Summary
För att införa stora mängder väte i aluminium och aluminiumlegeringar utvecklades en ny metod för väteladdning, kallad friktionen i vattenförfarandet.
Abstract
En ny metod för väteladdning av aluminium utvecklades med hjälp av en friktion i vatten (FW) förfarande. Detta förfarande kan lätt införa stora mängder väte i aluminium baserat på den kemiska reaktionen mellan vatten och icke-oxidbelagd aluminium.
Introduction
I allmänhet har aluminiumbaslegeringar högre motståndskraft mot miljöväteförsprödning än stål. Den höga motståndskraften mot väteförsprödning av aluminiumlegeringar beror på oxidfilmer på legeringsytan som blockerar väteinträde. För att utvärdera och jämföra den höga sprödningskänsligheten mellan aluminiumlegeringar utförs vanligtvis väteladdning före mekanisk provning1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Det är dock känt att vätgasladdning aluminium är inte lätt, även när du använder väteladdningsmetoder såsom katodisk laddning15, långsam stamhastighet deformation under fuktig luft16, eller väte plasma gas laddning17. Svårigheten att vätgasladdning aluminiumlegeringar beror också på oxidfilmer på aluminiumlegering ytan. Vi postulerade att högre mängder väte skulle kunna införas i aluminiumlegeringar om vi kunde ta bort oxidfilmen kontinuerligt i vatten. Termodynamiskt18, ren aluminium utan oxid film reagerar lätt med vatten och genererar väte. Baserat på detta har vi utvecklat en ny metod för väteladdning av aluminiumlegeringar baserat på den kemiska reaktionen mellan vatten och icke-oxidaluminium. Denna metod kan lägga till stora mängder väte i aluminiumlegeringar på ett enkelt sätt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Materialberedning
- Använd 1 mm tjocka plattor av en aluminium-magnesium-kisellegering som innehåller 1 massa% Mg och 0,8 massa% Si (Al-Mg-Si).
- Gör provbitar från al-Mg-Si-legeringsplattorna med en mätarlängd på 10 mm och en bredd på 5 mm.
- Anneal provbitarna vid 520 °C i 1 tim med hjälp av en luftugn. Släck i vatten som lösningsvärmebehandling.
- Anneal testbitarna vid 175 °C i 18 timmar som en maximal åldersvärmebehandling (T6-temperament).
- Polera ytan på testbitarna med hjälp av kiselkarbid emery papper (#2000) utan vatten.
- Mät de polerade exemplarens vikt till en precision på 0,0001 g med en elektrisk balans
- Mät tjockleken och bredden på provexemplarens tjocklek och bredd till en precision på 0,001 mm med en optisk jämförelse.
2. FW-förfarande (figur 1)
- Fäst två Al-Mg-Si legeringsprover med lim till en triangulär, prismaformad omrörare gjord av en fluorkarbonpolymer.
- Förbered en cylinderglasbehållare med en tom topp som reaktionskärl.
- Fäst ett rundt polerpapper av kiselkarbider, #2000 med en diameter på 10 mm, med dubbelsidig tejp i botten inuti behållaren.
- Placera den triangulära, prismaformade omröraren med två prover på polerpapperet på glasbehållarens undersida.
- Häll 100 ml destillerat vatten i glasbehållaren från toppen.
- Täck glasbehållaren med ett runt gummistycke med tre hål (för ett gasintag, för ett gasuttag och för en pH-sond högst upp i glasbehållaren).
- Fyll glasbehållaren med hög renhet (99,999 %) argon med ett konstant flöde på 20 ml/min efter stängning av gummiskyddet.
- Anslut gasuttaget till en gaskromatograf (GC) med en halvledarvätesensor (detektionsgräns: 5 ppb).
- Vänta tills gasen i behållaren byts ut av argon.
- Rotera den triangulära, prismaformade omröraren med två exemplar på en magnetisk omrörare med konstant roterande hastighet vid rumstemperatur.
- Mät vätegenereringen under rörbygelrotationen med gc, med en mätning var 2:e minut.
- Mät vattenpH-halten i behållaren under rörrörsrotationen.
- Ta bort de två exemplaren från den triangulära, prismaformade rörröraren genom nedsänkning i aceton med en ultraljudsvibration i 5 min efter FW-proceduren.
- Mät preparatens vikt och tjocklek igen efter FW-proceduren med hjälp av den elektriska balansen respektive en optisk jämförelse.
3. Väteabsorption genom FW-förfarandet
- Efter FW-proceduren, skär ett prov exemplar till en rektangulär form av 1 x 5 x 10 mm.
- Placera preparatet inuti ett kvartsrör med en diameter på 10 mm ansluten till en GC med en halvledarvätesensor.
- Flöde hög renhet (99,999%) argongas i ett kvartsrör med en konstant flödeshastighet på 20 ml/min.
- Värm kvartsröret med provexemplaret med hjälp av en rörugn med konstant uppvärmningshastighet, 200 °C/h.
- Mät preparatets termiska vätedesorption efter FW-proceduren med GC.
4. Materialutvärdering efter FW-förfarandet
- Utför dragiära tester (minst 3 x för att säkerställa repeterbarhet) i laboratorieluft med en korshuvudsvarvtal på 2 mm/min med hjälp av ett prov exemplar som har behandlats genom FW-proceduren.
- Mät draghållfastheten (t.ex. draghållfasthet, frakturstam) som erhålls från stressbelastningskurvan i dragiärtestet.
- Observera frakturbeteendet med ett sekundärt elektronmikroskop (SEM) efter dragprovningen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vätgasgenerering/absorption genom FW-proceduren
Figur 2 visar vätgasgenereringsbeteendet under FW-proceduren för al-Mg-Si-legeringar som innehåller olika mängder järn från 0,1 vikt % till 0,7 vikt %. Preparatet avgav kontinuerligt en hög mängd väte när omröraren började rotera. Detta tyder på att väte genererades av en kemisk reaktion som orsakades av friktionen mellan legeringsytan och vattnet. Dessutom ökade vattenvärdet under FW-förfarandet något från 6,5–7,5 enligt figur 3. Förändringen i pH genom FW förfarandet skulle inte påverka den frätande reaktionen baserat på den elektrokemiska diagram som föreslagits av Pourbaix19.
Figur 4 visar TDA-resultaten i prover med och utan väteladdning genom FW-proceduren i al-Mg-Si-legeringar. Oavsett preparatets legeringssammansättning ökade den totala vätekoncentrationen efter FW-förfarandet jämfört med det ursprungliga oladdade tillståndet. I alla prover efter FW-förfarandet inträffade vätgasutvecklingen vid över 400 °C. En liten topp av väteevolutionen var också synlig runt 300 °C–400 °C i de väteladdade proverna. Vätgasevolutionen runt 300 °C–400 °C skulle vara relaterad till vätefångst genom gallerdefekter, såsom förskjutningar och korngränser20,21. Vätekoncentrationen beräknad genom att vätefrigöringen och temperaturen är från 25 °C–625 °C visas i figur 5. Det är uppenbart att vätekoncentrationen efter FW-förfarandet ökade ca 4x från det ursprungliga tillståndet.
Figur 6 visar jämförelsen mellan vätekoncentrationen mellan FW-förfarandet och väteladdningen med en förbelastning på 0,1 under en fuktig luftatmosfär med en relativ luftfuktighet på 90 % i ett järnprov på 0,1 %. Det står också klart att vätgasladdningen genom FW-förfarandet gjorde det möjligt att införa stora mängder vätgas jämfört med laddningen av förstamning under fuktig luft.
Mekanisk prestanda efter FW-proceduren
Figur 7 visar dragprovningsresultaten av både väteladdade prover och väteladdade prover. En minskning av duktilitet observerades i al-Mg-Si-legeringen med 0,1% järn strax efter FW-proceduren. Detta indikerar att al-Mg-Si legeringen med 0,1% järn visar vätesprödning som orsakas av den höga mängden väteladdning av FW-förfarandet.
Frakturmorfologi av Al-Mg-Si legering med 0,1% järn ändras till en korngräns fraktur efter väteladdning av FW förfarandet, särskilt intill väte ingången sidan som visas i figur 8. Detta tyder på att väteatomer som infördes genom FW-förfarandet förbättrar desammanhållningen av korngränser, vilket leder till väteförsprödning, i al-Mg-Si-legeringen med 0,1% järn.
Figur 1: Schematisk för den apparat som används i FW-proceduren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: Vätgasproduktion under FW-proceduren. a)0,1 % fe, (B) 0,2 % fe, (C) 0,7 % fe. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Ändring av pH under FW-proceduren. a)0,1 % fe, (B) 0,2 % fe, (C) 0,7 % fe. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Termisk vätedesorptionsanalys av al-Mg-Si-legeringar med järn. a)0,1 fe, (B) 0,2 % fe, (C) 0,7 % fe. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Vätekoncentration med och utan FW-proceduren. a)0,1 % fe, (B) 0,2 % fe, (C) 0,7 % fe. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: Jämförelse av termisk desorptionsanalys och vätekoncentration av al-Mg-Si-legeringar med 0,1% Fe i olika väteladdningsförhållanden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: Böjningar av stressstammen i al-Mg-Si-legeringen med 0,1% Fe, före och strax efter FW-proceduren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Frakturytor på en Al-Mg-Si-legering med 0,1% Fe. aFöre och(B)efter FW-förfarandet, intill väteinfartssidan. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
En viktig aspekt av FW-proceduren är fastsättningen av de två exemplaren till den magnetiska omröraren. Eftersom mitten av omröraren baren blir icke-friktion zon, är det bäst att undvika fastsättning av exemplaren i mitten av omrörare baren.
Kontroll av rotationshastigheten på rörrörstången är också viktig. När hastigheten är mer än 240 rpm, blir det svårt att behålla reaktionskärl på scenen av den magnetiska omröraren. När FW-proceduren utförs med hög hastighet behövs det att reaktionskärlet fäster på den magnetiska omrörarens stadium.
Eftersom väteladdningen genom FW-proceduren baseras på den kemiska reaktionen mellan vatten och en icke-oxidbelagd aluminiumyta, är detta en enkel metod jämfört med konventionella väteladdningsmetoder, såsom katodisk laddning15, pre-stam under en fuktig luftatmosfär16. En teoretisk volym genererat väte beräknas baserat på viktändring i provet före och efter FW-förfarandet. Dessutom kan FW förfarandet införa stora mängder väte i aluminium. Men när tiden för FW-proceduren är längre, ökar pH-värdet av vatten. När pH-värdet av vatten blir >10, en frätande reaktion mellan aluminium och vatten kan hända16. För att förhindra preparatets frätande reaktion bör tiden för FW-proceduren begränsas så att vattenlösningens pH-värde varierar från 4–10.
I FW-proceduren är väteladdningen tillämplig i grunden på den plätera formade aluminium- och aluminiumlegeringar. Väteladdningen i FW-proceduren baseras på väteinmatning från en yta av plåtpreparatet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Detta arbete stöddes ekonomiskt delvis av The Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Japan
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).
