Summary
For å introdusere store mengder hydrogen i aluminium og aluminiumlegeringer, ble en ny metode for hydrogenlading utviklet, kalt friksjonen i vannprosedyren.
Abstract
En ny metode for hydrogenlading av aluminium ble utviklet ved hjelp av en friksjon i vann (FW) prosedyre. Denne prosedyren kan enkelt introdusere store mengder hydrogen i aluminium basert på den kjemiske reaksjonen mellom vann og ikke-oksidbelagt aluminium.
Introduction
Generelt har aluminiumbaselegeringer høyere motstand mot miljømessig hydrogenembrittlement enn stål. Den høye motstanden mot hydrogengjbrittlement av aluminiumlegeringer skyldes oksidfilmer på legeringsoverflaten som blokkerer hydrogenoppføring. For å evaluere og sammenligne høy embrittlement følsomhet mellom aluminiumlegeringer, hydrogen lading utføres vanligvis før mekanisk testing1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Det er imidlertid kjent at hydrogenlading aluminium ikke er lett, selv når du bruker hydrogen lademetoder som cathodic lading15,langsom belastning strekkhastighet deformasjon under fuktig luft16,eller hydrogen plasma gass lading17. Vanskeligheten med hydrogenlading aluminiumlegeringer skyldes også oksid filmene på aluminiumlegering overflaten. Vi postulerte at høyere mengder hydrogen kunne innføres i aluminiumslegeringer hvis vi kunne fjerne oksidfilmen kontinuerlig i vann. Termodynamisk18, ren aluminium uten oksid film reagerer lett med vann og genererer hydrogen. Basert på dette har vi utviklet en ny metode for hydrogenlading av aluminiumlegeringer basert på den kjemiske reaksjonen mellom vann og ikke-oksidaluminium. Denne metoden er i stand til å legge til store mengder hydrogen i aluminiumlegeringer på en enkel måte.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Materialforberedelse
- Bruk 1 mm tykke plater laget av en aluminium-magnesium-silisiumlegering som inneholder 1 masse% Mg og 0,8 masse% Si (Al-Mg-Si).
- Lag teststykker fra Al-Mg-Si legeringplater som har en målerlengde på 10 mm og bredde på 5 mm.
- Anneal testbitene ved 520 °C i 1 time ved hjelp av en luftovn. Slukke i vann som en løsning varmebehandling.
- Anneal testbitene ved 175 °C i 18 timer som en topp aldrende varmebehandling (T6-temperament).
- Polere overflaten av testbitene ved hjelp av silisiumkarbid emery papir (#2000) uten vann.
- Mål vekten av de polerte prøvene til en presisjon på 0,0001 g ved hjelp av en elektrisk balanse
- Mål tykkelsen og bredden på målerdelen av prøvene til en presisjon på 0,001 mm ved hjelp av en optisk komparator.
2. FW prosedyre (Figur 1)
- Fest to Al-Mg-Si legeringprøver ved hjelp av lim til en trekantet, prismeformet rørerør laget av en fluorkarbonpolymer.
- Forbered en sylinderglassbeholder med en tom topp som reaksjonsbeholder.
- Fest et rundt poleringspapir laget av silisiumkarbider, #2000 med en diameter på 10 mm, ved hjelp av dobbeltsidig tape i bunnen av beholderen.
- Plasser den trekantede, prismeformede røreren med to prøver på poleringspapiret på bunnoverflaten av glassbeholderen.
- Hell 100 ml destillert vann i glassbeholderen fra toppen.
- Dekk glassbeholderen med et rundt gummistykke med tre hull (for et gassinntak, for et gassuttak og for en pH-sonde på toppen av glassbeholderen).
- Fyll glassbeholderen med høy renhet (99,999 %) argon med en konstant strømningshastighet på 20 ml/min etter at gummidekselet er lukket.
- Koble gassuttaket til en gasskromatograf (GC) med en halvlederhydrogensensor (deteksjonsgrense: 5 ppb).
- Vent til gassen i beholderen er erstattet av argon.
- Roter den trekantede, prismeformede røreren med to prøver på en magnetisk røremed en konstant roterende hastighet ved romtemperatur.
- Mål hydrogengenereringen under rørerrotasjonen ved hjelp av GC, og ta én måling hver 2.
- Mål pH av vannet i beholderen under rørerrotasjonen.
- Fjern de to prøvene fra trekantet, prismeformet røremed nedsenking i aceton med en ultralydvibrasjon i 5 min etter FW-prosedyren.
- Mål vekten og tykkelsen på prøvene igjen etter FW-prosedyren ved hjelp av den elektriske balansen og en optisk komparator.
3. Hydrogenabsorpsjon av FW-prosedyren
- Etter FW-prosedyren, kutt en prøve til en rektangulær form på 1 x 5 x 10 mm.
- Plasser prøven inne i et kvartsrør med en diameter på 10 mm koblet til en GC med en halvlederhydrogensensor.
- Strømninghøy renhet (99,999 %) argongass i et kvartsrør med en konstant strømningshastighet på 20 ml/min.
- Varm kvartsrøret med prøven ved hjelp av en rørformet ovn med konstant oppvarmingshastighet, 200 °C/t.
- Mål den termiske hydrogendesorpsjonen av prøven etter FW-prosedyren ved hjelp av GC.
4. Materialevaluering etter FW-prosedyren
- Utfør strekktester (minst 3x, for å sikre repeterbarhet) i laboratorieluft med en krysshodehastighet på 2 mm/min ved hjelp av en prøve som har blitt behandlet av FW-prosedyren.
- Mål strekkegenskapene (f.eks. strekkfasthet, bruddbelastning) hentet fra stressbelastningskurven i strekktesten.
- Vær oppmerksom på bruddvirkemåten med et sekundært elektronmikroskop (SEM) etter strekktesten.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Hydrogengenerering/absorpsjon ved FW-prosedyren
Figur 2 viser hydrogengenereringsvirken under FW-prosedyren til Al-Mg-Si-legeringer som inneholder forskjellige mengder jern fra 0,1 masse % til 0,7 masse %. Prøven slapp kontinuerlig ut en høy mengde hydrogen da røreren begynte å rotere. Dette tyder på at hydrogen ble generert av en kjemisk reaksjon forårsaket av friksjonen mellom legeringsoverflaten og vannet. I tillegg økte pH-verdien av vannet under FW-prosedyren noe fra 6,5–7,5 som vist i figur 3. Endringen i pH av FW-prosedyren vil ikke påvirke den korrosive reaksjonen basert på det elektrokjemiske diagrammet foreslått av Pourbaix19.
Figur 4 viser tda resulterer i prøver med og uten hydrogenlading av FW-prosedyren til Al-Mg-Si-legeringene. Uavhengig av legeringssammensetningen av prøven, økte den totale hydrogenkonsentrasjonen etter FW-prosedyren sammenlignet med den opprinnelige uladede tilstanden. I alle prøver etter FW-prosedyren oppstod hydrogenevolusjon ved over 400 °C. En liten topp av hydrogenevolusjon var også synlig rundt 300 °C–400 °C i de hydrogenladede prøvene. Hydrogenevolusjonen topper seg rundt 300 °C–400 °C vil være relatert til hydrogenfangst av gitterdefekter, som dislokasjoner og korngrenser20,21. Hydrogenkonsentrasjonen beregnet ved å integrere hydrogenfrigjøringshastigheten og temperaturen fra 25 °C–625 °C er vist i figur 5. Det er åpenbart at hydrogenkonsentrasjonen etter FW-prosedyren økte ca 4x fra den opprinnelige tilstanden.
Figur 6 viser sammenligningen av hydrogenkonsentrasjonen mellom FW-prosedyren og hydrogenladingen med pre-stamme på 0,1 under en fuktig luftatmosfære med en relativ fuktighet på 90 % i en 0,1 % jernprøve. Det er også klart at hydrogenladingen av FW-prosedyren tillot innføring av store mengder hydrogen sammenlignet med ladingen ved forbelastning under fuktig luft.
Mekanisk ytelse etter FW-prosedyren
Figur 7 viser strekktestresultatene av både hydrogenuladede prøver og hydrogenladede prøver. En reduksjon i duktilitet ble observert i Al-Mg-Si-legeringen med 0,1% jern like etter FW-prosedyren. Dette indikerer at Al-Mg-Si legering med 0,1% jern viser hydrogen underbrittlement forårsaket av den høye mengden hydrogen lading av FW prosedyren.
Bruddmorfologien til Al-Mg-Si-legeringen med 0,1% jern endret til en korngrensebrudd etter hydrogenladingen av FW-prosedyren, spesielt ved siden av hydrogeninngangssiden som vist i figur 8. Dette indikerer at hydrogenatomer introdusert av FW-prosedyren forbedrer decohesion av korngrenser, noe som fører til hydrogenunderbrittlement, i Al-Mg-Si-legeringen med 0,1% jern.
Figur 1: Skjematisk av apparatet som brukes i FW-prosedyren. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Hydrogengenerering under FW-prosedyren. (A) 0,1 % Fe, (B) 0,2 % Fe, (C) 0,7 % Fe. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Endring av pH under FW-prosedyren. (A) 0,1 % Fe, (B) 0,2 % Fe, (C) 0,7 % Fe. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Termisk hydrogendesorpsjonsanalyse av Al-Mg-Si legeringer med jern. (A) 0,1 Fe, (B) 0,2 % Fe, (C) 0,7 % Fe. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Hydrogenkonsentrasjon med og uten FW-prosedyren. (A) 0,1 % Fe, (B) 0,2 % Fe, (C) 0,7 % Fe. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 6: Sammenligning av termisk desorpsjonsanalyse og hydrogenkonsentrasjon av Al-Mg-Si-legeringer med 0,1 % Fe i forskjellige hydrogenladeforhold. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 7: Stress-belastning kurver av Al-Mg-Si legering med 0,1% Fe, før og like etter FW prosedyren. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Bruddoverflater av en Al-Mg-Si-legering med 0,1 % Fe. (A) Før og (B) etter FW-prosedyren, ved siden av hydrogeninngangssiden. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Et viktig aspekt ved FW-prosedyren er vedlegget av de to prøvene til magnetrøreren. Fordi midten av rørestangen blir ikke-friksjonssonen, er det best å unngå vedlegg av prøvene i midten av rørestangen.
Kontroll av rotasjonshastigheten til rørestangen er også viktig. Når hastigheten er mer enn 240 rpm, blir det vanskelig å opprettholde reaksjonsbeholderen på scenen av magnetrøreren. Når FW-prosedyren utføres ved høy hastighet, er det nødvendig å feste reaksjonsbeholderen til det magnetiske rørerstadiet.
Fordi hydrogenladingen av FW-prosedyren er basert på den kjemiske reaksjonen mellom vann og en ikke-oksidbelagt aluminiumsoverflate, er dette en enkel metode sammenlignet med konvensjonelle hydrogenlademetoder, for eksempel katodisk lading15, pre-belastning under en fuktig luftatmosfære16. Et teoretisk volum av generert hydrogen beregnes basert på endringen av vekt i prøven før og etter FW-prosedyren. Også FW-prosedyren kan introdusere store mengder hydrogen i aluminium. Men når tidspunktet for FW-prosedyren er lengre, øker pH-verdien av vann. Når pH-verdien av vann blir > 10, kan det oppstå en korroderende reaksjon mellom aluminium og vann16. For å forhindre den korrosive reaksjonen til prøven, bør tidspunktet for FW-prosedyren begrenses slik at pH-verdien av vannoppløsningen varierer fra 4–10.
I FW-prosedyren gjelder hydrogenladingen i utgangspunktet for plateformede aluminium- og aluminiumlegeringer. Hydrogenladingen i FW-prosedyren er basert på hydrogenoppføring fra en overflate av plateprøven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne har ingenting å avsløre.
Acknowledgments
Dette arbeidet ble økonomisk støttet 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).
