Summary
Alüminyum ve alüminyum alaşımlarında yüksek miktarda hidrojen tanıtmak amacıyla, su prosedüründe sürtünme adı verilen yeni bir hidrojen şarj yöntemi geliştirilmiştir.
Abstract
Alüminyumhidrojen şarj yeni bir yöntem su (FW) prosedürü bir sürtünme yoluyla geliştirilmiştir. Bu işlem kolayca su ve oksit olmayan kaplı alüminyum arasındaki kimyasal reaksiyona dayalı alüminyum içine hidrojen yüksek miktarda tanıtmak olabilir.
Introduction
Genel olarak, alüminyum baz alaşımları çelikten daha çevresel hidrojen embrittlement daha yüksek direnç var. Alüminyum alaşımlarının hidrojen embrittlement yüksek direnç alaşım yüzeyinde hidrojen girişini engelleyen oksit filmler kaynaklanmaktadır. Alüminyum alaşımları arasındaki yüksek embrittlement hassasiyetini değerlendirmek ve karşılaştırmak için, hidrojen şarj genellikle mekanik test1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Ancak, bu hidrojen şarj alüminyum kolay olmadığı bilinmektedir, katodik şarj gibi hidrojen şarj yöntemleri kullanırken bile15, nemli hava altında yavaş gerinim hızı deformasyon16, veya hidrojen plazma gazı şarj17. Hidrojen şarj alüminyum alaşımları zorluk da alüminyum alaşım yüzeyinde oksit filmler kaynaklanmaktadır. Eğer oksit filmini suda sürekli olarak çıkarabilseydik, alüminyum alaşımlarına daha yüksek miktarda hidrojen girebileceğini öne çıkardık. Termodinamik18, oksit film olmadan saf alüminyum su ile kolayca tepki ve hidrojen üretir. Buna dayanarak, su ve oksit olmayan alüminyum arasındaki kimyasal reaksiyona dayalı alüminyum alaşımlarının hidrojen şarj yeni bir yöntem geliştirdik. Bu yöntem basit bir şekilde alüminyum alaşımları içine hidrojen yüksek miktarda eklemek mümkün.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Malzeme hazırlama
- 1 kütle% Mg ve 0.8 kütle% Si (Al-Mg-Si) içeren bir alüminyum-magnezyum-silikon alaşımdan yapılmış 1 mm kalınlığında plakalar kullanın.
- 10 mm ve 5 mm genişliğe sahip Al-Mg-Si alaşım plakalarından test parçaları yapın.
- Anneal test parçaları 520 °C'de 1 saat boyunca bir hava fırını kullanarak. Bir çözelti ısıl işlem olarak suda söndürmek.
- Anneal test parçaları 175 °C'de 18 saat boyunca en yüksek yaşlanma ısıl işlem (T6-temper) olarak.
- Test parçalarının yüzeyini susuz silikon karbür emery kağıt (#2000) kullanarak parlata.
- Cilalı numunelerin ağırlığını elektrik dengesi kullanarak 0,0001 g hassasiyetle ölçün
- Optik karşılaştırıcı kullanarak numunelerin ölçü kısmının kalınlığını ve genişliğini 0,001 mm hassasiyetle ölçün.
2. FW prosedürü (Şekil 1)
- Florokarbon polimeri tarafından yapılan üçgen, prizma şeklindeki karıştırıcıya tutkal kullanarak iki Al-Mg-Si alaşımörneği takın.
- Bir reaksiyon kabı olarak boş bir üst ile bir silindir cam konteyner hazırlayın.
- 10 mm çapında silikon karbürler, #2000 tarafından yapılmış yuvarlak bir parlatma kağıdı, konteynerin alt kısmında çift taraflı bant kullanarak takın.
- Cam kabın alt yüzeyinde parlatma kağıt üzerinde iki örnek ile üçgen, prizma şeklinde karıştırıcı yerleştirin.
- Üstten cam kabına 100 mL distile su dökün.
- Cam kabı üç delikli yuvarlak kauçuk bir parçaile kaplayın (gaz girişi için, gaz çıkışı için ve cam kabın üst kısmındaki bir pH probu için).
- Cam kabı yüksek saflıkta doldurun (%99.999) kauçuk kapağı kapattıktan sonra 20 mL/dk sabit akış hızında argon.
- Gaz çıkışını yarı iletken hidrojen sensörü (algılama limiti: 5 ppb) ile gaz kromatografisine (GC) bağlayın.
- Konteynerdeki gaz ın yerini argon alakadar bekleyin.
- Oda sıcaklığında sabit bir dönme hızı ile manyetik karıştırıcı üzerinde iki örnek ile üçgen, prizma şeklinde karıştırıcı döndürün.
- GC'yi kullanarak karıştırıcı dönüşü sırasında hidrojen üretimini ölçün ve her 2 dakikada bir ölçü alın.
- Karıştırıcı dönüşü sırasında kabın içinde suyun pH ölçün.
- FW işleminden sonra 5 dakika boyunca ultrasonik titreşim ile aseton daldırma tarafından üçgen, prizma şeklinde ki karıştırıcıdan iki örneği çıkarın.
- Sırasıyla elektrik dengesi ve optik karşılaştırıcı yı kullanarak FW prosedüründen sonra numunelerin ağırlığını ve kalınlığını tekrar ölçün.
3. FW prosedürü ile hidrojen emilimi
- FW işleminden sonra, bir numuneyi 1 x 5 x 10 mm'lik dikdörtgen şekle kesin.
- Numuneyi, yarı iletken hidrojen sensörüne sahip bir GC'ye bağlı 10 mm çapında bir kuvars tüpün içine yerleştirin.
- Akış yüksek saflıkta (%99.999) sabit akış hızı 20 mL/dk olan bir kuvars tüpte argon gazı.
- Kuvars tüpünü, 200 °C/h sabit bir ısıtma hızında boru fırını kullanarak numuneyle ısıtın.
- GC kullanarak FW işleminden sonra numunenin termal hidrojen desorpsiyonunun ölçün.
4. FW prosedürü nden sonra malzeme değerlendirmesi
- FW prosedürü ile işlenmiş bir numuneyi kullanarak laboratuvar havasında 2 mm/dk'lık çapraz kafa hızıyla çekme testleri (tekrarlanabilirliği sağlamak için en az 3x) gerçekleştirin.
- Çekme testindeki gerilme-gerinim eğrisinden elde edilen çekme özelliklerini (örn. çekme mukavemeti, kırılma gerilimi) ölçün.
- Çekme testinden sonra ikincil elektron mikroskobu (SEM) ile kırık davranışını gözlemleyin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
FW prosedürü ile hidrojen üretimi/emilimi
Şekil 2, Al-Mg-Si alaşımlarının FW işlemi sırasında hidrojen üretim davranışını gösterir ve farklı miktarlarda demir içeren 0,1 kütle % ile 0,7 kütle % arasındadır. Karıştırıcı dönmeye başladığında numune sürekli olarak yüksek miktarda hidrojen yayan. Bu, hidrojenin alaşım yüzeyi ile su arasındaki sürtünmenin neden olduğu kimyasal bir reaksiyon sonucu üretildiğini göstermektedir. Buna ek olarak, FW işlemi sırasında suyun pH değeri Şekil 3'tegösterildiği gibi 6,5-7,5'ten biraz artmıştır. FW prosedürü ile pH değişimi Pourbaix19tarafından önerilen elektrokimyasal diyagramdayalı aşındırıcı reaksiyon etkilemez.
Şekil 4, Al-Mg-Si alaşımlarının FW prosedürü ile hidrojen şarjı olan ve olmayan numunelerde TDA sonuçlarını göstermektedir. Numunenin alaşım bileşimine bakılmaksızın, FW prosedüründen sonraki toplam hidrojen konsantrasyonu orijinal yüksüz duruma göre artmıştır. FW prosedüründen sonraki tüm örneklerde hidrojen evrimi 400 °C'nin üzerinde gerçekleşmiş. Hidrojen yüklü örneklerde 300 °C-400 °C civarında hidrojen evriminin küçük bir zirvesi de görülebiliyordu. Hidrojen evrimi 300 °C-400 °C civarındaki tepe noktası, çıkık ve tane sınırları20,21gibi kafes defektleri ile hidrojen yakalama ile ilgili olacaktır. Hidrojen salınım hızı ve 25 °C-625 °C'den gelen sıcaklık entegre edilerek hesaplanan hidrojen konsantrasyonu Şekil 5'tegösterilmiştir. FW prosedüründen sonra hidrojen konsantrasyonunun orijinal durumdan yaklaşık 4 kat arttığı açıktır.
Şekil 6, FW prosedürü ile hidrojen şarjı arasındaki hidrojen konsantrasyonunun % 0,1'lik demir numunesinde bağıl nem oranı %90 olan nemli bir hava atmosferi altında 0,1'in ön gerilimi ile karşılaştırılacağını göstermektedir. FW prosedürü ile hidrojen şarj ı, nemli hava altında ön süzme ile şarj ile karşılaştırıldığında büyük miktarda hidrojen girişine izin verdiği de açıktır.
FW prosedürü nden sonra mekanik performans
Şekil 7 hem hidrojen yüklü numunelerin hem de hidrojen yüklü örneklerin gerilme test sonuçlarını gösterir. Al-Mg-Si alaşımında fw işleminden hemen sonra %0.1 demir ile süneklikte azalma gözlendi. Bu, %0.1 demiriçeren Al-Mg-Si alaşımının FW prosedürü nün yüksek miktarda hidrojen levazımatının neden olduğu hidrojen embrittlement'ı gösterdiğini gösterir.
Al-Mg-Si alaşımının %0.1 demir ile kırık morfolojisi, FW prosedürü ile hidrojen inşarjı ndan sonra tahıl sınır kırığına dönüşmüştür, özellikle Şekil 8'degösterildiği gibi hidrojen giriş tarafına bitişiktir. Bu, FW prosedürü tarafından tanıtılan hidrojen atomlarının tahıl sınırlarının kaynaşmasını artırdığını gösterir, bu da hidrojen embrittlement yol açar, Al-Mg-Si alaşım% 0.1 demir ile.
Şekil 1: FW prosedüründe kullanılan aparatın şeması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: FW işlemi sırasında hidrojen üretimi. (A) % 0.1 Fe, (B) 0.2% fe, (C) 0.7% fe. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: FW işlemi sırasında pH değişimi. (A) % 0.1 Fe, (B) 0.2% fe, (C) 0.7% fe. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Al-Mg-Si alaşımlarının demir ile termal hidrojen desorpsiyon analizi. (A) 0,1 fe, (B) %0,2 fe,(C) %0,7 fe. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: FW prosedürü ile ve olmadan hidrojen konsantrasyonu. (A) % 0.1 Fe, (B) 0.2% fe, (C) 0.7% fe. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Termal desorpsiyon analizi ve Al-Mg-Si alaşımlarının hidrojen konsantrasyonunun farklı hidrojen şarj koşullarında %0.1 Fe ile karşılaştırılması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Al-Mg-Si alaşımının %0.1 Fe ile gerilme eğrileri, FW prosedüründen önce ve hemen sonra. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Al-Mg-Si alaşımının %0.1 Fe ile kırık yüzeyleri. (A) FW işleminden önce ve (B) hidrojen giriş tarafına bitişik. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
FW prosedürünün önemli bir yönü, iki örneğin manyetik karıştırıcıya bağlanmasıdır. Karıştırıcı çubuğunun merkezi sürtünmez bölge haline geldiği için, numunelerin karıştırıcı çubuğunun ortasındaki ekinden kaçınmak en iyisidir.
Karıştırıcı çubuğunun dönüş hızının kontrolü de önemlidir. Hız 240 rpm'den fazla olduğunda, manyetik karıştırıcı nın sahnesinde reaksiyon damarını korumak zorlaşır. FW işlemi yüksek hızda yapıldığında, reaksiyon kabının manyetik karıştırıcı aşamasına sabitlenmesi gerekir.
FW prosedürü ile hidrojen şarj su ve oksit olmayan kaplı alüminyum yüzey arasındaki kimyasal reaksiyona dayalı olduğundan, bu basit bir yöntem geleneksel hidrojen şarj yöntemleri ile karşılaştırıldığında, katodik şarj gibi15, nemli bir hava atmosferi altında ön süzme16. Üretilen hidrojenin teorik hacmi, FW prosedüründen önce ve sonra numunedeki ağırlık değişimine göre hesaplanır. Ayrıca, FW prosedürü alüminyum içine hidrojen yüksek miktarda tanıtmak olabilir. Ancak, FW prosedürünün süresi daha uzun olduğunda suyun pH değeri artar. Suyun pH değeri >10 olduğunda, alüminyum ile su arasında aşındırıcı bir reaksiyon16olabilir. Numunenin aşındırıcı reaksiyonu önlemek için, FW prosedürünün süresi sınırlandırılmalıdır, böylece su çözeltisinin pH değeri 4-10 arasında değişmektedir.
FW prosedüründe, hidrojen şarj temelde plaka şeklinde alüminyum ve alüminyum alaşımları için geçerlidir. FW prosedüründeki hidrojen şarjı plaka örneğinin bir yüzeyinden hidrojen girişine dayanır.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma kısmen The Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Japan tarafından finansal olarak desteklenmiştir.
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).
