Summary
Для того, чтобы ввести большое количество водорода в алюминиевых и алюминиевых сплавов, был разработан новый метод зарядки водорода, называемый трение в воде процедуры.
Abstract
Новый метод водородной зарядки алюминия был разработан с помощью процедуры трения в воде (FW). Эта процедура может легко ввести большое количество водорода в алюминий на основе химической реакции между водой и неоксид покрытием алюминия.
Introduction
В целом, алюминиевые базовые сплавы имеют более высокую устойчивость к экологическим водородным охлажением, чем сталь. Высокая устойчивость к водороду embrittlement алюминиевых сплавов из-за оксидных пленок на поверхности сплава блокирования водорода ввода. Для оценки и сравнения высокой чувствительности между алюминиевыми сплавами, водородная зарядка обычно выполняется до механических испытаний1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Тем не менее, известно, что водород зарядки алюминия не легко, даже при использовании водорода зарядки методы, такие как катодическая зарядка15, медленная деформация скорости деформации напряжения под влажным воздухом16, или водородного плазменного газа зарядки17. Сложность водородной зарядки алюминиевых сплавов также связана с оксидными пленками на поверхности алюминиевого сплава. Мы постулировали, что большее количество водорода может быть введено в алюминиевые сплавы, если мы могли бы удалить оксид пленки непрерывно в воде. Термодинамически18, чистый алюминий без оксидной пленки легко реагирует с водой и генерирует водород. На основе этого мы разработали новый метод водородной зарядки алюминиевых сплавов на основе химической реакции между водой и неоксидным алюминием. Этот метод способен добавлять большое количество водорода в алюминиевые сплавы простым способом.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Подготовка материала
- Используйте пластины толщиной 1 мм из алюминиево-магниево-силиконового сплава, содержащего 1 массу Мг и 0,8 массы Si (Al-Mg-Si).
- Сделайте испытательные части из сплавных пластин Al-Mg-Si, имеющих калибровочный длину 10 мм и ширину 5 мм.
- Аннал тестовых частей при 520 градусов по Цельсию в течение 1 ч с помощью воздушной печи. Утолить в воде в качестве раствора тепловой обработки.
- Anneal тестовых частей на 175 градусов по Цельсию для 18 ч, как пик старения тепловой обработки (T6-temper).
- Польский поверхности испытательных частей с использованием кремния карбид Эмери бумаги (#2000) без воды.
- Измерьте вес полированных образцов до точности 0,0001 г с помощью электрического баланса
- Измерьте толщину и ширину колеи части образцов до точности 0,001 мм с помощью оптического компаратора.
2. Процедура FW(Рисунок 1)
- Прикрепите два образца сплава Al-Mg-Si с помощью клея к треугольному, в форме призм, сделанному флюороуглеродным полимером.
- Подготовьте цилиндрический стеклянный контейнер с пустым верхом в качестве реакционного сосуда.
- Прикрепите круглую полировку, изготовленную из карбидов кремния, #2000 диаметром 10 мм, используя двустороннюю ленту в нижней части контейнера.
- Поместите треугольный, призмный мешалку с двумя образцами на полированной бумаге на нижней поверхности стеклянного контейнера.
- Налейте 100 мл дистиллированной воды в стеклянную емкость сверху.
- Накройте стеклянный контейнер круглым резиновым куском с тремя отверстиями (для газового впуска, для газовой розетки и для зонда рН в верхней части стеклянного контейнера).
- Заполните стеклянный контейнер с высокой чистотой (99.999%) аргон при постоянной скорости потока 20 мл/мин после закрытия резиновой крышки.
- Подключите газовую розетку к газовому хроматографу (ГК) с помощью полупроводникового водородного датчика (предел обнаружения: 5 ppb).
- Подождите, пока газ в контейнере будет заменен аргоном.
- Поверните треугольный, призмный мешалку с двумя образцами на магнитном мешалке с постоянной вращающейся скоростью при комнатной температуре.
- Измерьте генерацию водорода во время вращения мешалки с помощью GC, принимая одно измерение каждые 2 мин.
- Измерьте рН воды в контейнере во время вращения мешалки.
- Удалите два образца из треугольного, призмообразного мешалка путем погружения в ацетон с ультразвуковой вибрацией в течение 5 минут после процедуры FW.
- Измерьте вес и толщину образцов снова после процедуры FW используя электрический баланс и оптический компаратор, соответственно.
3. Поглощение водорода по процедуре FW
- После процедуры FW вырежьте образец до прямоугольной формы 1 x 5 x 10 мм.
- Поместите образец в кварцевую трубку диаметром 10 мм, подключенный к GC, с полупроводниковым водородным датчиком.
- Поток высокой чистоты (99.999%) аргоновый газ в кварцевой трубе с постоянной скоростью потока 20 мл/мин.
- Нагрейте кварцевую трубку с образцом, используя трубчатую печь с постоянной скоростью нагрева, 200 градусов по Цельсию/ч.
- Измерьте тепловое опреснение водорода образца после процедуры FW с помощью GC.
4. Оценка материалов после процедуры FW
- Провести растяжимые тесты (по крайней мере 3x, для обеспечения повторяемости) в лабораторном воздухе со скоростью перекрестной стороны 2 мм/мин с использованием образца, который был обработан процедурой FW.
- Измерьте растяжимые свойства (например, прочность, напряжение перелома), полученные из кривой напряжения напряжения в тесте на растяжение.
- Наблюдайте за поведением перелома со вторичным электронным микроскопом (SEM) после теста на растяжение.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Генерация/поглощение водорода по процедуре FW
На рисунке 2 показано поведение генерации водорода во время процедуры FW сплавов Al-Mg-Si, содержащих различные количества железа от 0,1 массы % до 0,7 массы. Образец непрерывно излучал большое количество водорода, когда мешалка начала вращаться. Это говорит о том, что водород был вызван химической реакцией, вызванной трением между поверхностью сплава и водой. Кроме того, значение pH воды во время процедуры FW немного увеличилось с 6,5-7,5, как показано на рисунке 3. Изменение рН процедурой FW не повлияет на коррозионную реакцию, основанную на электрохимической диаграмме, предложенной Pourbaix19.
На рисунке 4 показаны результаты TDA в пробах с и без зарядки водорода процедурой FW сплавов Al-Mg-Si. Независимо от сплава состава образца, общая концентрация водорода после процедуры FW увеличилась по сравнению с исходным незаряженным состоянием. Во всех образцах после процедуры FW эволюция водорода происходила при уровне выше 400 градусов по Цельсию. Небольшой пик эволюции водорода был также виден около 300 градусов по Цельсию в образцах, заряженных водородом. Пик эволюции водорода около 300 градусов по Цельсию будет связан с улавливанием водорода дефектами решетки, такими как дислокации и границы зерна20,21. Концентрация водорода, рассчитанная путем интеграции коэффициента высвобождения водорода и температуры от 25 градусов по Цельсию и 625 градусов по Цельсию, показана на рисунке 5. Очевидно, что концентрация водорода после процедуры FW увеличилась примерно в 4 x от исходного состояния.
На рисунке 6 показано сравнение концентрации водорода между процедурой FW и зарядкой водорода путем предварительного напряжения 0,1 под влажной атмосферой воздуха с относительной влажностью 90% в 0,1% образца железа. Также ясно, что зарядка водорода по процедуре FW позволила ввести большое количество водорода по сравнению с зарядкой предварительного напряжения под влажным воздухом.
Механическая производительность после процедуры FW
На рисунке 7 показаны результаты напряженных испытаний как образцов, не заряженных водородом, так и образцов, заряженных водородом. Снижение протоиели наблюдалось в сплаве Аль-Мг-Си с 0,1% железа сразу после процедуры FW. Это указывает на то, что сплав Al-Mg-Si с 0,1% железа показывает охлапиваемую водородную опору, вызванную большим количеством водорода, заряжаемого процедурой FW.
Морфология перелома сплава Аль-Мг-Си с 0,1% железа изменена на разрыв границы зерна после водорода зарядки процедурой FW, особенно прилегающей к стороне входа водорода, как показано на рисунке 8. Это указывает на то, что атомы водорода, введенные процедурой FW, усиливают деспотронность границ зерна, что приводит к оплоту водорода, в сплаве Аль-Мг-Си с 0,1% железа.
Рисунок 1: Схема аппарата, используемого в процедуре FW. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2: Выработка водорода во время процедуры FW. (A) 0.1% Fe,(B)0.2% Fe,(C)0.7% Fe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3: Изменение рН во время процедуры FW. (A) 0.1% Fe,(B)0.2% Fe,(C)0.7% Fe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 4: Тепловой анализ опреснения водорода сплавов Аль-Мг-Си с железом. (A) 0.1 Fe,(B)0.2% Fe,(C)0.7% Fe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 5: Концентрация водорода с процедурой FW и без нее. (A) 0.1% Fe,(B)0.2% Fe,(C)0.7% Fe. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 6: Сравнение анализа теплового дезорпации и концентрации водорода сплавов Al-Mg-Si с 0,1% Fe в различных условиях зарядки водорода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 7: Стресс-напряжение кривых аль-Мг-Си с плавать с 0,1% Fe, до и сразу после процедуры FW. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 8: Фрагментные поверхности сплава Аль-Мг-Си с 0,1% Fe. (A) До и (B) после процедуры FW, рядом с стороной входа водорода. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Одним из важных аспектов процедуры FW является присоединение двух образцов к магнитному мешалке. Поскольку центр шездки становится зоной нефриния, лучше избегать прикрепления образцов в центре панели мешалки.
Контроль скорости вращения перемешивания бар также имеет важное значение. Когда скорость превышает 240 об/мин, становится трудно поддерживать реакционный сосуд на сцене магнитного мешалки. Когда процедура FW осуществляется на высокой скорости, необходимо зафиксировать реакционный сосуд к стадии магнитного мешалки.
Потому что водород зарядки по процедуре FW основана на химической реакции между водой и неоксид покрытием алюминиевой поверхности, это простой метод по сравнению с обычными методами зарядки водорода, таких как катодная зарядка15, предварительно процедить под влажной атмосферой воздуха16. Теоретический объем генерируемого водорода рассчитывается на основе изменения веса в образце до и после процедуры FW. Кроме того, процедура FW может ввести большое количество водорода в алюминий. Однако, когда время процедуры FW больше, значение pH воды увеличивается. Когда значение pH воды становится nogt;10, коррозионная реакция между алюминием и водой может произойти16. Чтобы предотвратить коррозионную реакцию образца, время процедуры FW должно быть ограничено, чтобы значение рН водного раствора колебалось от 4-10.
В процедуре FW, водородная зарядка применима в основном к пластинке формы алюминия и алюминиевых сплавов. Зарядка водорода в процедуре FW основана на входе водорода с одной поверхности образца пластины.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Авторам нечего раскрывать.
Acknowledgments
Эта работа была финансово поддержана, в частности, Образовательным фондом Light Metal, Inc., Осака, Япония
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Air furnace | GC | QC-1 | |
| Aluminum alloy plates | Kobe Steel | Al/1.0 mass% Mg/0.8 mass% Si | |
| Electric balance | A&D | HR-200 | |
| Glass container | Custom made | ||
| Magnetic stirrer | CORNING | PC-410D | |
| Optical Comparator | NIKON | V-12B | |
| pH meter | Sato Tech | PH-230SDJ | |
| Quartz tube | Custom made | ||
| Rotary polishing machine | IMT | IM-P2 | |
| Secondary electrom microscope | JOEL | JSM-5310LV | |
| Sensor gas chromatograph | FIS Inc. | SGHA | |
| Silicon carbide emery paper | IMT | 531SR | |
| Tensile testing machine | Toshin Kogyo | SERT-5000-C | |
| Tubular furnace | Honma Riken | Custom made |
References
- Horikawa, K., Matsubara, T., Kobayashi, H. Hydrogen charging of Al-Mg-Si-based alloys by friction in water and its effect on tensile properties. Materials Science and Engineering A. 764, 138199 (2019).
- Horikawa, K. Current research trends in aluminum alloys for a high-pressure hydrogen gas container. Journal of Japan Institute of Light Metals. 60, 542-547 (2010).
- Kuramoto, S., Hsieh, M. C., Kanno, M. Environmental embrittlement of Al-Mg-Si base alloys deformed at low strain rates in laboratory air. Journal of Japan Institute of Light Metals. 52, 250-255 (2002).
- Horikawa, K., Yoshida, K. Visualization of Hydrogen in Tensile-Deformed Al-5%Mg Alloy by means of Hydrogen Microprint Technique with EBSP Analysis. Materials Transactions. 45, 315-318 (2004).
- Ueda, K., Horikawa, K., Kanno, M. Suppression of high temperature embrittlement of Al-5%Mg alloys containing a trace of sodium caused by antimony addition. Scripta Materialia. 37, 1105-1110 (1996).
- Horikawa, K., Ando, N., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen gas evolution during deformation and fracture in SCM 440 steel with different tempering conditions. Materials Science and Engineering A. 534, 495-503 (2012).
- Horikawa, K., Yamada, H., Kobayashi, H. Effect of strain rate on hydrogen gas evolution behavior during tensile deformation in 6061 and 7075 aluminum alloys. Journal of Japan Institute of Light Metals. 62, 306-312 (2012).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of diffusive hydrogen in low alloy steel by means of hydrogen microprint technique at elevated temperatures. Materials Transactions. 50, 759-764 (2009).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen during fatigue fracture in an Al-Mg-Si alloy. Journal of Japan Institute of Light Metals. 56, 210-213 (2006).
- Horikawa, K., Okada, H., Kobayashi, H., Urushihara, W. Visualization of hydrogen distribution in tensile-deformed Al-5%Mg alloy investigated by means of hydrogen microprint technique with EBSP. Journal of the Japan Institute of Metals. 68, 1043-1046 (2004).
- Yamada, H., Tsurudome, M., Miura, N., Horikawa, K., Ogasawara, N. Ductility loss of 7075 aluminum alloys affected by interaction of hydrogen, fatigue deformation, and strain rate. Materials Science and Engineering A. 642, 194-203 (2015).
- Toda, H., et al. Effects of hydrogen micro pores on mechanical properties in a 2024 aluminum alloys. Materials Transactions. 54, 2195-2201 (2013).
- Yamada, H., Horikawa, K., Matsumoto, T., Kobayashi, H., Ogasawara, N. Hydrogen evolution behavior of tensile deformation process in 6061 and 7075 aluminum alloys. Journal of Japan Institute of Light Metals. 61, 297-302 (2011).
- Horikawa, K., Kobayashi, H. Hydrogen absorption of pure aluminum by friction of the surface in water and its effect on tensile properties. Journal of the Japan Institute of Metals. 84, (2020).
- Suzuki, H., Kobayashi, D., Hanada, N., Takai, K., Hagihara, Y. Existing state of hydrogen in electrochemically charged commercial-purity aluminum and its effects on tensile properties. Materials Transactions. 52, 1741-1747 (2011).
- Horikawa, K., Hokazono, S., Kobayashi, H. Synchronized monitoring between hydrogen gas release and progress of atmospheric hydrogen embrittlement in 7075 aluminum alloy. Journal of Japan Institute of Light Metals. 66, 77-83 (2016).
- Manaka, T., Aoki, M., Itoh, G. Thermal desorption spectroscopy study on the hydrogen behavior in a plasma-charged aluminum. Materials Science Forum. 879, 1220-1225 (2016).
- Ellingham, H. J. T. Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes. Journal of the Society of Chemical Industry. 63, 125-133 (1944).
- Pourbaix, M. Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, Ist ed. , Pergamon Press. New York. 168-176 (1966).
- Young, G. A., Scully, J. R. The diffusion and trapping of hydrogen in high purity aluminum. Acta Materialia. 46, 6337-6349 (1998).
- Smith, S. W., Scully, J. R. The identification of hydrogen trapping states in an Al-Li-Cu-Zr alloy using thermal desorption spectroscopy. Metallurgical and Materials Transactions A. 31, 179-193 (2000).
