante tribocorrosión.
El protocolo presentado aquí también tiene varias limitaciones. En primer lugar, la celda de corrosión está hecha de teflón (politetrafluoroetileno) o material similar. Por lo tanto, todas las pruebas se realizaron cerca de temperatura ambiente. Para aplicaciones que requieren mayor temperatura (por ejemplo, por encima de 400 ° C para núcleos de reactor nuclear), una célula de corrosión especial y punta tienen que ser fabricado resisten arrastramiento de alta temperatura y corrosión. Seguridad adicional es también necesaria para el manejo de electrolitos sal fundida y muestras metálicas a altas temperaturas. En segundo lugar, la fijación de un electrodo de referencia cerca del electrodo de trabajo (muestra) ha limitado el movimiento de desgaste a ser recíproco lineal. En aplicaciones donde se requiere un movimiento de rotación de la muestra, una configuración especial tribocorrosión tiene que ser diseñado. En tercer lugar, en la configuración del presente, la tasa cero de desgaste es mucho más rápida que la velocidad de corrosión. Por lo tanto, la contribución de C0 es despreciable en comparación con otros términos. Mientras que la corrosión sí mismo no llevó a la significativa pérdida de material durante el tiempo de prueba limitado, su efecto sobre S es significativa. En aplicaciones del mundo real donde cero mecánico se produce a frecuencias mucho más bajas, esta tendencia podría cambiar donde C0 puede convertirse en dominante. Finalmente, especial atención debe prestarse a errores generados durante la prueba. Esto es especialmente importante para la evaluación de la sinergia de la corrosión de desgaste (S), que se deriva de tribocorrosión tasa (T), la tasa de desgaste (W0) y velocidad de corrosión (C0). Así se pueden acumular errores. Para minimizar los errores generados en T y W0, un Perfilómetro óptico 3D sin contacto (en vez del Perfilómetro 2D contacto) se puede utilizar para determinar el volumen de pérdida material total. Para minimizar el error en C0, PD pruebas pueden acoplarse con EIS (Espectroscopia de impedancia electroquímica) prueba no destructiva para evaluar corrosión tipo20.
Como nota final, la tribocorrosión tasa no es una propiedad material, sino más bien respuesta de un sistema que depende de los parámetros de prueba (carga aplicada, desplazamiento, velocidad, etc.), el medio ambiente (temperatura, pH, concentración salina, etc.), y propiedades del material (dureza, rugosidad, etc.). El protocolo presentado aquí es demostrado usando solamente un conjunto de condiciones. Los lectores deben tener en cuenta las diferencias y adoptan cambios adecuados en la preparación de la muestra, prueba de la configuración y análisis de datos con diferentes sistemas. Alternativas incluyendo pruebas de configuración pin en la placa (Reciprocantes), microabrasion, cilindro bar, et al. pueden encontrarse en 21. Tribocorrosión es un tema interdisciplinario emergente. Se espera que este protocolo facilitará la evaluación de materiales de ingeniería existentes, así como el diseño de nuevos materiales resistentes a ambos degradación de daño y la corrosión de desgaste. Tales materiales se convierten cada vez más exigieron en el futuro aplicaciones como avanzados dispositivos médicos implantables, plantas de energía nuclear de próxima generación y alta capacidad de carga de baterías, etc., que requieren no sólo una fuerte rápida y resistente material, pero que es robusta y fiable al interactuar con algunas condiciones muy extremas.
Disclosures
Los autores no declaran a intereses financieros en competencia.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado por el nos nacional Science Foundation Grant DMR-1455108 y 1663098 de CMMI.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| UMT (universal mechanical testing) machine | Bruker | UMT-2 | |
| Potentiostat | Gamry | Reference 600 | |
| Surface profilometer | Veeco | Dektak150 | |
| Al3003 | Metal supermarkets | 3003 | |
| Sodium choloride | Fisher Scientific | S640-3 | |
| DI water | USF NREC | ||
| Alcohol | Fisher Chemical | A405P-4 | |
| Grinding paper | LECO Corporation | 810-221-300 (#180) 810-223-300 (#240) 810-227-300 (#400) 810-229-300 (#600) 810-036-100 (#1200) |
|
| Polishing Pad | Pace Technologies | NP. 7008 | |
| Polishing suspension | Pace Technologies | NANO2-1010-06 (1 um) NANO2-1003-06 (0.3 um) NANO2-1005-06 (0.05 um) |
|
| Stop-off lacquer | Romanoff | 210-1250 | |
| Ag/AgCl Reference electrode | SYC Technologies, Inc. | CHI111 | |
| Compressed air | Office depot | 911-245 | |
| Ultrasonic cleaner | Cole Parmer | 8890 | |
| Sputtering coater | Torr International | CRC-100 |
References
- Landolt, D., Mischler, S. Tribocorrosion of passive metals and coatings. Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering: EPFL, Switzerland. 47, (2011).
- ASTM Standard. G119-09, Standard Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion. , (2016).
- Mischler, S. Sliding Tribo-Corrosion of Passive Metals: Mechanisms and Modeling. Tribo-Corrosion: Research, Testing, and Applications. Blau, P. J., Celis, J. P., Drees, D. irk , ASTM International. Atlanta, GA. 1-18 (2013).
- Landolt, D., Mischler, S., Stemp, M. Electrochemical methods in tribocorrosion: a critical appraisal. Electrochim Acta. 46 (24-25), 3913-3929 (2001).
- Macdonald, D. D. Passivity - the key to our metals-based civilization. Pure and Applied Chemistry. 71 (6), 951-978 (1999).
- Obadele, B. A., Andrews, A., Olubambi, P. A., Mathew, M. T., Pityana, S. Tribocorrosion behaviour of laser cladded biomedical grade titanium alloy. Materials and Corrosion. 66 (10), 1133-1139 (2015).
- Wolf, D., Yamakov, V., Phillpot, S. R., Mukherjee, A., Gleiter, H. Deformation of nanocrystalline materials by molecular-dynamics simulation: relationship to experiments? Acta Materialia. 53 (1), 1-40 (2005).
- Rupert, T. J., Schuh, C. A. Sliding wear of nanocrystalline Ni-W: Structural evolution and the apparent breakdown of Archard scaling. Acta Materialia. 58 (12), 4137-4148 (2010).
- Pokhmurs'kyi, V. I., Dovhunyk, V. M. Tribocorrosion of Stainless Steels (Review). Journal of Materials Science. 46 (1), 87-96 (2010).
- Davis, J. R. Surface Engineering for Corrosion and Wear Resistance. ASM International. , (2001).
- Song, D., Ma, A. B., Jiang, J. H., Lin, P. H., Yang, D. H., Fan, J. F. Corrosion behavior of equal-channel-angular-pressed pure magnesium in NaCl aqueous solution. Corrosion Science. 52 (2), 481-490 (2010).
- Johnson, K. L. Contact mechanics. , Cambridge university press: 1987. (1987).
- Mischler, S. Triboelectrochemical techniques and interpretation methods in tribocorrosion: A comparative evaluation. Tribology International 41. (7), 573-583 (2008).
- Watson, S. W., Friederdorf, F. J., Madsen, B. W., Cramer, S. D. Methods of measuring wear-corrosion synergism. Wear. 181, 476-484 (1995).
- Assi, F., Böhni, H. Study of wear-corrosion synergy with a new microelectrochemical technique1. Wear. (233-235), 505-514 (1999).
- Mraied, H., Cai, W. J. The effects of Mn concentration on the tribocorrosion resistance of Al-Mn alloys. Wear. (380-381), 191-202 (2017).
- Vieira, A. C., Rocha, L. A., Papageorgiou, N., Mischler, S. Mechanical and electrochemical deterioration mechanisms in the tribocorrosion of Al alloys in NaCl and in NaNO3 solutions. Corrosion Science. 54, 26-35 (2012).
- Mischler, S., Spiegel, A., Landolt, D. The role of passive oxide films on the degradation of steel in tribocorrosion systems. Wear 225-229, Part 2. , 1078-1087 (1999).
- Mischler, S., Muñoz, A. I. Wear of CoCrMo alloys used in metal-on-metal hip joints: A tribocorrosion appraisal. Wear. 297 (1-2), 1081-1094 (2013).
- Mraied, H., Cai, W. J., Sagues, A. A. Corrosion resistance of Al and Al-Mn thin films. Thin Solid Films. 615, 391-401 (2016).
- Mathew, M. T., Uth, T., Hallab, N. J., Pourzal, R., Fisher, A., Wimmer, M. A. Construction of a tribocorrosion test apparatus for the hip joint: Validation, test methodology and analysis. Wear. 271 (9-10), 2651-2659 (2011).
