在这里, 我们提出了一个协议, 以测量在室温下模拟海水中的薄膜和散装铝合金的 tribocorrosion 率和磨损腐蚀协同作用。
诸如航空航天和海洋工业、核系统、微电子、电池和生物医学设备等领域的服务条件日益复杂和严重, 对可靠的性能提出了巨大的挑战.在机械和电化学攻击共存的极端条件下接触的合金。因此, 在这种极端条件下, 寻找合金以减轻磨损和腐蚀的联合攻击 (即tribocorrosion) 的方法对于提高其可靠性和使用寿命非常关键。挑战在于磨损和腐蚀不是相互独立的, 而是协同工作以加速总的材料损耗。因此, 需要一种可靠的方法来评估金属和合金的 tribocorrosion 电阻。本文给出了一种在室温下腐蚀环境下测定铝基散装和薄膜样品的 tribocorrosion 率和磨损腐蚀协同性的协议。
Tribocorrosion 是一种材料降解过程, 由磨损和腐蚀的复合效应1,2。Tribocorrosion 发生在自然界和工业应用中, 机械接触和腐蚀性环境同时存在。tribocorrosion 的复杂性在于化学和机械降解机制不是相互独立的。由于协同作用, 机械和化学攻击的组合往往导致加速失败。因此, 总的材料损耗可以计算为 T = C0 + W0 + S (eqn 1), 其中 C0是材料损失造成的腐蚀在没有磨损, W0是由于机械磨损的材料损失在没有腐蚀, S 是由于磨损-腐蚀协同作用的物质损失3,4。与氧或水接触时, 铝、钛、不锈钢等无源合金的协同作用显著, 如铝合金、钛合金、和不锈钢等, 自发形成保护薄 (少量纳米厚度) 氧化物膜 (被动膜), 6。在腐蚀过程中, 如果这种被动薄膜在局部受到机械磨损的干扰, 钝化可能导致局部腐蚀和意外故障1、3、7、8, 9。
作为 tribocorrosion 在我们社会中的经济影响的一个例子, 磨损和腐蚀估计在美国每年花费近3000亿美元,10。在佛罗里达, 由于海洋经济 (捕鱼、海运和沿海建设), tribocorrosion 的结构合金在海水中的现象是有意义的, 它贡献了佛罗里达州11的国内生产总值的4% 左右。因此, 更好地理解金属和合金的 tribocorrosion, 将会在苛刻的环境服务条件下为合金的应用和使用提供更好的指导。这种理解还将有助于改进设计原则, 以制造新的合金和涂层对 tribocorrosion 和提高耐久性。
Tribocorrosion 研究需要摩擦和电化学测量系统的集成。摩擦提供受控机械载荷和相对运动, 并测量摩擦力和试样表面高度的变化。电化学测量系统包括具有零电阻电流表 (可选) 的恒电位仪/结合恒电流, 用于确定开路电位 (泛光) 和电化学极化测量。这种技术提供了一种快速、廉价的方法来获得材料的电化学性能, 在这种情况下, 通过观察电荷传递过程对受控电化学扰动的响应, 可以测量金属的腐蚀速率。.在这里, 我们提出了一个测试协议, 以确定的 tribocorrosion 率和磨损腐蚀协同的铝合金, 主要遵循 ASTM 标准 G1192。此协议包括样本准备、机器设置、tribocorrosion 测试和测试后计算过程。我们希望这一努力将有利于这些新的领域进行可靠和可重复的 tribocorrosion 测试, 以评估的变形和降解行为的散装和薄膜金属样品。
在此协议中有几个关键步骤。首先, 在 tribocorrosion 试验之前对样品进行适当的表面制备, 对于确保测试的可靠性和提高测试重复性至关重要。不同的散装合金将按照不同的程序准备, 以确保受控表面粗糙度, 并清除任何表面污染物或鳞片。此处描述的过程仅包括机械研磨和抛光。这种方法一般适用于中、高硬度合金, 如铝、钛、镍、铜合金和钢。对于镁合金等软合金, 电化学抛光或离子铣削应与机械抛光配合, 达到预期的表面粗糙度。其次, 对于薄膜样品溅射, 在溅射腔中保持超低 (< 10-6乇) 真空是保证沉积膜中低缺陷浓度的关键, 否则会影响镀层的耐腐蚀性。显著。第三, 在将散装或薄膜样品准备成工作电极时, 必须确保样品与连接 (铜线) 之间有良好的电连接。本协议采用导电胶带或导电环氧树脂。另外, 还可以使用焊接、点焊或类似技术。然而, 在焊接过程中加热对试样的显微组织和最终 tribocorrosion 电阻的影响必须仔细评估。这对于低熔点的金属和合金尤其重要。最后, 由于 tribocorrosion 涉及三体的相互作用 (包括接触的两个物体和中间的第三个物体), 在执行重复 tribocorrosion 测试时, 确保使用新的球尖 (或球尖的新区域) 是很重要的。
目前的协议通过测量材料损失来评估 tribocorrosion 率。通过对该协议的修改, 可以很容易地对 tribocorrosion 的钝化和钝化动力学进行评价。这是通过跟踪电流, 电位和摩擦系数 (COF) 的变化在测试过程中实现的。举例来说,图 10和11显示了 tribocorrosion 试验后铝薄膜的腐蚀电位和 COF 的演化的代表性结果。图 10中的箭头表示划痕的开始和结束。可以看出, 对于无源合金, 如 Al, 在 tribocorrosion 过程中的机械破坏导致磨损轨道上的被动薄膜局部击穿/去除, 并暴露出一个 depassivated 区域, 导致腐蚀电位降低 20 mV。我们早期的工作16表明, 由于试验参数 (如应用载荷、滑动速度、温度) 相同, 腐蚀电位降低的幅度与金属的显微结构密切相关。对于硬度较高、显微组织较细的铝, 同样的应用载荷可能导致较小的 depassivated 面积, 从而减小腐蚀电位的变化。还指出, 在开路模式下, 电流太低, 无法检测到电路是 “打开” 的。然而, 在施加阴极或阳极电位的 tribocorrosion 试验中, 目前的演变可以被监测。在我们以前的工作16中可以找到一个例子。图 12显示了铝薄膜在 tribocorrosion 过程中的当前演化过程, 其阳极电位为 200 mV, 比泛型更积极。这种阳极电位是在被动区内选择的, 但远远低于点蚀电位。该结果可用于量化磨损加速腐蚀。在这种情况下, 总的材料损失可以评估为 T = v机械+ v化学, 其中 v机电和 v化学对应于机械和电化学材料损失的贡献, 分别。具体来说, V化学可以被认为是由金属氧化产生的阳极应用电位。因此, 它可以计算法拉第定律为17,18,19, 其中 Q 是电荷 (计算通过乘以平均阳极电流在和之前的差异滑动的时间), M 是分子量, n 是氧化价, F 是法拉第常数, 而ρ是 al 的密度.图 13显示了两种铝薄膜术语的典型结果。从上述讨论中可以看出, 对电化学参数变化的评价, 除了减重外, 还将为 tribocorrosion 中的钝化动力学提供重要的洞察力。
这里提出的议定书也有若干限制。首先, 腐蚀细胞是由聚四氟乙烯 (聚四氟乙烯) 或类似材料制成的。因此, 所有的测试都是在室温附近进行的。对于需要更高温度的应用 (例如,核反应堆核心的400摄氏度以上), 必须制造一种特殊的腐蚀电池和尖端, 以经受高温蠕变和腐蚀。在高温下处理熔融盐电解质和金属样品也需要额外的安全。其次, 在工作电极附近的参考电极的附着 (试样) 限制了磨损运动为线性对等。在需要样品旋转运动的应用中, 必须设计一个特殊的 tribocorrosion 装置。第三, 在目前的设置, 磨损刮率比腐蚀率快得多。因此, 与所有其他条款相比, C0的贡献是微不足道的。虽然在有限的试验时间内, 腐蚀本身并没有导致重大的物质损失, 但其对 S 的影响是显著的。在现实世界中, 机械划痕在更低的频率下发生, 这种趋势可能会改变 C0可能成为主导地位的地方。最后, 必须特别注意在测试过程中产生的错误。这对于评价 tribocorrosion 率 (T)、磨损率 (W0) 和腐蚀率 (C0) 的磨损-腐蚀协同作用尤为重要。因而错误可以被积累。为了尽量减少在 T 和 W0中生成的错误, 非接触式3D 光学轮廓 (而不是接触2D 轮廓) 可以用来确定总的材料损耗量。为了减少 C0中的误差, PD 测试可以与非破坏性的 EIS (电化学阻抗谱) 测试结合, 以评估腐蚀率20。
作为最后的说明, tribocorrosion 速率不是物质属性, 而是一个系统的响应, 取决于测试参数 (应用负荷, 滑动速度等), 环境 (温度, pH 值, 盐浓度等), 和材料性能 (硬度、表面粗糙度等)。此处介绍的协议仅使用一组条件进行演示。在处理不同的系统时, 读者应考虑差异, 并在样本准备、测试设置和数据分析方面采取适当的改变。替代测试设置, 包括在板上的针脚 (往复), microabrasion, 缸在酒吧,等等, 可以在21找到。Tribocorrosion 是一个新兴的跨学科学科。希望这项议定书将有助于评估现有的工程材料以及设计抗磨损和腐蚀降解的新材料。这些材料在未来的应用中越来越被要求, 如先进的植入式医疗设备, 下一代核电厂, 以及高容量的快速充电电池等, 这些都不仅需要强大和强硬的材料, 但在与一些极端的环境进行交互时, 它是健壮可靠的。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到美国国家科学基金会赠款 DMR-1455108 和 CMMI-1663098 的支持。
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 |