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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete var stöds av oss National Science Foundation Grant DMR-1455108 och CMMI-1663098.
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 |