여기, 우리는 박막의 tribocorrosion 속도 마모 부식 시너지 효과 측정 하 여 실 온에서 시뮬레이션된 해 수에 알 합금 대량 프로토콜을 제시.
증가 복잡성과 항공 우주 및 해양 산업, 핵 시스템, 반도체, 배터리, 그리고 생물 의학 장치, 등, 같은 분야에서 서비스 조건의 엄격의 신뢰할 수 있는 성능에 큰 과제를 부과 합금 기계 및 전기 공격은 공동 존재 하는 극한 상황에 노출. 마모 및 부식 같은 극단적인 조건에서 (즉, tribocorrosion)의 결합된 공격을 완화 하는 합금에 대 한 방법을 찾기는 이렇게 그들의 안정성 및 서비스 수명 향상을 위한 매우 중요 한 조건에서 사용 될 때. 도전 입는 사실에 속이 고 부식, 서로 독립적으로 하지만 오히려 총 재료 손실을 속하는 공동 성으로 작동. 따라서, 금속 및 합금의 tribocorrosion 저항을 평가 하는 신뢰할 수 있는 방법은 필요 하다. 여기, 알 기반 대량 및 실 온에서 부식성 환경에서 박막 샘플의 tribocorrosion 속도 마모 부식 시너지 효과 측정 하기 위한 프로토콜 제공 됩니다.
Tribocorrosion 마모 및 부식1,2의 결합된 효과로 인 한 소재 저하 과정 이다. Tribocorrosion 일어난다 자연에서 및 산업 신청에서 기계적인 접촉 그리고 부식성 환경은 동시에 존재. Tribocorrosion의 복잡성에서에서 속 인 다는 사실 그 화학 그리고 기계적 열화 메커니즘은 서로 독립적입니다. 종종 기계 및 화학 공격 조합 synergetic 효과 인해 가속된 실패, 이끌어 낸다. 따라서, 총 재료 손실을 T으로 계산할 수 있다 = C0 + W0 + S (eqn. 1), C0 가 착용의 부재에 부식 으로부터 소재 손실 결과, W0 은 기계적 마모 부식의 부재에 따른 재료 손실 S는 마모 부식 시너지3,4인 소재 손실. Synergetic 효과 수동 합금 알루미늄, 티타늄, 등 저명한 이며 자연 보호 형성 스테인리스 얇은 (몇 나노미터 두께에서) 산화 산소 접촉 시 (수동 필름) 영화 또는5, 물 6. 부식, 동안 depassivation 이어질 수 있는 지역화 된 부식 및 예기치 않은 오류1,3,,78, 경우이 수동 필름 로컬로 기계적 마모에 의해 교란 된다, 9.
우리 사회에서 tribocorrosion의 경제적 영향의 예를 들어, 마모 및 부식 미국10년 당 거의 $300 십억을 요하기 위하여 견적 된다. 플로리다에서 바닷물에 구조 합금의 tribocorrosion 현상 바다 경제 (낚시, 해상 교통, 그리고 해안 건설), 주위 플로리다의 총 총 국내 생산11의 4% 기여를 부여 하는 관심입니다. 따라서, 금속 및 합금의 tribocorrosion의 더 나은 이해는 응용 프로그램 및 가혹한 환경 서비스 조건에서 합금의 사용에 대 한 더 나은 지침을 끌 것입니다. 이러한 이해 또한 새로운 합금 및 tribocorrosion에 대 한 코팅 제조 및 내구성 향상을 위한 설계 원리 향상 될 것입니다.
Tribocorrosion 연구는 tribometer 및 전기 화학 측정 시스템의 통합을 요구 한다. tribometer 제어 기계적 부하 및 상대 운동을 하며 마찰력 및 샘플 측정 높이 변화 표면. 전기 화학 측정 시스템 오픈 회로 잠재력 (OCP) 및 전기 화학적 분극 측정을 결정 하는 0-저항 계 (옵션)와 potentiostat/galvanostat를 포함 합니다. 이러한 기술은 어디는 금속의 부식 속도 제어 전기 소요에 충전 전송 과정의 응답을 관찰 하 여 측정 될 수 있다, 재료의 전기 화학적 특성을 얻을 수 신속 하 고 저렴 한 방법을 제공합니다 . 여기, 우리는 주로 ASTM 표준 G1192다음 Al 합금의 tribocorrosion 속도 마모 부식 시너지 효과 확인 하기 위한 테스트 프로토콜 제시. 이 프로토콜에는 샘플 준비, 기계 설치, tribocorrosion 테스트, 그리고 테스트 후 계산 절차 포함 되어 있습니다. 우리는이 노력 그 대량 박막 금속 샘플의 변형 및 파괴 행동을 평가 하기 위해 안정적이 고 반복 가능한 tribocorrosion 테스트 필드에 새로운 혜택 것입니다 바랍니다.
이 프로토콜 내에서 몇 가지 중요 한 단계가 있습니다. Tribocorrosion 테스트 이전 샘플의 첫 번째, 적절 한 표면 처리는 수행된 테스트의 좋은 신뢰성을 보장 하 고 테스트 반복성 향상에 중요 합니다. 다른 대량 합금 제어 표면 거칠기 및 표면 오염 물질 또는 비늘의 제거를 보장 하기 위해 다른 절차에 따라 준비 하는. 여기에 설명 된 절차는 전적으로 기계적인 연 삭, 연마로 이루어져 있다. 일반적으로이 메서드는 합금에 Al, Ti, Ni, Cu 합금 및 철강 등 높은 경도를 매체와 적용 됩니다. Mg 합금 같은 부드러운 합금, 대 한 전기 화학 연마 또는 이온 밀링 원하는 표면 조도 달성 하기 위해 기계적 연마와 결합 한다. 둘째, 샘플용 박막 스퍼터 링, 매우 낮은 유지 (< 10-6 Torr) 진공 스퍼터 링 챔버에 그렇지 않으면 부식 저항에 영향을 미칠 것이 예금 된 영화에 낮은 결함 농도 위해 중요 하다 크게. 셋째, 작업 전극에 대량 또는 박막 샘플을 준비할 때 샘플 사이의 연결 (Cu) 와이어 전기 연결을 보장 하기 위해 중요 하다. 이 프로토콜에서 전도성 테이프 또는 전도성 에폭시 사용 됩니다. 또는, 납땜, 용접 또는 유사한 기술을 사용할 수 있습니다. 그러나, 용접은 미세 하 고 결국 중 난방의 효과 샘플의 tribocorrosion 저항 신중 하 게 평가 될 수 있다. 이것은 금속 및 그 낮은 녹는점과 합금을 위한 특히 중요 하다입니다. 마지막으로, 이후 tribocorrosion (포함 세 번째 몸과 접촉, 2 개의 몸 사이) 3 몸 상호 작용을 포함, 그것은 새로운 볼 팁 (또는 볼 팁의 새로운 지역) tribocorrosion 테스트 반복 수행 때 사용 되도록 하는 것이 중요.
현재 프로토콜 재료 손실을 측정 하 여 tribocorrosion 속도 평가 합니다. 이 프로토콜의 수정 tribocorrosion의 depassivation 및 repassivation 활동 평가를 쉽게 할 수 있다. 이 테스트 기간 동안 전류, 잠재력, 및 계수의 마찰 (COF) 진화를 추적 하 여 이루어집니다. 예를 들어, 그림 10 과 11 쇼 부식 잠재력과 COF의 진화의 대표적인 결과 각각 알 박막 tribocorrosion OCP에 테스트 후. 그림 10 에 화살표 시작와 긁힘의 마무리 합니다. 그 알 같은 수동 합금, tribocorrosion 동안 기계적 중단 리드 수동 필름의 지방 분해/제거에 마모 트랙 및 노출에 의해 잠재적인 부식의 감소에 이르게 depassivated 지역에서 볼 수 있습니다 ~ 20 mV. 우리의 이전 작품16 부식 잠재적인 감소의 크기 관련 강하게는 주어진 금속의 미세 테스트 매개 변수 (예를 들어, 적용 부하, 슬라이딩 속도, 온도)는 동일 했다. 높은 경도와 미세한 미세 알에 대 한 동일한 적용된 부하 이어질 수 있습니다 작은 depassivated 영역, 따라서 잠재적인 부식에 작은 변화. 그것은 또한 개방 회로 모드 동안 현재 회로 ‘오픈’으로 검색을 너무 낮은는 지적 했다. 그러나, 현재 진화 부과 음극 또는 양극 전위에 tribocorrosion 테스트 하는 동안 모니터링할 수 있습니다. 예를 들어 우리의 이전 작품16에서 찾을 수 있습니다. 그림 12 200의 부과 고 잠재력에 tribocorrosion 동안 알 박막의 현재 진화를 보여주는 mV OCP 보다 더 긍정적인. 수동 영역 내에서 아직 공식 후보 아래이 고 잠재력 선정 됐다. 이 결과 마모 가속 부식 척도를 사용할 수 있습니다. 이 경우 총 재료 손실을 T으로 평가할 수 있다 = Vmech + V켐, 어디 Vmech 및 V화학 기계 및 전기 화학 소재 손실의 기여에 각각 해당. 특히, V화학 적용된 잠재력 양극에서 금속 산화에서 발생으로 간주 될 수 있습니다. 따라서 17,,1819으로 패러데이 법칙에 의해 산출 될 수 있다, Q가 전기 요금 (평균 양극 전류 및 전에 차이 곱하여 계산 슬라이딩에 의해 시간), M은 분자량, n은 산화 원자가, F는 패러데이 상수, 이며 ρ는 알. 그림 13 의 밀도 알에 대 한 박막 두 용어의 전형적인 결과 보여줍니다. 위 토론에서 그것은 체중 감량 이외에 전기 매개 변수 변경의 평가 tribocorrosion 중 depassivation 활동에 중요 한 통찰력을 제공 따라서 것입니다 볼 수 있습니다.
여기에 제시 된 프로토콜도 여러 한계를 맺는 다. 첫째, 부식 셀 테 플 론 (소계) 또는 유사한 물자에서 이루어집니다. 따라서, 모든 테스트 실 온 근처 수행 했다. 높은 온도 (예: 원자로 코어 400 ° C 이상), 특별 한 부식 셀 및 팁 제조 하는 필요로 하는 응용 프로그램에 대 한 고온 크 리프 및 부식 견딜 것입니다. 추가적인 안전 또한 녹은 소금 전해질 및 고온에서 금속 샘플을 처리 하는 데 필요 합니다. 둘째, 작업 전극 (샘플) 근처 참조 전극의 부착 수 선형 상호 마모 모션을 제한 했다. 응용 프로그램 샘플의 회전 움직임은 필요한, 특별 한 tribocorrosion 설치 설계 되어야 한다. 셋째, 현재 설정에서 마모 스크래치 속도 부식 속도 보다 훨씬 빠릅니다. 따라서 C0 의 기여는 다른 기간에 비해 무시할 수입니다. 부식 자체는 제한 된 테스트 시간 동안 중요 한 소재 손실에 지도 하지 않았다, 그러나 그것의 효과에 중요 하다. 현실 세계 응용 프로그램 기계적 스크래치 훨씬 낮은 주파수에서 발생 하는 위치에서이 추세 C0 지배 하 게 될 수 있습니다 변경할 수 있습니다. 마지막으로, 특별 한 주의 테스트 하는 동안 생성 된 오류에 있다. 이 마모 부식 시너지 (S) tribocorrosion 속도 (T), 마모 율 (W0), 및 부식 속도 (C0)에서 파생 되는 평가 대 한 특히 중요 하다. 따라서 오류가 누적 될 수 있습니다. T와 W0에 생성 된 오류를 최소화 하기 위해 비접촉 3 차원 광학 profilometer (연락처 2D profilometer) 대신 총 재료 손실 볼륨을 결정 하기 위해 사용 수 있습니다. C0의 오류를 최소화 하기 위해 PD 테스트 부식 속도20평가 하 비 파괴적인 EIS (전기 화학 임피던스 분광학) 테스트와 함께 결합 될 수 있습니다.
최종 메모로 서, tribocorrosion 속도 물자 재산, 그러나 아니다 오히려 시스템의 응답을 테스트 매개 변수 (적용된 부하, 슬라이딩 속도, 등), 환경 (온도, pH, 염 농도, 등)에 의존 하 고 재료 속성 (경도, 표면 거칠기, 등). 여기에 제시 된 프로토콜은 조건 집합이 하나만 사용 하 여 보여 줍니다. 독자는 차이 고려 하 고 다른 시스템을 다룰 때 샘플 준비, 테스트 설정 및 데이터 분석에 적절 한 변화를 채택 한다. 플레이트 (왕복), microabrasion, 실린더 핀 대체 테스트 설치 포함 바, 외. 21에서 찾을 수 있습니다. Tribocorrosion는 신흥 학 제 주제 이다. 그것은이 프로토콜 모두 기존 공학 재료의 평가 뿐만 아니라 새로운 재료 모두 마모 손상 및 부식 저하 방지의 디자인을 촉진 한다 기대. 점점 될 이러한 자료 고급 삽입형 의료 기기, 다음 세대 원자력 발전소, 그리고 고용량 빠른 충전 배터리, 등, 모든 필요 뿐만 아니라 강한 및 힘든 미래에 요구 소재, 하지만 하나는 강력 하 고 신뢰할 수 있는 몇 가지 매우 극단적인 환경 상호 작용.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 미국 국립 과학 재단 부여 DMR-1455108 및 CMMI 1663098에 의해 지원 되었다.
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 |