Summary
Om hoge hoeveelheden waterstof in aluminium en aluminiumlegeringen te introduceren, werd een nieuwe methode van waterstoflading ontwikkeld, genoemd de wrijving in waterprocedure.
Abstract
Een nieuwe methode voor het opladen van aluminium op waterstof werd ontwikkeld door middel van een wrijving in water (FW) procedure. Deze procedure kan gemakkelijk leiden tot hoge hoeveelheden waterstof in aluminium op basis van de chemische reactie tussen water en niet-oxide gecoate aluminium.
Introduction
In het algemeen, aluminium basis legeringen hebben een hogere weerstand tegen milieu-waterstof brosheid dan staal. De hoge weerstand tegen waterstof brosheid van aluminiumlegeringen is te wijten aan oxide films op de legering oppervlak blokkeren waterstof binnenkomst. Om de hoge gevoeligheid van aluminiumlegeringen te evalueren en te vergelijken, wordt het opladen van waterstof meestal uitgevoerd vóór mechanische tests1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Het is echter bekend dat waterstof opladen aluminium is niet gemakkelijk, zelfs bij het gebruik van waterstof opladen methoden zoals kathodische opladen15,langzame spanning tarief vervorming onder vochtige lucht16, of waterstof plasma gas opladen17. De moeilijkheid van waterstof opladen aluminium legeringen is ook te wijten aan de oxide films op de aluminium legering oppervlak. We postuleerden dat hogere hoeveelheden waterstof in aluminiumlegeringen konden worden geïntroduceerd als we de oxidefilm continu in water konden verwijderen. Thermodynamisch18, zuiver aluminium zonder oxide film reageert gemakkelijk met water en genereert waterstof. Op basis hiervan hebben we een nieuwe methode ontwikkeld voor het opladen van aluminiumlegeringen op basis van de chemische reactie tussen water en niet-oxidealuminium. Deze methode is in staat om grote hoeveelheden waterstof toe te voegen aan aluminiumlegeringen op een eenvoudige manier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Materiaalbereiding
- Gebruik 1 mm dikke platen gemaakt van een aluminium-magnesium-silicium legering met 1 massa% Mg en 0,8 massa% Si (Al-Mg-Si).
- Maak proefstukken van de Al-Mg-Si legeringplaten met een breedte van 10 mm en breedte van 5 mm.
- Anneal de proefstukken bij 520 °C gedurende 1 uur met behulp van een luchtoven. Blus in water als oplossing warmtebehandeling.
- Anneal de teststukken bij 175 °C voor 18 uur als een piek veroudering warmtebehandeling (T6-temper).
- Polijst het oppervlak van de teststukken met behulp van siliciumcarbide emery papier (#2000) zonder water.
- Meet het gewicht van de gepolijste exemplaren tot een precisie van 0,0001 g met behulp van een elektrische balans
- Meet de dikte en breedte van het maatgedeelte van de specimens tot een nauwkeurigheid van 0,001 mm met behulp van een optische comparator.
2. FW-procedure (figuur 1)
- Bevestig twee Al-Mg-Si legeringsexemplaren met lijm aan een driehoekige, prismavormige roeraar gemaakt door een fluorkoolstofpolymeer.
- Bereid een cilinderglazen container voor met een lege bovenkant als reactievat.
- Bevestig een rond polijstpapier gemaakt door siliciumcarbides, #2000 met een diameter van 10 mm, met behulp van dubbelzijdige tape in de bodem binnenkant van de container.
- Plaats de driehoekige, prismavormige roeraar met twee exemplaren op het polijstpapier op het onderste oppervlak van de glascontainer.
- Giet 100 mL gedestilleerd water vanaf de bovenkant in de glazen container.
- Bedek de glazen container met een rond rubberstuk met drie gaten (voor een gasinlaat, voor een gasuitlaat en voor een pH-sonde aan de bovenkant van de glazen container).
- Vul de glascontainer met een hoge zuiverheid (99,999%) argon bij een constante stroomsnelheid van 20 mL/min na het sluiten van de rubberen deksel.
- Sluit de gasuitlaat aan op een gaschromatograaf (GC) met een waterstofsensor voor halfgeleiders (detectielimiet: 5 ppb).
- Wacht tot het gas in de container wordt vervangen door argon.
- Draai de driehoekige, prismavormige roeraar met twee exemplaren op een magnetische roeraar met een constante roterende snelheid bij kamertemperatuur.
- Meet de waterstofproductie tijdens de roerstaafrotatie met behulp van de GC en meet elke 2 min één meting.
- Meet de pH van het water in de container tijdens de roergang.
- Verwijder de twee exemplaren uit de driehoekige, prismavormige roerder door onderdompeling in aceton met een ultrasone trilling gedurende 5 min na de FW-procedure.
- Meet het gewicht en de dikte van de exemplaren na de FW-procedure opnieuw met behulp van respectievelijk de elektrische balans en een optische comparator.
3. Waterstofabsorptie door de FW-procedure
- Snijd na de FW-procedure een exemplaar in een rechthoekige vorm van 1 x 5 x 10 mm.
- Plaats het exemplaar in een kwartsbuis met een diameter van 10 mm verbonden met een GC met een halfgeleiderwaterstofsensor.
- Stroom hoge zuiverheid (99.999%) argongas in een kwartsbuis met een constante stroomsnelheid van 20 mL/min.
- Verwarm de kwartsbuis met het monster met behulp van een buisoven met een constante verwarmingssnelheid van 200 °C/h.
- Meet de thermische waterstofdesorptie van het monster na de FW-procedure met behulp van de GC.
4. Materiële evaluatie na de FW-procedure
- Uitvoeren van trekproeven (ten minste 3x, om herhaalbaarheid te garanderen) in laboratoriumlucht met een kruiskopsnelheid van 2 mm/min met behulp van een monster dat volgens de FW-procedure is behandeld.
- Meet de trekeigenschappen (bijvoorbeeld treksterkte, fractuurspanning) verkregen uit de spanningsspanningscurve in de trekproef.
- Observeer het fractuurgedrag met een secundaire elektronenmicroscoop (SEM) na de trektest.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Waterstofopwekking/absorptie door de FW-procedure
Figuur 2 toont het gedrag van de waterstofproductie tijdens de FW-procedure van Al-Mg-Si-legeringen die verschillende hoeveelheden ijzer bevatten, van 0,1 massa % tot 0,7 massa %. Het monster stootte continu een hoge hoeveelheid waterstof uit toen de roeraar begon te draaien. Dit suggereert dat waterstof werd gegenereerd door een chemische reactie veroorzaakt door de wrijving tussen het legeringsoppervlak en het water. Bovendien steeg de pH-waarde van het water tijdens de FW-procedure licht van 6,5 tot 7,5, zoals blijkt uit figuur 3. De wijziging van de pH door de FW-procedure zou geen invloed hebben op de corrosieve reactie op basis van het elektrochemische diagram voorgesteld door Pourbaix19.
Figuur 4 toont de TDA resultaten in monsters met en zonder waterstof opladen door de FW-procedure van de Al-Mg-Si legeringen. Ongeacht de legeringssamenstelling van het monster steeg de totale waterstofconcentratie na de FW-procedure ten opzichte van de oorspronkelijke niet-opgeladen toestand. In alle monsters na de FW-procedure vond de waterstofevolutie plaats bij meer dan 400 °C. Een kleine piek van waterstofevolutie was ook zichtbaar rond 300 °C-400 °C in de monsters op waterstof. De waterstofevolutiepiek rond 300 °C–400 °C zou verband houden met het vangen van waterstof door roosterdefecten, zoals dislocaties en graangrenzen20,21. De waterstofconcentratie berekend door de waterstofafgiftesnelheid en de temperatuur van 25 °C-625 °C te integreren, is weergegeven in figuur 5. Het is duidelijk dat de waterstofconcentratie na de FW-procedure ongeveer 4x is toegenomen ten opzichte van de oorspronkelijke staat.
Figuur 6 toont de vergelijking van de waterstofconcentratie tussen de FW-procedure en het opladen van waterstof door voorspanning van 0,1 onder een vochtige luchtatmosfeer met een relatieve vochtigheid van 90% in een ijzerexemplaar van 0,1%. Het is ook duidelijk dat de waterstofheffing door de FW-procedure de invoering van grote hoeveelheden waterstof mogelijk maakte in vergelijking met het opladen door voorspanning onder vochtige lucht.
Mechanische prestaties na de FW-procedure
Figuur 7 toont de trektestresultaten van zowel de waterstof-niet-opgeladen monsters als op waterstof geladen monsters. Een afname van de ductiliteit werd waargenomen in de Al-Mg-Si legering met 0,1% ijzer net na de FW procedure. Dit geeft aan dat de Al-Mg-Si legering met 0,1% ijzer toont waterstof brosheid veroorzaakt door de hoge hoeveelheid waterstof opladen door de FW procedure.
De fractuurmorfologie van de Al-Mg-Si legering met 0,1% ijzer veranderde in een graangrens fractuur na de waterstof opladen door de FW procedure, met name grenzend aan de waterstof binnenkomst kant zoals weergegeven in figuur 8. Dit geeft aan dat waterstofatomen geïntroduceerd door de FW-procedure verbeteren de decohesie van graan grenzen, die leidt tot waterstof brosheid, in de Al-Mg-Si legering met 0,1% ijzer.
Figuur 1: Schema van het apparaat dat in de FW-procedure wordt gebruikt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Waterstofgeneratie tijdens de FW-procedure. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe,c) 0,7% Fe. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 3: Wijziging van pH tijdens de FW-procedure. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe,c) 0,7% Fe. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 4: Thermische waterstofdesorptieanalyse van Al-Mg-Si legeringen met ijzer. (A) 0,1 Fe, (B) 0,2% Fe,c) 0,7% Fe. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 5: Waterstofconcentratie met en zonder de FW-procedure. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe,c) 0,7% Fe. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 6: Vergelijking van thermische desorptieanalyse en waterstofconcentratie van Al-Mg-Si legeringen met 0,1% Fe in verschillende waterstoflaadomstandigheden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 7: Stress-spanning singen van de Al-Mg-Si legering met 0,1% Fe, voor en net na de FW procedure. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 8: Breukoppervlakken van een Al-Mg-Si legering met 0,1% Fe. (A) Voor en (B) na de FW-procedure, grenzend aan de waterstofingang. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Een belangrijk aspect van de FW-procedure is de bevestiging van de twee exemplaren aan de magnetische roerder. Omdat het midden van de roerstaaf de niet-wrijvingszone wordt, is het het beste om de bevestiging van de exemplaren in het midden van de roerstaaf te vermijden.
Controle van de rotatiesnelheid van de roerstaaf is ook belangrijk. Wanneer de snelheid meer dan 240 tpm is, wordt het moeilijk om het reactievat op het podium van de magnetische roerder te behouden. Wanneer de FW-procedure op hoge snelheid wordt uitgevoerd, is het mogelijk om het reactievat vast te stellen aan het stadium van de magnetische roerder.
Omdat de waterstofheffing door de FW-procedure is gebaseerd op de chemische reactie tussen water en een niet-oxide gecoat aluminiumoppervlak, is dit een eenvoudige methode in vergelijking met conventionele waterstoflaadmethoden, zoals kathodische opladen15, pre-stam onder een vochtige luchtatmosfeer16. Een theoretisch volume van de geproduceerde waterstof wordt berekend op basis van de verandering van gewicht in het monster voor en na de FW-procedure. Ook kan de FW-procedure grote hoeveelheden waterstof in aluminium introduceren. Wanneer de tijd van de FW-procedure echter langer is, neemt de pH-waarde van water toe. Wanneer de pH-waarde van water wordt >10, kan een corrosieve reactie tussen aluminium en water gebeuren16. Om de corrosieve reactie van het monster te voorkomen, moet de tijd van de FW-procedure worden beperkt, zodat de pH-waarde van de wateroplossing varieert van 4-10.
In de FW-procedure is het opladen van waterstof in principe van toepassing op de plaatvormige aluminium- en aluminiumlegeringen. Het opladen van waterstof in de FW-procedure is gebaseerd op waterstofinvoer vanaf één oppervlak van het plaatmonster.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
Dit werk werd financieel ondersteund voor een deel door 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).
