Summary
Qui, presentiamo un protocollo per misurare la sinergia di tasso e usura-corrosione tribocorrosione di film sottile e alla rinfusa di leghe di in acqua di mare simulato a temperatura ambiente.
Abstract
La crescente complessità e la gravità delle condizioni di servizio in settori quali le industrie aerospaziali e marine, sistemi nucleari, microelettronica, batterie e dispositivi biomedicali, ecc., imporre grandi sfide sulle prestazioni affidabili di leghe di esposti a condizioni estreme dove coesistono attacco meccanica ed elettrochimica. Trovare modi per leghe mitigare l'attacco combinato di usura e corrosione (cioè, tribocorrosione) tali condizioni estreme è così altamente critico per migliorare la loro vita di servizio e affidabilità quando utilizzato in tali condizioni. La sfida sta nel fatto che usura e corrosione non sono indipendente uno da altro, ma piuttosto lavorare sinergicamente per accelerare la perdita di materiale totale. Quindi, è necessario un metodo affidabile per valutare la resistenza tribocorrosione di metalli e leghe. Qui, un protocollo per la misurazione la sinergia di tasso e usura-corrosione tribocorrosione di bulk basate su Al e campioni di film sottile in un ambiente corrosivo sotto temperatura ambiente è presentato.
Introduction
Tribocorrosione è un processo di degrado del materiale causato dall'effetto combinato di usura e corrosione1,2. Tribocorrosione si svolge sia nella natura che nelle applicazioni industriali dove sono presenti simultaneamente contatto meccanico e un ambiente corrosivo. La complessità di tribocorrosione sta nel fatto che chimica e meccanismi di degradazione meccanica non sono indipendenti uno da altro. Una combinazione di attacco meccanico e chimico spesso conduce a guasto accelerata, a causa di effetti sinergici. Pertanto, la totale perdita di materiale può essere calcolata come T = C0 + W0 + S (eqn. 1), dove C0 è la perdita di materiale è derivato dalla corrosione in assenza di usura, W0 è la perdita di materiale a causa di usura meccanica in assenza di corrosione , e S è la perdita di materiale a causa di usura-corrosione sinergia3,4. L'effetto sinergico è prominente per passive leghe come l'alluminio, titanio, e gli acciai inossidabili, che formano spontaneamente un protettivo sottile (pochi nanometri di spessore) ossido (pellicola passiva) della pellicola a contatto con l'ossigeno o acqua5, 6. Durante la corrosione, e se questo film passivo localmente è disturbato da usura meccanica, depassivazione potrebbe portare alla corrosione localizzata e guasti imprevisti1,3,7,8, 9.
Come esempio dell'impatto economico di tribocorrosione nella nostra società, usura e corrosione sono stimati a quasi $ 300 miliardi all'anno in Stati Uniti d'America10. In Florida, fenomeni di tribocorrosione di leghe strutturali in acqua di mare è di interesse dato la sua economia di oceano (pesca, trasporto marino e costiero costruzione), che contribuisce con circa il 4% del prodotto interno lordo totale di Florida11. Quindi, una migliore comprensione di tribocorrosione di metalli e leghe condurrà al meglio linee guida per l'applicazione e l'utilizzo di leghe in condizioni di servizio ambiente duro. Tale comprensione servirà anche a migliorare i principi di progettazione per la produzione di nuove leghe e rivestimenti contro tribocorrosione e migliorare la durata nel tempo.
Tribocorrosione studi richiedono l'integrazione di un tribometro e un sistema di misurazione elettrochimica. Il tribometro fornisce al carico meccanico controllato e moto relativo e misura la forza di attrito e campione modifica dell'altezza di superficie. Il sistema di misura elettrochimica comprende un potenziostato/feocromocitoma con amperometro a zero-resistenza (opzionale) che determina la potenziale a circuito aperto (OCP) e misure di polarizzazione elettrochimica. Tali tecniche forniscono un metodo rapido ed economico per ottenere la proprietà elettrochimiche di un materiale, dove il tasso di corrosione di un metallo può essere misurato osservando la risposta del processo di trasferimento di carica ad una dispersione controllata elettrochimica . Qui, presentiamo un protocollo di prova per determinare la sinergia tribocorrosione di tasso e usura-corrosione delle leghe di Al, seguendo principalmente la norma ASTM G1192. Questo protocollo include la preparazione del campione, setup macchina, tribocorrosione test e procedure di calcolo post-test. Speriamo che questo sforzo particolare quelli nuovi al campo per eseguire prove di tribocorrosione affidabile e ripetibile per valutare il comportamento di deformazione e degradazione di massa come pure campioni metallici a film sottile.
Protocol
Attenzione: Si prega di consultare tutti i materiali pertinenti schede dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Alcune sostanze chimiche utilizzate nel protocollo sono tossici. Si prega di utilizzare tutte le pratiche di sicurezza adeguati durante gli esperimenti, compreso l'uso di controlli tecnici (cappa) e dispositivi di protezione individuale (occhiali di sicurezza, guanti, camice, pantaloni lunghi e scarpe chiuse). La macchina CNC (Computer Numerical Control) dovrà essere operata da personale addestrato. Acido fluoridrico devono essere gestito all'interno di una cappa aspirante che viene identificata con un cartello che indica "Pericolo, acido fluoridrico utilizzato in quest'Area" o simili.
1. preparazione del campione
Nota: Adeguata preparazione della superficie dei campioni prima del test tribocorrosione è fondamentale per garantire buona affidabilità della prova eseguita e migliorare la ripetibilità del test. In questo protocollo, una lega 3003 Al commerciale (Si: 0.1, Fe: 0,4, Cu: 0.08, Mn: 1,1 wt.%, bilanciare Al) viene utilizzato come esempio.
- Preparazione del campione metallico di massa
- Tagliato come ricevuto Al 3003 leghe (in seguito denominate Al) in parecchi 1,5 coupon di2 di cm × 2, utilizzando una macchina CNC.
- Macinare meccanicamente un lato della superficie del campione usando la carta vetrata con crescente numero di grana (n. 180, 240, 400, 600 e 1200).
- Macinare il campione utilizzando carta vetrata #180 per 30 s lungo una direzione arbitraria.
- Ruotare il campione 90 ˚ e macinatelo utilizzando carta vetrata #240 fino a quando le linee di zero dal passaggio precedente sono completamente eliminate. Utilizzare un microscopio ottico per facilitare l'ispezione.
- Ripetere la procedura di rotazione del campione e spostare la carta successiva rettifica. Utilizzare una spazzola morbida tra i passaggi per pulire la superficie del campione in acqua corrente per eliminare eventuali contaminazioni dal passaggio precedente.
- Dopo macinazione, lucidare la superficie del campione con diverse dimensioni di allumina ad alta viscosità lucidatura sospensione (1 µm, 0,3 µm e 0,05 µm) su cuscinetti di panno in microfibra. Utilizzare un pad panno diverso per ogni dimensione di composto.
- Versare ~ 1 oz di sospensione di allumina di 1 µm (10-30% di allumina, 0,6-1% vetro di silice, 70-90% di acqua) su un pad panno pulito. Polacco il campione in una direzione o disegnare una forma di "8" (evitare il disegno di una forma di '0') fino alla rimozione delle linee zero dal passaggio precedente.
- Ripetere per 0,05 e 0,3 µm lucidatura sospensione (10-30% di allumina, 0,6-1% vetro di silice, 70-90% di acqua) fino a raggiungere uno specchio finitura.
- Collocare il campione lucidato in un becher con 40 mL di acqua deionizzata (DI) e porre il becher in un pulitore ad ultrasuoni per 1-2 min per rimuovere eventuali particelle di superficie. Utilizzare gas compresso per asciugare completamente la superficie. Figura 1a Mostra un esempio di un rozzo vs un lucido Al campione.
- Tagliato a 5 cm di lunghezza, ~ filo elettrico del diametro di 1-2 mm e striscia via la plastica protettiva cover (~ 1 cm di lunghezza) su entrambe le estremità per esporre all'interno del Cu all'aria.
- Elettricamente collegare un'estremità del filo sul retro (lato non lucidato) del campione utilizzando un nastro conduttivo o resina epossidica conduttrice. Se utilizzando resina epossidica conduttrice, seguire la raccomandazione del produttore fino a completa guarigione.
- Utilizzare elettrochimica sosta lacca per dipingere un ~ 1 × 1 finestra di2 cm sul lato lucido e lato posteriore completo del campione. Per il lato posteriore, dipingere il filo Cu esposto.
- Essiccare il campione verniciato completamente in una cappa di ben ventilato per almeno 24 h prima degli esperimenti. Figura 1b Mostra un esempio del campione globale dipinta, che è usato come elettrodo per le prove di corrosione e tribocorrosione di lavoro.
- Preparazione del campione di film sottile
Nota: Film sottili metallici depositati su un substrato piatto come vetro, wafer Si e altre di piastra metallica utilizzando tecniche di non-equilibrio lavorazione quali deposizione fisica da vapore ed elettrodeposizione può essere utilizzato per tribocorrosione test dopo aver corretto preparazione. Qui un esempio di film sottile depositato sul substrato Si a magnetron-polverizzato Al-Mn viene utilizzato come esempio per spiegare i passaggi critici.- Lucidare un wafer di Si (100 mm di diametro) con 01:50 soluzione acquosa di acido fluoridrico per 2 min rimuovere qualsiasi strato di ossidazione superficiale.
- Pulire la cialda Si con etanolo al 95%. Quindi asciugare con aria compressa e trasferirlo direttamente in un camera a vuoto macchina di polverizzazione del magnetron.
- Azionare la macchina sputtering a 80 W di potenza ingresso sotto un 5 mTorr argon atmosfera (99,99%)1. Crescere un ~ 2-3 µm spessore Al-20% Mn film (in seguito denominata Al film sottile) utilizzando un bersaglio di Al-Mn in macchina sputtering.
- Spin cappotto un sottile strato protettivo di un photoresist positivo (~ 10 mL per un wafer di Si di 100 mL) sul lato depositato di Si di wafer e tagliatela a dadini in buoni sconto di2 diversi di 1,5 × 2 cm.
- Immergere il campione a dadini in acetone per 1 min rimuovere completamente lo strato protettivo. Sciacquare dall'alcool e infine asciugarlo con aria compressa.
- Seguire i passaggi 1.1.5 e 1.1.8 per eseguire un allacciamento elettrico e dipingere la superficie del campione per test di tribocorrosione. C nella figura 1 viene illustrato un esempio di un campione di film sottile dipinto.
2. tribocorrosione Test
- Setup macchina tribocorrosione
- Eseguire un test di tribocorrosione mediante una cella di corrosione appositamente installata su un tester meccanico universale (UMT) come mostrato nella Figura 2a. Utilizzare lo schema di tribocorrosione test installazione come illustrato nella Figura 2b. La figura 3 Mostra la cella di corrosione appositamente installata sul palco rotante UMT. La risoluzione di rilevamento forza è µN 50 e 50 mN per caricare gli intervalli di 5-500 mN e 10-1000 N, rispettivamente.
- Per la misura elettrochimica, utilizzare risoluzione corrente di 2 x 10-17 Amp e impedenza di ingresso Ω14 10.
- Principio di misurazione del tasso tribocorrosione
- Misura della resistenza di tribocorrosione secondo la norma ASTM G1192, dove la perdita di materiale totale T = C0 + W0 + S (Vedi introduzione per i dettagli).
- Misurare la corrosione tasso C0 dal test potenzio-dinamici.
- Misurare il tasso di usura pura W0 durante la polarizzazione catodica da tribocorrosione test. Applicare una configurazione di palla-su-disco usando una palla di allumina per imporre reciproca usura meccanica nella gamma del carico di mN a pochi N.
- Per l'esempio di film sottile, scegliere un adeguato carico normale. Questo assicura che la deformazione plastica è confinata all'interno la superficie superiore in modo che lo spessore del campione depositato è abbastanza grande per assomigliare il comportamento del materiale alla rinfusa vero. Tale stima può essere fatto utilizzando teoria contatto hertziano12.
- Misurare il tasso di tribocorrosione T da tribocorrosione test a OCP.
- Calcolare la sinergia S da misurazioni ed equazione 1 di cui sopra.
- Misura della resistenza di tribocorrosione secondo la norma ASTM G1192, dove la perdita di materiale totale T = C0 + W0 + S (Vedi introduzione per i dettagli).
- Test di misurazione della corrosione tasso C0 da potenzio-dinamici (PD)
- Preparare l'elettrodo di lavoro (vale a dire, alla rinfusa o il provino metallico sottile pellicola sotto analisi). Pulire la superficie del metallo con l'acetone, seguita da etanolo al 95%.
- Pulire le celle di corrosione prima di ogni corsa di corrosione. Scrub alla cella con detergente e sciacquare abbondantemente con acqua di rubinetto. Ripetere l'operazione 3 volte.
- Sciacquare la cella di corrosione 3 volte con acqua deionizzata (DI) per rimuovere i potenziali contaminanti trovati in acqua di rubinetto.
- Versare 100 mL di etanolo al 95% la cella di corrosione e turbinano attorno a contattare tutte le superfici interne. Versare l'etanolo e ripetere questa operazione 3 volte.
- Lasciare la cella di corrosione sotto una cappa aspirante per 30 min consentire tutti i etanolo completamente evaporare.
- Prendere la cella di corrosione pulito, asciutto e sciacquare con l'elettrolito che verrà utilizzato per eseguire la corrosione. Per ogni risciacquo, riempire la cella di corrosione con 40 mL di elettrolita e ripetere l'operazione 3 volte. Per questo protocollo, sciacquare la cella di corrosione con 3,5 wt % (0,6 M), soluzione acquosa di pH ≈ 7 cloruro di sodio (cioè, simulato acqua di mare).
- Dopo il risciacquo, è possibile riempire la cella di corrosione con 40 mL di elettrolita pronto per la reazione.
- Impostare la configurazione di tre elettrodi. Utilizzare l'esempio di Al, una standard Ag/AgCl e una maglia di titanio attivato come il lavoro, il riferimento e il controelettrodo rispettivamente.
- Posizionare l'elettrodo di lavoro al centro nella parte inferiore della cella corrosione e colla parte inferiore utilizzando colla super. Posizionare la punta del filo Cu esposto sopra l'altezza della superficie dell'elettrolito previsto.
- Posizionare l'elettrodo di riferimento ~ 1cm sopra l'elettrodo di lavoro.
- Senza bloccare piegare il controelettrodo per avvolgere attorno al campione in esame (elettrodo di lavoro). La distanza tra il contatore e l'elettrodo di lavoro è ~ 2-4 cm.
- Collegare gli elettrodi con il potenziostato. Assicurarsi che gli elettrodi non si toccano.
- Aprire il pacchetto di software elettrochimici, che si interfaccia con il potenziostato USB controllata. Accendere il potenziostato.
- Aprire e utilizzare la Misurazione vista per visualizzare le letture attuali e potenziali dell'ambiente di corrosione. Durante l'OCP fase dove nessuna rampa potenziale è ancora applicata la lettura corrente tra la lavorazione (potenziale positivo) e controelettrodo (negativo) è intorno a 0 ± 0,01 µA.
- Lasciare il campione per equilibrare e stabilizzare a OCP all'interno dell'ambiente di cella di corrosione. La durata di tempo per questo varia (1 a 6 h) e dipende dal materiale testato. Monitorare il potenziale utilizzando Vista misurazione per determinare se una condizione stabilizzata (cioè, un potenziale cambiamento di meno di 50 mV per oltre mezz'ora) è raggiunto.
- Eseguire il test di corrosione. Dopo la stabilizzazione del potenziale di corrosione (Ecorr), rampa il potenziale applicato nella direzione positiva rispetto all'elettrodo di riferimento.
- Selezionare la procedura di potenziostato voltammetria ciclica all'interno della visualizzazione di installazione da scheda procedura attiva i seguenti parametri da campionare per la corrosione eseguita: tempo, lavoro potenziale di elettrodo (noi) e attuale per la corrosione eseguita.
- Selezionare l'opzione per automatizzare l'attuale gamma. Impostare la massima corrente nell'intervallo da 10 mA e la corrente più bassa nell'intervallo da 10 nA per il WE.
- Garantire che la selezione finale Cut-off è controllata attraverso il potenziale impostando il parametro 'ciclo retro' a 0,8 mV per consentire il ciclo di isteresi completare.
- OCP record dalla vista misurazione nella casella di testo di parametro OCP. Impostare l'inizio potenziale a 100 mV sotto il valore registrato di OCP. Impostare il vertice superiore potenziali a 800 mV, il vertice inferiore a 100 mV sotto il potenziale di inizio e il potenziale di arresto a 100 mV sotto il vertice inferiore potenziale. Impostare la frequenza di scansione a 0.167 mV/s (standard ASTM).
- Premere il tasto start. Dopo poche ore, la prova di corrosione è finita.
- Visualizzare i risultati nel software.
Nota: Microscopia ottica viene eseguita dopo ogni test. Scartare i campioni che presentano alcuna indicazione di corrosione interstiziale sotto la lacca di sosta. I risultati per ogni condizione di test devono essere ripetuti almeno tre volte. La figura 4 Mostra i risultati rappresentativi di bulk e film sottile Al dopo test di PD in 3,5 wt.% soluzione acquosa di NaCl al pH ≈ 7. - Determinare il potenziale di corrosione (Epit) della prova del PD come il potenziale in cui un rapido aumento della corrente di corrosione ha avuto luogo (Figura 4).
- Ottenere un valore nominale del versante di polarizzazione catodica (βc) inserendo una linea retta alla parte della curva di polarizzazione che corrisponde ai potenziali più di 50 mV inferiore Eoc.
- Ottenere un valore nominale del versante polarizzazione anodica (βun) allo stesso modo utilizzando la parte della curva che è iniziato alle potenzialità > 50 mV superiore Eoc e si è conclusa Efossa.
- Estrapolare entrambi di queste tendenze Eoc e media adatto di entrambi per ottenere una densità di corrente di corrosione nominale (hocorr) (Figura 4).
- Calcolare la corrosione tasso C0 dalla corrosione corrente hocorr mediante conversione di Faraday (1 µA.cm-2≈ 10,9 µm/y) supponendo che la corrosione uniforme con la formazione di Al3 +. Equazione di Faraday è R = M/nFP(icorr), dove R è il tasso di corrosione, iocorr è la corrosione corrente misurata dal test PD, M è il peso atomico del metallo, P è la densità, n è il numero di carica che indica il numero di elettroni scambiati all'interno di reazione di dissoluzione e F è il equivalente costante di Faraday a 96.485 C/mol M/n è l'equivalente in peso.
- Misurazione del tasso di usura W0 da prova di protezione catodica
Nota: Per misurare il tasso di usura, una palla di allumina con diametro di 4 mm viene utilizzata come il corpo di contatore a zero sulla superficie del campione mentre il campione viene immerso nella soluzione, come illustrato nella Figura 5. Di seguito è la procedura della prova di protezione catodica.- Eseguire passaggi da 2.3.1 a 2.3.13 nella sezione 2.3.
- Muovere la sonda penetratore verso la superficie del campione più vicino possibile (1 mm di distanza dalla superficie del campione). Assicurarsi che il penetratore rimanga vicino al centro del campione e non c'è nessun contatto elettrico tra gli elettrodi, la sonda e la superficie del campione.
- Spostare il penetratore alto avanti per 200 mm. Pour la soluzione acquosa di NaCl 3,5 wt.% nella cella di corrosione, fino a quando tutta la superficie dell'elettrodo, sonda e campione sono immersi.
- Muovere la sonda penetratore verso la superficie del campione più vicino possibile. Collegare gli elettrodi con il potenziostato.
- Aprire il pacchetto di software elettrochimici, che si interfaccia con il potenziostato USB controllata. Accendere il potenziostato.
- Selezionare esperimento Mostra DC corrosione e scegliete modalità potenziostatica .
- Applicare un potenziale catodico di 350 mV sotto OCP. Questo potenziale catodico (350 mV sotto OCP) viene scelto per evitare la reazione di evoluzione di idrogeno durante scorrevole, che potrebbe condurre ad infragilimento dei campioni13. Il potenziale iniziale e finale potenziale è-350 mV vs Eoc. Il tempo totale sperimentale è 1.800 s compreso 300 s di tempo di grattarsi.
- Impostare la prova di usura dal software UMT applicando 1 Hz frequenza gratta e Vinci, gratta e Vinci lunghezza 5 mm e 0,5 N normale carico. Premere il pulsante Run nel sistema di usura per iniziare il tribocorrosione. Nota, la frequenza di gratta e Vinci, gratta e Vinci lunghezza e carico applicato stanno testando i parametri che possono essere variati in base allo scopo dell'esperimento.
- Dopo 1.800 s, il test è finito. Visualizzare i risultati nel software UMT. Per il test affidabile, ripetere i test sotto la stessa condizione per almeno tre volte.
- Utilizzare un profilometro superficiale per misurare la profondità della traccia di usura da almeno tre diverse posizioni lungo la traccia di usura per ogni campione. La direzione della scansione è verticale alla linea di zero e la lunghezza di scansione è maggiore della larghezza di usura pista (Vedi Figura 6). Il raggio dello stilo Profilometro è di 5 micron, la forza di stilo è di 3 mg e la risoluzione di scansione è 0,028 µm/campione.
- Esportare i dati di misura di profilo. Utilizzare software per integrare direttamente la profondità sotto la superficie mai indossata (area ombreggiata nella Figura 7).
- Calcolare l'area della sezione trasversale usura come
, dove h (x) è l'altezza della superficie in funzione della posizione x e una è la larghezza di pista di usura. Utilizzando A, calcolare il volume di usura come 
(A è l'area della sezione trasversale usura, L è la lunghezza della traccia di usura = 5 mm). - Infine, calcolare l'usura tasso W0 come W0= V/Ltot, dove Ltot è la distanza di scorrimento totale.
- Misura del tasso di tribocorrosione T da tribocorrosione prova a OCP
- Seguenti passaggi 2.4.1-2.4.8 tranne nel passaggio 2.4.6, impostare il potenziale applicato durante il test come l'OCP.
- Una volta completato il test, attenersi alla seguente passaggio 2.4.10 per calcolare T, dove T = V/Ltot.
- Calcolo della sinergia di usura-corrosione S
- Dopo aver eseguito tutti i passaggi precedenti, è necessario calcolare la sinergia di usura-corrosione come S = T-W0- C0, dove T è la totale perdita di materiale misurata a OCP, W0 è la perdita di materiale misurata al potenziale catodico principalmente a causa di usura meccanica ( dove la corrosione diventa trascurabile rispetto all'usura), e C0 è la perdita di materiale a causa della corrosione pura stimata da PD test14,15. Notare che se C0 è misurata in termini di perdita di profondità/anno dal test PD, è importante per convertirlo in una perdita di volume equivalente al tempo per il corretto calcolo della S.
, dove h (x) è l'altezza della superficie in funzione della posizione x e una è la larghezza di pista di usura. Utilizzando A, calcolare il volume di usura come 
(A è l'area della sezione trasversale usura, L è la lunghezza della traccia di usura = 5 mm).Representative Results
In seguito il protocollo di prova descritto in precedenza, il tasso di tribocorrosione (T) è misurato a vari potenziali. Figura 8 rappresenta la perdita di materiale ottenuta per il campione di film sottile Al dopo tribocorrosione presso il catodica (350 mV sotto OCP), circuito, aperto e anodica (200 mV sopra OCP) potenziali. Il test è stato effettuato in 3,5 wt.% soluzione acquosa di NaCl per 5 min con carico normale di 0,5 N, a un 1 Hz frequenza e 5 mm di lunghezza della corsa di scorrimento. Prima di ciascun test, la OCP è stato stabilizzato per 20 min la figura 9 Mostra il riepilogo di tutti i componenti di eqn. 1, compreso il tribocorrosione tariffa (T), tasso di usura (W0), velocità di corrosione (C0) e sinergia di usura-corrosione (S) Al film sottile.
Figura 1 . Foto di campione Al globale (a) non lucidato e lucidato, verniciato e (b) via cavo massa e (c) sottile pellicola Al campione per il test di tribocorrosione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . (a) la foto della parte anteriore della macchina Bruker UMT senza cella tribocorrosione su misura. (b) schema di tribocorrosione test di installazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Foto di tribocorrosione su misura cella installata sul palco rotante UMT. La cella è effettuata in Teflon con un o-ring sulla superficie inferiore per evitare perdite di liquida durante il test di tribocorrosione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Curve di polarizzazione potenzio-dinamici rappresentante Al bulk e film sottile dopo l'immersione di 1 ora in 0.6 M NaCl soluzione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5 . Foto di tribocorrosione macchina durante i test in cui si muove la sonda penetratore sulla superficie del campione in movimento reciproco. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 6 . Scansione immagine di microscopia elettronica della pista usura dopo tribocorrosione test. Le linee tratteggiate rappresentano i limiti della traccia di usura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 7 . Profilo della pista usura tipica Al film sottile dopo tribocorrosione prova ottenuta da profilometro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 8 . Riepilogo di tribocorrosione aliquota (T) Al film sottili a diverso potenziale applicato. Il bar freccia rappresenta una deviazione standard da tutti i risultati dei test ripetuti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 9 . Riepilogo di tasso di tribocorrosione (T), tasso di usura (W0), velocità di corrosione (C0) e sinergia di usura-corrosione (S) di film sottili Al. Il bar freccia rappresenta una deviazione standard da tutti i risultati dei test ripetuti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 10 . Evoluzione del potenziale durante tribocorrosione di corrosione prova della pellicola sottile Al OCP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 11 . Evoluzione del coefficiente di attrito (COF) durante tribocorrosione test di Al thin film al OCP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 12 . Evoluzione di corrosione corrente durante test di tribocorrosione Al film sottile a 200 mV sopra OCP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 13 . Riepilogo di usura meccanica e chimica Al film sottile durante tribocorrosione prova a 200 mV sopra OCP. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Ci sono diversi passaggi critici all'interno di questo protocollo. In primo luogo, adeguata preparazione della superficie dei campioni prima del test tribocorrosione è fondamentale per garantire buona affidabilità della prova eseguita e migliorare la ripetibilità del test. Leghe di diversa massa devono essere preparati seguendo diverse procedure per garantire una rugosità controllata e rimozione di eventuali contaminanti di superficie o scale. La procedura qui descritta è costituito da esclusivamente meccanici di levigatura e lucidatura. Questo metodo si applica generalmente alle leghe con medio-alta durezza come Al, Ti, Ni, Cu leghe e acciaio. Per le leghe più morbide come le leghe di Mg, elettrochimica fresatura lucidatura o dello ione dovrebbe essere accoppiato con lucidatura meccanica per ottenere la rugosità di superficie desiderata. In secondo luogo, per esempio di film sottile sputtering, mantenendo un bassissimo (< 10-6 Torr) vuoto nella camera di sputtering è fondamentale per garantire la concentrazione bassa di difetto nel film depositato, che altrimenti comprometterebbe la resistenza alla corrosione in modo significativo. In terzo luogo, quando si prepara alla rinfusa o campioni di film sottile nell'elettrodo di lavoro, è importante garantire un buon collegamento elettrico tra il campione e il cavo di collegamento (Cu). In questo protocollo, viene utilizzato il nastro conduttivo o resina epossidica conduttrice. In alternativa, saldatura, saldatura a punti o tecniche simili possono essere utilizzati. Tuttavia, l'effetto del riscaldamento durante la saldatura sulla microstruttura e alla fine la resistenza tribocorrosione di campioni deve essere valutati attentamente. Ciò è particolarmente importante per metalli e leghe con basso punto di fusione. Infine, poiché tribocorrosione comporta un'interazione di tre corpi (tra cui i due corpi in contatto e il terzo corpo in mezzo), è importante garantire che una nuova punta a sfera (o una nuova area della punta della palla) viene utilizzata quando esecuzione ripetuto tribocorrosione test.
L'attuale protocollo valuta Tasso tribocorrosione misurando la perdita di materiale. Modifiche del presente protocollo possono essere facilmente effettuate per valutare la cinetica depassivazione e repassivation di tribocorrosione. Ciò si ottiene monitorando la corrente, il potenziale e il coefficiente di attrito (COF) evoluzione durante il test. Ad esempio, Figura 10 e 11 mostrano risultati rappresentativi dell'evoluzione del potenziale di corrosione e COF rispettivamente, Al film sottile dopo tribocorrosione prova a OCP. Le frecce nella Figura 10 rappresentano l'inizio e fine di graffiare. Si vede che per leghe passive come Al, la rottura meccanica durante tribocorrosione conduce a guasto/rimozione locale del film passivo sulla traccia di usura ed esponendo una zona depassivated che conduce ad una diminuzione del potenziale di corrosione ~ 20 mV. Il nostro precedente lavoro16 ha mostrato che la grandezza di riduzione potenziale di corrosione è fortemente legata alla microstruttura del metallo dato che i parametri di prova (per esempio, applicato il carico, velocità di strisciamento, temperatura) sono gli stessi. Al con maggiore durezza e la microstruttura più fine, il carico applicato stesso può portare a un'area più piccola depassivated, quindi più piccolo cambiamento nel potenziale di corrosione. Si è anche notato che durante la modalità di circuito aperto, la corrente è troppo bassa per essere rilevata come il circuito è 'aperto'. Tuttavia, l'attuale evoluzione durante tribocorrosione prova a potenziali catodici o anodici imposti può essere monitorato. Un esempio può essere trovato nel nostro precedente lavoro16. La figura 12 Mostra l'attuale evoluzione del film sottile Al durante tribocorrosione presso un potenziale anodico imposto di 200 mV più positivo di OCP. Questo potenziale anodico è stato selezionato all'interno della regione passiva ancora ben di sotto dei potenziali puntinatura. Questo risultato può essere utilizzato per quantificare la corrosione usura accelerata. In questo caso, la totale perdita di materiale può essere valutata come T = Vmech + Vchem, dove Vmech e Vchem corrisponde al contributo delle meccanica ed elettrochimica perdita materiale, rispettivamente. In particolare, Vchem può considerarsi derivanti dall'ossidazione del metallo sotto anodica potenziale applicato. Così può essere calcolato dalla legge di Faraday come 17,18,19
, dove Q è la carica elettrica (calcolata moltiplicando la differenza tra la corrente anodica media prima e durante scorrevoli per il momento), M è il peso molecolare, n è la valenza di ossidazione, F è la costante di Faraday e ρ è che la densità di altri Figura 13 Mostra il risultato tipico di entrambi i termini Al film sottili. Dalla discussione di sopra, si vede che una valutazione del cambiamento di parametri elettrochimici, oltre alla perdita di peso, offrirà così comprensione critica per la cinetica di depassivazione durante tribocorrosione.
Il protocollo presentato qui reca anche diverse limitazioni. In primo luogo, la cella di corrosione è stata effettuata in Teflon (politetrafluoroetilene) o materiale simile. Così, tutte le prove sono state eseguite a temperatura ambiente. Per applicazioni che richiedono la più alta temperatura (ad es., sopra i 400 ° C per core del reattore nucleare), una cella di corrosione speciale e punta devono essere fabbricati che in grado di resistere allo scorrimento ad alta temperatura e corrosione. Sicurezza supplementare è necessario anche per la gestione dell'elettrolito sale fuso e campioni metallici ad alte temperature. In secondo luogo, l'allegato di un elettrodo di riferimento vicino all'elettrodo di lavoro (esempio) ha limitato il movimento di usura ad essere lineare reciproca. Nelle applicazioni dove è richiesto un movimento rotatorio del campione, una configurazione speciale tribocorrosione deve essere progettata. In terzo luogo, nella configurazione attuale, il tasso di usura di gratta e Vinci è molto più veloce rispetto al tasso di corrosione. Quindi il contributo di C0 è trascurabile rispetto a tutti gli altri termini. Mentre corrosione stessa non ha portato a notevoli perdite di materiale durante il periodo di prova limitato, il suo effetto su S è significativo. Nelle applicazioni del mondo reale dove abrasione meccanica si verifica alle frequenze molto inferiori, questa tendenza potrebbe cambiare dove C0 può diventare dominante. Infine, particolare attenzione deve essere pagato per gli errori generati durante la prova. Ciò è particolarmente importante per valutare la sinergia di usura-corrosione (S), che deriva dal tasso di tribocorrosione (T), tasso di usura (W0) e velocità di corrosione (C0). Così gli errori possono essere accumulati. Per ridurre al minimo gli errori generati in T e W0, un profilometro ottico 3D senza contatto (anziché il contatto profilometro 2D) utilizzabili per determinare il volume totale perdita di materiale. Per minimizzare l'errore in C0, PD test può essere accoppiato con EIS (spettroscopia di impedenza elettrochimica) test non-distruttivo per valutare il tasso di corrosione20.
Come nota finale, tribocorrosione tasso non è una proprietà del materiale, ma piuttosto di un sistema di risposta che dipende i parametri di prova (il carico è stato applicato, scorrevoli di velocità, ecc.), l'ambiente (temperatura, pH, concentrazione salina, ecc.), e Proprietà del materiale (durezza, rugosità, ecc.). Il protocollo presentato qui è dimostrato utilizzando un solo set di condizione. I lettori dovrebbero considerare le differenze e adottare modifiche appropriate in preparazione del campione, installazione di test e analisi dei dati, quando si tratta di sistemi diversi. Alternativi tra cui installazione collaudo pin su piastra (alternativo), microabrasione, cilindro sul bar, et al. può essere trovato a 21. Tribocorrosione è un oggetto interdisciplinare emergente. Si spera che questo protocollo intende favorire sia la valutazione di ingegneria dei materiali esistenti, nonché la progettazione di nuovi materiali resistenti alla degradazione di danni e corrosione sia usura. Tali materiali diventano sempre più richiesto in futuro applicazioni quali avanzati dispositivi medici impiantabili, prossima generazione centrali nucleari e ad alta capacità veloce ricarica batterie, ecc., che richiedono non solo un forte e duro materiale, ma uno che è robusto e affidabile quando si interagisce con un ambiente molto estremo.
Disclosures
Gli autori non dichiarano concorrenti interessi finanziari.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato supportato dal US National Science Foundation Grant DMR-1455108 e 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
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