Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att mäta tribokorrosion hastighet och slitage-korrosion synergin av tunn film och bulk Al legeringar i simulerade havet vatten vid rumstemperatur.
Abstract
Den ökande komplexitet och svårighetsgrad av driftförhållanden i områden, såsom flyg och marin industri, nukleära system, mikroelektronik, batterier, och biomedicinska enheter, etc., införa stora utmaningar på pålitlig prestanda legeringar som utsätts för extrema förhållanden där mekaniska och elektrokemiska angrepp samexistera. Att hitta sätt att mildra den kombinerade attacken av slitage och korrosion (dvs tribokorrosion) under sådana extrema förhållanden är alltså mycket kritiska för att förbättra deras tillförlitlighet och service livstid när den används i sådana förhållanden. Utmaningen ligger i att slitage och korrosion är inte oberoende av varandra, men hellre arbeta synergistiskt för att påskynda den totala materiella förlusten. Därför behövs en tillförlitlig metod för att utvärdera tribokorrosion motstånd, metaller och legeringar. Här presenteras ett protokoll för mätning av tribokorrosion hastighet och slitage-korrosion samverkan mellan Al-baserade bulk och tunn film prover i en korrosiv miljö under rumstemperatur.
Introduction
Tribokorrosion är en materiell nedbrytningsprocessen som orsakas av den kombinerade effekten av slitage och korrosion1,2. Tribokorrosion sker både i naturen och i industriella applikationer där mekaniska kontakt och en frätande miljö är samtidigt närvarande. Komplexiteten i tribokorrosion ligger i faktumet att kemiska och mekaniska nedbrytning mekanismer är inte oberoende av varandra. En kombination av mekaniska och kemiska angrepp ofta leder till accelererad fel, på grund av synergieffekter. Således, den totala materiella förlusten kan beräknas som T = C0 + W0 + S (eqn. 1), där C0 är materiella förlusten resulterade från korrosion i avsaknad av slitage, W0 är den materiella skador på grund av mekaniskt slitage i avsaknad av korrosion , och S är den materiella skador på grund av slitage-korrosion synergy3,4. Synergieffekt är framträdande för passiv legeringar såsom aluminium, Titan och rostfritt stål, vilket spontant bildar en skyddande tunn (några nanometer i tjocklek) oxid film (passiv film) vid kontakt med syre eller vatten5, 6. Under korrosion, och om denna passiva film störs lokalt av mekaniskt slitage, depassivation kunde leda till lokaliserade korrosion och oväntade fel1,3,7,8, 9.
Som ett exempel på de ekonomiska effekterna av tribokorrosion i vårt samhälle beräknas slitage och korrosion kosta nästan 300 miljarder dollar per år i Sverige har10. I Florida, tribokorrosion fenomen av strukturella legeringar i havsvatten är av intresse med tanke på dess ocean-ekonomi (fiske, marine transport och kustnära konstruktion), som bidrar med cirka 4 procent av Floridas totala bruttonationalprodukt11. Således, en bättre förståelse för tribokorrosion av metaller och legeringar kommer att leda till bättre riktlinjer för tillämpning och användning av legeringar i hårda miljön driftförhållanden. Sådan förståelse kommer också tjäna till att förbättra designprinciper för tillverkning av nya legeringar och beläggningar mot tribokorrosion och ökad hållbarhet.
Tribokorrosion studier kräver integration av en tribometer och en elektrokemisk mätsystem. Tribometer ger kontrollerad mekanisk belastning och relativ rörelse och mäter friktionskraft och prov yta höjd förändring. Elektrokemiska mätsystemet innehåller en potentiostat/galvanostat med en noll-motstånd amperemeter (tillval) som bestämmer öppen krets potential (OCP) och elektrokemiska polarisering mätningar. Sådana tekniker ger en snabb och billig metod för att erhålla elektrokemiska egenskaperna för ett material, där Korrosionshastigheten av en metall kan mätas genom att observera kostnad-överföringsprocessen svar på en kontrollerad elektrokemiska störning . Här presenterar vi ett test protokoll för fastställande av tribokorrosion hastighet och slitage-korrosion synergin av Al legeringar, mestadels efter den ASTM standard G1192. Detta protokoll inkluderar provberedning, maskinställ, tribokorrosion testning och efter beräkning testförfaranden. Vi hoppas att denna insats kommer att gynna dem nya till fältet att utföra pålitliga och repeterbara tribokorrosion tester för att utvärdera beteendet deformation och nedbrytning av bulk samt tunn film metalliska prover.
Protocol
Varning: Läs alla relevanta material säkerhetsdatablad (MSDS) före användning. Vissa kemikalier som används i protokollet är giftiga. Använd alla lämpliga säkerhetsrutiner när du utför experiment, inklusive användning av tekniska kontrollåtgärder (spiskåpa) och personlig skyddsutrustning (skyddsglasögon, handskar, labbrock, hellånga byxor och stängd tå skor). CNC (dator Numerical Control) maskinen måste användas av utbildad personal. Fluorvätesyra måste hanteras inuti en spiskåpa som identifieras med en skylt som anger ”Danger, fluorvätesyra används i detta område” eller liknande.
1. provberedning
Obs: Korrekt förbehandling av prover före tribokorrosion tester är avgörande för att säkerställa bra tillförlitlighet utförs provningen och förbättra test repeterbarhet. I detta protokoll, en kommersiell Al 3003 legering (Si: 0.1, Fe: 0.4, Cu: 0,08, Mn: 1.1 wt.%, balansera Al) används som ett exempel.
- Bulk metalliska provberedning
- Skär som-fick Al 3003 legeringar (hädanefter Al) i flera 1,5 × 2 cm2 kuponger med en CNC-maskin.
- Mekaniskt slipa ena provet ytan med sandpapper med alltfler grus (#180, 240, 400, 600 och 1200).
- Finfördela provet med #180 sandpapper för 30 s längs en godtycklig riktning.
- Rotera provet 90˚ och slipa den med #240 sandpapper tills raderna repor från föregående steg elimineras helt. Använda ett optiskt mikroskop till stöd denna inspektion.
- Upprepa provet rotation proceduren och flytta till nästa slipning papperet. Använd en mjuk borste mellan stegen att rengöra prov ytan i rinnande vatten för att eliminera all kontaminering från föregående steg.
- Efter slipning, polska prov ytan med hög viskositet aluminiumoxid polering suspension (1 µm, 0,3 µm och 0,05 µm) i olika storlekar på microfiber tyg kuddar. Använd en annan trasa pad för varje förening storlek.
- Häll ~ 1 oz 1 µm aluminiumoxid suspension (10-30% aluminiumoxid, 0,6-1% kvarts glas, 70-90% vatten) på en ren trasa pad. Polska provet i en riktning eller rita en form av '8' (Undvik rita en form av '0') tills du tar bort raderna scratch från föregående steg.
- Upprepa för 0,3 och 0,05 µm polering suspension (10-30% aluminiumoxid, 0,6-1% kvarts glas, 70-90% vatten) tills de når en spegel finish.
- Placera polerad provet i en bägare med 40 mL avjoniserat vatten (DI) vatten och placera bägaren i ett ultraljud renare för 1-2 min att ta bort någon yta partikel. Använd komprimerad gas helt torka ytan. Figur 1a visar ett exempel på en opolerad vs. en polerad Al-provet.
- Skär en 5 cm lång, ~ 1-2 mm diameter elektrisk tråd och remsa bort den skyddande plasten täcker (~ 1 cm i längd) i båda ändarna att exponera interiören Cu tråd till luft.
- Elektriskt ansluta ena änden av tråden på baksidan (opolerade sidan) av provet med en konduktiv tejp eller konduktiv epoxi. Om du använder ledande epoxy, följ tillverkarens rekommendation tills fullständig bota.
- Använd elektrokemiska uppehåll lack för att måla en ~ 1 × 1 cm2 fönster på polerad sida och komplett baksidan av provet. För baksidan, måla över exponerade Cu kabeln.
- Torka målade provet helt i ett väl ventilerat dragskåp under minst 24 h innan experimenten. Figur 1b visar ett exempel på målade samlingsprovet, som används som arbetar elektrod för korrosion och tribokorrosion tester.
- Tunn film provberedning
Obs: Metalliska tunna filmer som deponeras på en platt substrat såsom glas, Si wafer och andra metallplattan som använder icke-jämvikt bearbetning tekniker såsom fysisk förångningsdeposition och elektroavsättning kan användas för tribokorrosion testning efter korrekt beredning. Här används en magnetron-oftas Al-Mn tunn film prov deponeras på Si substrat som ett exempel för att förklara de kritiska steg.- Polska en Si wafer (100 mm diameter) med 1:50 fluorvätesyra vatten-lösning för 2 min att ta bort någon yta oxidation lagret.
- Ren Si rånet med 95% etanol. Sedan torka den med tryckluft och överföra det direkt till en magnetron sputtering maskin vakuumkammare.
- Sputtring maskinen på 80 W ineffekt under en 5 mTorr argon atmosfär (99,99%)1. Växer en ~ 2-3 µm tjocklek Al-20 vid % Mn film (hädanefter Al tunn film) använder ett Al-Mn mål i sputtring maskinen.
- Spin rock ett tunt skyddande lager av en positiv fotoresist (~ 10 mL för en 100 mL Si wafer) på deponerade sida av Si wafer och tärna den i flera 1,5 × 2 cm2 kuponger.
- Sänk ner tärnad provet i aceton för 1 min att helt ta bort det skyddande lagret. Skölj av alkohol och slutligen torka den med tryckluft.
- Följ steg 1.1.5 och 1.1.8 att göra en elektrisk anslutning och måla prov ytan för tribokorrosion test. Figur 1 c visar ett exempel på en målad tunn film provet.
2. tribokorrosion Test
- Tribokorrosion maskinställ
- Utför ett tribokorrosion test med hjälp av en specialdesignad korrosion cell installerad på en universella mekaniska tester (UMT) som visas i figur 2a. Använd schematiskt av den tribokorrosion testa installationen som visas i figur 2b. Figur 3 visar cellen specialdesignade korrosion installerad på UMT roterande scenen. Kraft fjärranalys upplösningen är 50 µN och 50 mN för Ladda spänner av 5-500 mN och 10-1000 N, respektive.
- För elektrokemisk mätning, Använd 2 x 10-17 Amp aktuella upplösningen och 1014 Ω ingångsimpedans.
- Tribokorrosion ränta Mätprincip
- Mäta tribokorrosion motstånd enligt ASTM G119 standard,2, där den totala materiella förlusten T = C0 + W0 + S (se inledning för detaljer).
- Mäta korrosion kurs C0 från potentiodynamic testet.
- Mäta den rena slitage W0 under katodiskt polarisering från tribokorrosion test. Tillämpa en boll-på-skiva-konfigurationen med en aluminiumoxid bollen för att ålägga ömsesidiga mekaniskt slitage i intervallet belastning för mN till några N.
- I urvalet och tunn film, välja en rätt normal Last. Detta säkerställer att den plastiska deformationen är begränsat inom den övre ytan så att tjockleken deponerade provet är tillräckligt stor för att likna sant bulk material beteende. Sådan uppskattning kan göras genom att använda Hertzian kontakt teori12.
- Mäta andelen tribokorrosion T från tribokorrosion test på OCP.
- Beräkna synergyen S från ovanstående mätningar och ekvation 1.
- Mäta tribokorrosion motstånd enligt ASTM G119 standard,2, där den totala materiella förlusten T = C0 + W0 + S (se inledning för detaljer).
- Mätning av korrosion kurs C0 från potentiodynamic (PD) testa
- Förbereda arbetselektroden (dvs, bulk eller tunn film metall preparatet under analys). Ren ytan av metall med aceton, följt av 95% etanol.
- Ren cellen korrosion innan varje korrosion kör. Skrubba cellen med hushållens tvättmedel och skölj noggrant med kranvatten. Upprepa detta 3 gånger.
- Skölj cellen korrosion 3 gånger med avjoniserat vatten (DI) att avlägsna potentiella föroreningar som finns i kranvattnet.
- Häll 100 mL 95% etanol i cellen korrosion och snurra runt för att kontakta alla interna ytor. Häll ut etanolen och upprepa detta 3 gånger.
- Lämna cellen korrosion under dragskåp för 30 min att tillåta alla etanol helt avdunstat.
- Ta cellen ren, torr korrosion och skölj det med elektrolyten som kommer att användas för korrosion kör. För varje skölj, fylla cellen korrosion med 40 mL av elektrolyten och upprepa detta 3 gånger. För detta protokoll, skölj cellen korrosion med 3,5 wt % (0,6 M), pH ≈ 7 natriumklorid vattenlösning (dvs, simulerade havsvatten).
- Efter sköljningen, korrosion cellen fylls med 40 mL av elektrolyt redo för reaktionen.
- Setup tre-elektrod konfigurationen. Använd Al provet, en standard Ag/Granulatfyllda och en aktiverad Titan mesh som arbetande, referens och counter elektroden respektive.
- Placera arbetselektroden centralt på botten av cellen korrosion och limma längst med superlim. Placera exponerade Cu tråd spets över den förväntade elektrolyt ytans höjden.
- Placera referenselektroden ~ 1 cm ovanför arbetselektroden.
- Löst böj counter elektroden att linda runt preparatet under test (arbetselektroden). Avståndet mellan räknaren och arbetselektroden är ~ 2-4 cm.
- Anslut elektroderna med potentiostaten. Se till att elektroderna inte vidrör.
- Öppna den elektrokemiska programpaket, som gränssnitt med USB kontrollerade potentiostat. Aktivera potentiostaten.
- Öppna och använda Mätning Visa Visa potentiella och nuvarande avläsningarna av korrosion miljö. Under OCP fas där ingen ramp potentiella ännu är tillämpas den aktuella behandlingen mellan arbetande (positiva potential) och counter (negativ) elektrod är runt 0 ± 0,01 µA.
- Lämna provet för att vara i jämvikt och stabilisera på OCP inom korrosion cell miljön. Tidslängden för detta varierar (1 till 6 h) och är beroende av material som testats. Övervaka de potentiella med mätning Visa för att avgöra om stabila förhållanden (dvs. en potentiell förändring av mindre än 50 mV över mer än en halvtimme) nås.
- Köra testet korrosion. Efter stabiliseringen av korrosion potentiella (Ecorr), ramp tillämpad potential i positiv riktning i förhållande till referenselektroden.
- Välj cyklisk voltametri potentiostat förfarandet inom vyn inställningar från fliken proceduren aktivera följande parametrar som skall provtas för korrosion kör: tid, arbetar elektrod (WE) potential, och nuvarande för korrosion kör.
- Välj alternativet att automatisera strömområdet. Ange det högsta aktuellt i intervallet 10 mA, och den lägsta nuvarande i intervallet vara 10 nA för WE.
- Säkerställa att det slutliga cut-off-urvalet styrs genom potential genom att ange parametern 'cykla tillbaka' till 0,8 mV att tillåta det hysteresis kretsloppet att slutföra.
- Spela in OCP från vyn mätning i textrutan OCP parameter. Ställ in start potentiella på 100 mV under det inspelade OCP-värdet. Ställ in den övre brytpunkten potentiella till 800 mV, den nedersta brytpunkten till 100 mV under start potential och stop potential att 100 mV nedanför den nedersta brytpunkten potentiella. Ange sökhastighet till 0.167 mV/s (ASTM standard).
- Tryck på start. Efter ett par timmar, är korrosionsprovningen som klar.
- Visa resultaten i programvaran.
Obs: Optisk mikroskopi kommer att utföras efter varje provning. Kassera prover visar någon indikation på spaltkorrosion under uppehåll lacket. Resultaten för varje Testvillkor bör upprepas minst tre gånger. Figur 4 visar representativa resultat av bulk och tunn film Al efter PD tester i 3,5 wt.% NaCl vattenlösning med pH ≈ 7. - Fastställa gropfrätning potential (Egrop) från testet PD som potential som en snabb ökning av korrosion nuvarande ägde rum (figur 4).
- Erhålla ett nominellt värde av katodiskt polarisering lutningen (βc) genom att montera en rak linje till del av kurvan polarisering som motsvarar potentialer mer än 50 mV lägre än Eoc.
- Skaffa ett nominellt värde av anodisk polarisation lutningen (βett) jämväl med del av kurvan som startade vid potentialer > 50 mV högre än Eoc och slutade på Egrop.
- Extrapolera båda av dessa trender till Eoc och lämplig genomsnittliga båda att få en nominell korrosion strömtäthet (jagcorr) (figur 4).
- Beräkna korrosion kurs C0 från korrosion nuvarande jagcorr använder Faradays konvertering (1 µA.cm-2≈ 10,9 µm/y) antar enhetliga korrosion med bildandet av Al3 +. Den Faradays ekvationen är R = M/nFP(icorr), där R är korrosionshastigheten, jagcorr är korrosion nuvarande mätt från testet PD, M är atomvikt av metall, P är densiteten, n är det kontonumret som anger antalet elektroner utbyts inom upplösning reaktion, och F är Faradays konstant motsvarar 96,485 C/mol. M/n är likvärdig vikt.
- Mätning av slitage Betygsätt W0 från katodiskt skydd test
Obs: För att mäta andelen slitage, en aluminiumoxid boll med 4 mm diameter används som counter kroppen att repa på prov ytan medan provet är nedsänkt i lösningen, som visas i figur 5. Nedan är förfarandet för katodiskt skydd test.- Utför steg från 2.3.1 till 2.3.13 i avsnitt 2.3.
- Flytta sonden indenter nedåt mot ytan av provet som närmare som möjligt (1 mm avstånd från provet yta). Säkerställa indenter stannar nära mitten av provet och det finns ingen elektrisk kontakt mellan elektroderna, sonden och prov ytan.
- Flytta indenter upp framåt för 200 mm. Häll 3,5 wt.% NaCl vattenlösningen i korrosion cellen tills alla elektrod, sond och prov yta är nedsänkt.
- Flytta indenter sonden mot provet ytan så nära som möjligt. Anslut elektroderna med potentiostaten.
- Öppna den elektrokemiska programpaket, som gränssnitt med USB kontrollerade potentiostat. Slå på potentiostaten.
- Välj Experiment Visa DC korrosion och välj Potentiostatic läge.
- Tillämpa en katodiskt potential av 350 mV nedanför OCP. Denna katodiskt potential (350 mV nedanför OCP) är vald för att undvika väte evolution reaktion under glidande, vilket kan leda till embrittlementen av prover13. Den inledande potentialen och slutliga potential är-350 mV vs Eoc. Den totala experimentella tiden är 1 800 s inklusive 300 s repor tid.
- Ställa in testet slitage från UMT programvaran genom att tillämpa 1 Hz scratch frekvens, 5 mm scratch längd och 0,5 N normal belastning. Tryck på knappen Kör i slitage som ska startas i tribokorrosion. Obs, scratch frekvens, scratch längd och tillämpad belastning testar parametrar som kan varieras utifrån syftet med experimentet.
- Efter 1800 s, testet färdiga. Visa resultaten i programvaran UMT. För tillförlitliga tester, upprepa testerna på samma villkor för minst tre gånger.
- Använda en surface profilometer för att mäta djupet av slitage spår från minst tre olika platser längs slitage spåret för varje prov. Scan riktning är vertikal till raden scratch och scan längden är större än bredden på slitage spår (se figur 6). Radien av profilometer pennan är 5 µm, stylus kraften är 3 mg och upplösning är 0,028 µm/provet.
- Exportera mätdata profil. Använda programvara för att direkt integreras djupet under unworn ytan (skuggade området i figur 7).
- Beräkna området tvärsnittsdata slitage som
, där h (x) är ytan höjden som en funktion av position x, och en är slitage spårabredden. Använda A, beräkna volymen slitage som 
(A är området tvärsnittsdata slitage, L är slitage spårlängd = 5 mm). - Slutligen, beräkna slitage rate W0 W0= V/Ltot, där Ltot är det totala skjutbara avståndet.
- Mätning av tribokorrosion takt T från tribokorrosion testa på OCP
- Följande steg ange 2.4.1-2.4.8 utom i steg 2.4.6, tillämpad potential under provningen som OCP.
- När testet är klart, Följ steg 2.4.10 att beräkna T, där T = V/Ltot.
- Beräkning av slitage-korrosion synergy S
- Efter alla tidigare åtgärder, beräkna synergyen slitage-korrosion som S = T-W0- C0, där T är den totala materiella förlusten värderas till OCP, W0 är materiell förlust mätt vid katodiskt potential beror främst på () mekaniskt slitage där korrosion blir försumbar jämfört med bär), och C0 är den materiella skador på grund av ren korrosion beräknad från PD tester14,15. Observera att om C0 är mätt djup förlust per år från PD testet, är det viktigt att konvertera den till en motsvarande volymförlust per gång för korrekt beräkning av S.
, där h (x) är ytan höjden som en funktion av position x, och en är slitage spårabredden. Använda A, beräkna volymen slitage som 
(A är området tvärsnittsdata slitage, L är slitage spårlängd = 5 mm).Representative Results
Efter provning protokollet beskrivs ovan, den tribokorrosion (T) mäts på olika möjligheter. Figur 8 representerar materiell förlust erhålls för Al tunn film provet efter tribokorrosion på den katodiska (350 mV nedanför OCP), öppen krets, och anodisk (200 mV ovan OCP) potentiella. Testet utfördes i 3,5 wt.% NaCl vattenlösning för 5 min under 0,5 N normal belastning, på en 1 Hz glidande frekvens och 5 mm slaglängd. Före varje test OCP var stabiliserad för 20 min. figur 9 visas en sammanfattning av alla komponenter i eqn. 1, inklusive tribokorrosion Betygsätt (T), bära ränta (W0), korrosionshastigheten (C0) och slitage-korrosion synergy (S) av Al tunn film.
Figur 1 . Foto a opolerade och polerad Al samlingsprovet, (b) fast och målade bulk och (c) tunn film Al prov för provning av tribokorrosion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2 . (a) foto på framsidan av Bruker UMT maskinen utan skräddarsydda tribokorrosion cell. (b) Schematisk bild av tribokorrosion testa installationen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3 . Foto av specialtillverkade tribokorrosion cell installerad på UMT roterande scenen. Cellen är tillverkad av Teflon med en O-ring på bottenyta för att förhindra vätskeläckage under tribokorrosion test. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4 . Representativ potentiodynamic polarisering kurvor av Al bulk och tunn film efter 1 timme nedsänkning i 0,6 M NaCl-lösning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5 . Foto av tribokorrosion maskin under testning där indentor sonden går på prov ytan i ömsesidiga rörelse. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6 . Skannar elektronmikroskopi bild av slitage spår efter tribokorrosion test. De streckade linjerna representerar gränserna för slitage banan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7 . Typisk förslitning banprofil av Al tunn film efter tribokorrosion test erhålls genom profilometer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8 . Sammanfattning av tribokorrosion (T) Al tunna filmer vid olika tillämpad potential. Baren pilen representerar en standardavvikelse från alla upprepade testresultat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9 . Sammanfattning av tribokorrosion (T), bära ränta (W0), korrosionshastigheten (C0) och slitage-korrosion synergy (S) av Al tunna filmer. Baren pilen representerar en standardavvikelse från alla upprepade testresultat. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10 . Utvecklingen av korrosion potentiella under tribokorrosion testa av Al tunn film på OCP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11 . Utvecklingen av friktionskoefficienten (COF) under tribokorrosion testa av Al tunn film på OCP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 12 . Utvecklingen av korrosion som är aktuella under tribokorrosion test av Al tunn film på 200 mV ovan OCP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 13 . Sammanfattning av mekaniskt och kemiskt slitage av Al tunn film under tribokorrosion test på 200 mV ovan OCP. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
I området i närheten finns det flera kritiska steg inom detta protokoll. Första, korrekt förbehandling av proverna före tribokorrosion testerna är avgörande för att säkerställa bra tillförlitlighet utförs provningen och förbättra test repeterbarhet. Olika bulk legeringar är att vara förberedd efter olika förfaranden för att säkerställa en kontrollerad ytjämnhet och avlägsnande av surface föroreningar eller skalor. Proceduren som beskrivs här består av enbart mekanisk slipning och polering. Denna metod gäller generellt att legeringar med medium till hög hårdhet som Al, Ti, Ni, Cu-legeringar och stål. För mjukare legeringar såsom Mg legeringar, bör elektrokemiska polering eller ion fräsning kombineras med mekanisk polering för att uppnå önskade ytjämnheten. För det andra, för tunn film prov sputtring, upprätthålla en ultralåg (< 10-6 Torr) vakuum i sputtring kammaren är avgörande för att säkerställa låg defekt koncentration i deponerade filmen, vilket annars skulle påverka korrosionsbeständighet avsevärt. För det tredje, när du förbereder antingen bulk eller tunn film prover i arbetselektroden, det är viktigt att säkerställa en bra elektrisk anslutning mellan provet och den anslutande kabeln (Cu). I detta protokoll används konduktiv tejp eller ledande epoxy. Alternativt, lödning, punktsvetsning eller liknande tekniker kan användas. Men effekten av värme under svetsning på mikrostrukturen och så småningom tribokorrosion motståndet av prover måste utvärderas noggrant. Detta är särskilt viktigt för metaller och legeringar med låg smältpunkt. Slutligen, eftersom tribokorrosion innebär en tre-kroppen interaktion (inklusive de två organen i kontakt och tredje kroppen i mellan), är det viktigt att se till att en ny boll spets (eller ett nytt område av bollen spetsen) används när utför upprepade tribokorrosion test.
Det nuvarande protokollet utvärderar tribokorrosion rate genom att mäta materiella skador. Ändringar i detta protokoll kan göras enkelt att utvärdera depassivation och repassivation kineticsen av tribokorrosion. Detta uppnås genom att spåra den nuvarande och potentiella friktionskoefficient (COF) evolution under provningen. Som ett exempel visar figur 10 och 11 representativa resultat av utvecklingen av korrosion potential och COF respektive av Al tunn film efter tribokorrosion testa på OCP. Pilarna i figur 10 representerar början och avsluta av repor. Det kan ses att för passiv legeringar såsom Al, mekaniska störningar under tribokorrosion leder till lokala uppdelning och borttagning av passiva filmen på slitage banan och utsätta ett depassivated område som leder till en minskning av den potentiella av korrosionen ~ 20 mV. Vårt tidigare arbete16 visade att omfattningen av korrosion potentiella minskning är starkt relaterade till mikrostrukturen i metallen ges testning parametrarna (t.ex. tillämpas belastning, skjutbara hastighet, temperatur) är samma. För Al med högre hårdhet och finare mikrostruktur, kan samma tillämpad belastning leda till ett mindre depassivated område, därav mindre förändring i korrosion potentiella. Det noteras också att nuvarande är för låga för att upptäckas som kretsen är 'öppna' öppen krets-läge. Men kan nuvarande evolution under tribokorrosion test på påtvingade katodiskt eller anodisk potentialer övervakas. Ett exempel kan hittas i vårt tidigare arbete16. Figur 12 visar den nuvarande utvecklingen av Al tunn film under tribokorrosion på en påtvingad anodisk potential på 200 mV mer positiv än OCP. Denna anodisk potential valdes inom regionen passiva ändå långt under de gropfrätning potentialerna. Detta resultat kan användas för att kvantifiera slitage påskyndas korrosionen. I detta fall den totala materiella förlusten kan utvärderas som T = Vmech + Vchem, där Vmech och Vchem motsvarar bidraget av mekaniska och elektrokemiska materiell förlust, respektive. Specifikt, kan Vchem betraktas som följd av metall oxidation under anodisk tillämpad potential. Således kan det beräknas enligt Faradays lag som 17,18,19
, där Q är den elektriska laddningen (beräknas genom att multiplicera skillnaden mellan den genomsnittliga anodisk nuvarande under och före glidning av tiden), M är molekylvikten, n är oxidation valencen, F är Faradays konstant och ρ är tätheten av Al. figur 13 visar typiska resultatet av båda benämner för Al tunna filmer. Från ovanstående diskussion, kan det ses att en utvärdering av den elektrokemiska parametrar förändringen, förutom viktminskningen, således kommer att erbjuda kritisk insikt till depassivation kinetik under tribokorrosion.
Det protokoll som presenteras här bär också flera begränsningar. Första är cellen korrosion tillverkad av Teflon (polytetrafluoreten) eller liknande material. Alla tester utfördes således nära rumstemperatur. För applikationer som kräver högre temperatur (t.ex., över 400 ° C för kärn-reaktorn kärnar ur), en speciell korrosion cell och tips har att tillverkas som tål hög temperatur krypning och korrosion. Ytterligare säkerhet behövs också för hantering av smält salt elektrolyt och metalliska prover vid höga temperaturer. För det andra har tillbehöret av en referenselektrod nära arbetselektroden (prov) begränsat slitage förslaget att vara linjär ömsesidig. I applikationer där en roterande rörelse av provet krävs, har en särskild tribokorrosion setup utformas. För det tredje, i den nuvarande setup, slitage scratch är mycket snabbare än korrosionshastigheten. C0 bidrag är därmed försumbar jämfört med alla andra villkor. Medan korrosion själv inte ledde till betydande materiella skador under den begränsade tid som testning, är dess inverkan på S betydande. I verkliga applikationer där mekaniska scratch uppstår vid mycket lägre frekvenser, kan denna trend ändras där C0 kan bli dominerande. Slutligen har särskild omsorg ägnas åt fel genereras under provningen. Detta är särskilt viktigt för att utvärdera synergyen slitage-korrosion (S), som härrör från tribokorrosion ränta (T), slitage ränta (W0) och korrosionshastigheten (C0). Således kan fel ackumuleras. För att minimera fel genereras i T och W0, kan en beröringsfri 3D optisk profilometer (i stället för den kontakt 2D profilometer) används för att bestämma volymen totala materiella skador. För att minimera fel i C0, kan PD tester kombineras med icke-förstörande EIS (elektroimpedansspektroskopi) test för att utvärdera korrosion kurs20.
Som en sista anmärkning, tribokorrosion är inte en materiell egenskap, men snarare systemets svar som beror på parametrarna testning (tillämpad belastning, skjutbara hastighet, etc.), miljön (temperatur, pH, salthalt, etc.), och materialegenskaper (hårdhet, ytjämnhet, etc.). Det protokoll som presenteras här demonstreras med endast en uppsättning villkor. Läsarna bör överväga skillnaderna och anta lämpliga ändringar i provberedning, testa installationen och dataanalys när man arbetar med olika system. Alternativa tester setup inklusive pin på plattan (oscillerande), microabrasion, cylinder bar, et al. kan hittas i 21. Tribokorrosion är ett framväxande tvärvetenskapligt ämne. Förhoppningen är att detta protokoll kommer att underlätta utvärderingen av befintliga material såväl som design av nya material som är resistenta mot både slitage skador och korrosion nedbrytning. Sådana material som blivit alltmer efterfrågas i framtiden applikationer såsom avancerade medicintekniska produkter för implantation, nästa generations kärnkraftverk, och hög kapacitet snabbladdning batterier, etc., som alla kräver inte bara en stark och tuff material, men en som är robust och pålitlig när de interagerar med vissa mycket extrem miljö.
Disclosures
Författarna förklarar inget konkurrerande finansiella intressen.
Acknowledgments
Detta arbete var stöds av oss National Science Foundation Grant DMR-1455108 och CMMI-1663098.
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).
