شحن الهيدروجين من الألومنيوم باستخدام الاحتكاك في الماء

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

من أجل إدخال كميات عالية من الهيدروجين في سبائك الألومنيوم والألومنيوم ، تم تطوير طريقة جديدة لشحن الهيدروجين ، تسمى الاحتكاك في إجراء الماء.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

Horikawa, K., Kobayashi, H. Hydrogen Charging of Aluminum using Friction in Water. J. Vis. Exp. (155), e60711, doi:10.3791/60711 (2020).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

تم تطوير طريقة جديدة لشحن الهيدروجين من الألومنيوم عن طريق الاحتكاك في الماء (FW) الإجراء. هذا الإجراء يمكن أن يدخل بسهولة كميات عالية من الهيدروجين في الألومنيوم على أساس التفاعل الكيميائي بين الماء والألومنيوم غير أكسيد المغلفة.

Introduction

بشكل عام، سبائك قاعدة الألومنيوم لديها مقاومة أعلى لهشاشة الهيدروجين البيئية من الصلب. المقاومة العالية لانفجار الهيدروجين من سبائك الألومنيوم يرجع إلى أفلام أكسيد على سطح سبيكة عرقلة دخول الهيدروجين. لتقييم ومقارنة حساسية الانتفاخ العالية بين سبائك الألومنيوم ، عادة ما يتم تنفيذ شحن الهيدروجين قبل الاختبار الميكانيكي1،2،3،4،6،7،8،9،10،11،12،13،14، 15،16،17. ومع ذلك ، فمن المعروف أن الألومنيوم شحن الهيدروجين ليس من السهل ، حتى عند استخدام طرق شحن الهيدروجين مثل شحن الكاثودية15، بطيئة السلالة معدل تشوه تحت الهواء الرطب16، أو غاز بلازما الهيدروجين شحن17. صعوبة الهيدروجين شحن سبائك الألومنيوم ويرجع ذلك أيضا إلى أفلام أكسيد على سطح سبائك الألومنيوم. لقد افترضنا أنه يمكن إدخال كميات أعلى من الهيدروجين في سبائك الألومنيوم إذا تمكنا من إزالة فيلم أكسيد بشكل مستمر في الماء. الحرارية18، الألومنيوم النقي دون أكسيد الفيلم يتفاعل بسهولة مع الماء ويولد الهيدروجين. وبناء على ذلك، قمنا بتطوير طريقة جديدة لشحن الهيدروجين من سبائك الألومنيوم على أساس التفاعل الكيميائي بين الماء والألومنيوم غير أكسيد. هذه الطريقة قادرة على إضافة كميات عالية من الهيدروجين إلى سبائك الألومنيوم بطريقة بسيطة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد المواد

  1. استخدام 1 ملم لوحات سميكة مصنوعة من سبائك الألومنيوم والمغنيسيوم والسيليكون التي تحتوي على 1 كتلة ملغ٪ و 0.8 كتلة٪ Si (Al-Mg-Si).
  2. جعل قطع اختبار من لوحات سبيكة Al-Mg-Si لها طول قياس 10 ملم وعرض 5 ملم.
  3. أنال قطع الاختبار في 520 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة باستخدام فرن الهواء. إخماد في الماء كحل المعالجة الحرارية.
  4. أنال قطع الاختبار في 175 درجة مئوية لمدة 18 ساعة كعلاج الحرارة الشيخوخة الذروة (T6-المزاج).
  5. تلميع سطح قطع الاختبار باستخدام ورق السيليكون كربيد إيمري (#2000) بدون ماء.
  6. قياس وزن العينات المصقولة بدقة 0.0001 غرام باستخدام توازن كهربائي
  7. قياس سمك وعرض الجزء قياس من العينات إلى دقة 0.001 ملم باستخدام المقارنة البصرية.

2. FW الإجراء(الشكل 1)

  1. إرفاق اثنين من العينات سبيكة الماغ-سي باستخدام الغراء إلى الثلاثي، على شكل المنشور التحريك التي أدلى بها البوليمر الفلوروكربون.
  2. إعداد وعاء زجاجي اسطوانة مع أعلى فارغة كوعاء رد فعل.
  3. إرفاق ورقة تلميع جولة التي أدلى بها الكربيد السيليكون، #2000 بقطر 10 ملم، وذلك باستخدام شريط من جانب مزدوج في الجزء السفلي داخل الحاوية.
  4. ضع التحريك الثلاثي على شكل المنشور مع عينتين على ورق التلميع في السطح السفلي للحاوية الزجاجية.
  5. صب 100 مل من الماء المقطر في وعاء زجاجي من أعلى.
  6. تغطية الحاوية الزجاجية مع قطعة مطاطية مستديرة مع ثلاثة ثقوب (لمنفذ الغاز، لمنفذ الغاز، ومسبار درجة الحموضة في الجزء العلوي من الحاوية الزجاجية).
  7. ملء الحاوية الزجاجية بنقاء عال (99.999%) الأرجون بمعدل تدفق ثابت من 20 مل / دقيقة بعد إغلاق الغطاء المطاطي.
  8. قم بتوصيل منفذ الغاز بكروماتوجراف الغاز (GC) مع مستشعر الهيدروجين أشباه الموصلات (حد الكشف: 5 جزء في المليار).
  9. انتظر حتى يتم استبدال الغاز في الحاوية بواسطة الأرجون.
  10. قم بتدوير التحريك الثلاثي على شكل منشور مع عينتين على جهاز تحريك مغناطيسي بسرعة دوران ثابتة في درجة حرارة الغرفة.
  11. قياس توليد الهيدروجين أثناء دوران التحريك باستخدام GC، مع قياس واحد كل 2 دقيقة.
  12. قياس درجة الحموضة من الماء في الحاوية أثناء دوران التحريك.
  13. قم بإزالة العينتين من التحريك الثلاثي على شكل المنشور عن طريق الانغماس في الأسيتون مع اهتزاز بالموجات فوق الصوتية لمدة 5 سنوات بعد إجراء FW.
  14. قياس وزن وسماكة العينات مرة أخرى بعد إجراء FW باستخدام التوازن الكهربائي وأساس المقارنة البصري، على التوالي.

3. امتصاص الهيدروجين من قبل الإجراء FW

  1. بعد إجراء FW، اقطع عينة إلى شكل مستطيل من 1 × 5 × 10 مم.
  2. ضع العينة داخل أنبوب كوارتز بقطر 10 مم متصل بشهادة GC مزودة بمستشعر هيدروجين أشباه الموصلات.
  3. تدفق نقاء عالية (99.999٪) غاز الأرجون في أنبوب كوارتز بمعدل تدفق ثابت يبلغ 20 مل/دقيقة.
  4. سخني أنبوب الكوارتز مع العينة باستخدام فرن أنبوبي بمعدل تسخين ثابت، 200 درجة مئوية/ساعة.
  5. قياس امتصاص الهيدروجين الحراري للعينة بعد إجراء FW باستخدام GC.

4- تقييم المواد بعد إجراء FW

  1. إجراء اختبارات الشد (على الأقل 3x، لضمان التكرار) في الهواء المختبري مع سرعة متقابلة من 2 مم/دقيقة باستخدام عينة التي تم علاجها من قبل الإجراء FW.
  2. قياس خصائص الشد (على سبيل المثال، قوة الشد، سلالة الكسر) التي تم الحصول عليها من منحنى الإجهاد في اختبار الشد.
  3. مراقبة سلوك الكسر مع المجهر الإلكتروني الثانوي (SEM) بعد اختبار الشد.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

توليد الهيدروجين / امتصاص من قبل إجراء FW
يوضح الشكل 2 سلوك توليد الهيدروجين خلال إجراء FW من سبائك Al-Mg-Si التي تحتوي على كميات مختلفة من الحديد من 0.1 كتلة % إلى 0.7 كتلة%. تنبعث العينة باستمرار كمية عالية من الهيدروجين عندما بدأ التحريك في الدوران. وهذا يشير إلى أن الهيدروجين تم إنشاؤه عن طريق تفاعل كيميائي ناتج عن الاحتكاك بين سطح السبيكة والماء. بالإضافة إلى ذلك ، زادت قيمة الرقم الهيدروجيني للمياه أثناء إجراء FW بشكل طفيف من 6.5-7.5 كما هو موضح في الشكل 3. التغيير في درجة الحموضة من قبل الإجراء FW لن يؤثر على التفاعل التآكل على أساس الرسم البياني الكهروكيميائية المقترحة من قبل Pourbaix19.

ويبين الشكل 4 نتائج TDA في عينات مع وبدون شحن الهيدروجين من قبل إجراء FW من سبائك Al-Mg-Si. بغض النظر عن تكوين سبيكة العينة ، زاد إجمالي تركيز الهيدروجين بعد إجراء FW مقارنة بالحالة الأصلية غير المشحونة. في جميع العينات بعد إجراء FW ، حدث تطور الهيدروجين فوق 400 درجة مئوية. كما كانت ذروة صغيرة لتطور الهيدروجين مرئية حوالي 300 درجة مئوية إلى 400 درجة مئوية في العينات المشحونة بالهيدروجين. تطور الهيدروجين الذروة حوالي 300 درجة مئوية -400 درجة مئوية ستكون ذات صلة إلى محاصرة الهيدروجين من قبل عيوب شعرية، مثل الاضطرابات وحدود الحبوب20،21. يظهر تركيز الهيدروجين المحسوب عن طريق دمج معدل إطلاق الهيدروجين ودرجة الحرارة من 25 درجة مئوية إلى 625 درجة مئوية في الشكل 5. ومن الواضح أن تركيز الهيدروجين بعد إجراء FW زاد حوالي 4x من الحالة الأصلية.

ويبين الشكل 6 مقارنة تركيز الهيدروجين بين إجراء FW وشحن الهيدروجين بسلالة ما قبل 0.1 تحت جو هواء رطب مع رطوبة نسبية بنسبة 90٪ في عينة حديدية بنسبة 0.1٪. ومن الواضح أيضا أن شحن الهيدروجين من قبل إجراء FW سمح بإدخال كميات كبيرة من الهيدروجين مقارنة مع الشحن عن طريق ما قبل السلالة تحت الهواء الرطب.

الأداء الميكانيكي بعد إجراء FW
ويبين الشكل 7 نتائج اختبار الشد لكل من العينات غير المشحونة بالهيدروجين والعينات المشحونة بالهيدروجين. لوحظ انخفاض في ليونة في سبيكة ملغ سي مع 0.1٪ من الحديد بعد إجراء FW. وهذا يشير إلى أن سبيكة Al-Mg-Si مع 0.1٪ من الحديد تظهر تقهدم الهيدروجين الناجم عن الكمية العالية من شحن الهيدروجين من قبل إجراء FW.

تغير الكسر في سبيكة المغ سي مع 0.1% من الحديد إلى كسر حدود الحبوب بعد شحن الهيدروجين من قبل إجراء FW ، ولا سيما المتاخمة لجانب دخول الهيدروجين كما هو موضح في الشكل 8. وهذا يشير إلى أن ذرات الهيدروجين التي أدخلتها عملية FW تعزز التماسك في حدود الحبوب، مما يؤدي إلى تنحنق الهيدروجين، في سبيكة Al-Mg-Si مع 0.1٪ من الحديد.

Figure 1
الشكل 1: تخطيطي للجهاز المستخدم في إجراء FW. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: توليد الهيدروجين أثناء إجراء FW. (A)0.1٪ Fe،(B)0.2٪ Fe،(C)0.7٪ Fe. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: تغيير درجة الحموضة أثناء إجراء FW. (A)0.1٪ Fe،(B)0.2٪ Fe،(C)0.7٪ Fe. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: تحليل إمتزاز الهيدروجين الحراري لسبائك Al-Mg-Si بالحديد. (A)0.1 Fe,(B)0.2% Fe,(C)0.7% Fe. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: تركيز الهيدروجين مع وبدون إجراء FW. (A)0.1٪ Fe،(B)0.2٪ Fe،(C)0.7٪ Fe. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6: مقارنة تحليل الامتزاز الحراري وتركيز الهيدروجين لسبائك Al-Mg-Si مع 0.1٪ Fe في ظروف شحن الهيدروجين المختلفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7: منحنيات الإجهاد سلالة من سبيكة ملغ سي مع 0.1٪ Fe، قبل وبعد الإجراء FW. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8: أسطح كسور سبيكة المغ سي بنسبة 0.1% Fe. (أ)قبل و (ب)بعد إجراء FW ، المتاخمة للجانب دخول الهيدروجين. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

أحد الجوانب الهامة لإجراء FW هو إرفاق العينتين بأداة التحريك المغناطيسية. لأن مركز شريط التحريك يصبح منطقة غير الاحتكاك، فمن الأفضل لتجنب التعلق من العينات في وسط شريط التحريك.

السيطرة على سرعة دوران شريط التحريك مهم أيضا. عندما تكون السرعة أكثر من 240 دورة في الدقيقة، يصبح من الصعب الحفاظ على وعاء التفاعل على خشبة المسرح من التحريك المغناطيسي. عندما يتم إجراء FW بسرعة عالية ، هناك حاجة إلى تحديد وعاء التفاعل إلى مرحلة التحريك المغناطيسي.

لأن شحن الهيدروجين من قبل إجراء FW يستند إلى التفاعل الكيميائي بين الماء وسطح الألومنيوم غير الأوكسيد المغلفة، وهذا هو وسيلة بسيطة بالمقارنة مع طرق شحن الهيدروجين التقليدية، مثل شحن الكاثودية15،قبل سلالة تحت جو الهواء الرطب16. يتم حساب الحجم النظري للهيدروجين المتولد على أساس تغير الوزن في العينة قبل وبعد إجراء FW. أيضا، يمكن إجراء FW إدخال كميات عالية من الهيدروجين في الألومنيوم. ومع ذلك ، عندما يكون وقت إجراء FW أطول ، تزداد قيمة درجة الحموضة للمياه. عندما تصبح قيمة درجة الحموضة للمياه > 10 ، قد يحدث رد فعل تآكل بين الألومنيوم والماء16. لمنع رد الفعل التآكل من العينة، وينبغي أن يكون وقت الإجراء FW محدودة حتى قيمة درجة الحموضة من محلول المياه يتراوح من 4-10.

في الإجراء FW، وشحن الهيدروجين ينطبق أساسا على شكل لوحة سبائك الألومنيوم والألومنيوم. ويستند شحن الهيدروجين في الإجراء FW على دخول الهيدروجين من سطح واحد من عينة لوحة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل ماليًا جزئيًا من قبل مؤسسة Light Metal التعليمية ، أوساكا ، اليابان

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Toda, H., et al. Effects of hydrogen micro pores on mechanical properties in a 2024 aluminum alloys. Materials Transactions. 54, 2195-2201 (2013).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Ellingham, H. J. T. Reducibility of oxides and sulphides in metallurgical processes. Journal of the Society of Chemical Industry. 63, 125-133 (1944).
  19. Pourbaix, M. Atlas of electrochemical equilibria in aqueous solutions, Ist ed. Pergamon Press. New York. 168-176 (1966).
  20. Young, G. A., Scully, J. R. The diffusion and trapping of hydrogen in high purity aluminum. Acta Materialia. 46, 6337-6349 (1998).
  21. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics