Carga de hidrógeno de aluminio usando fricción en el agua

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Summary

Con el fin de introducir altas cantidades de hidrógeno en aleaciones de aluminio y aluminio, se desarrolló un nuevo método de carga de hidrógeno, llamado la fricción en el procedimiento de agua.

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

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Abstract

Se desarrolló un nuevo método de carga de hidrógeno de aluminio mediante un procedimiento de fricción en el agua (FW). Este procedimiento puede introducir fácilmente altas cantidades de hidrógeno en aluminio basado en la reacción química entre el agua y el aluminio recubierto de óxido.

Introduction

En general, las aleaciones de base de aluminio tienen una mayor resistencia a la fragilidad del hidrógeno ambiental que el acero. La alta resistencia a la fragilidad del hidrógeno de las aleaciones de aluminio se debe a películas de óxido en la superficie de aleación que bloquean la entrada de hidrógeno. Para evaluar y comparar la alta sensibilidad de fragilidad entre las aleaciones de aluminio, la carga de hidrógeno se realiza generalmente antes de las pruebas mecánicas1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Sin embargo, se sabe que el aluminio de carga de hidrógeno no es fácil, incluso cuando se utilizan métodos de carga de hidrógeno como la carga catódica15, la deformación de la tasa de tensión lenta bajo el aire húmedo16,o la carga de gas de plasma de hidrógeno17. La dificultad de las aleaciones de aluminio de carga de hidrógeno también se debe a las películas de óxido en la superficie de aleación de aluminio. Postulamos que se podrían introducir mayores cantidades de hidrógeno en las aleaciones de aluminio si pudiéramos eliminar la película de óxido continuamente en agua. Termodinámicamente18, aluminio puro sin película de óxido reacciona fácilmente con el agua y genera hidrógeno. Basándonos en esto, hemos desarrollado un nuevo método de carga de hidrógeno de aleaciones de aluminio basado en la reacción química entre el agua y el aluminio sin óxido. Este método es capaz de añadir altas cantidades de hidrógeno en las aleaciones de aluminio de una manera sencilla.

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Protocol

1. Preparación de materiales

  1. Utilice placas de 1 mm de espesor hechas de una aleación de aluminio-magnesio-silicio que contenga 1 masa% Mg y 0.8 masa% Si (Al-Mg-Si).
  2. Realice piezas de prueba a partir de las placas de aleación Al-Mg-Si que tengan una longitud de calibre de 10 mm y una anchura de 5 mm.
  3. Recocido de las piezas de ensayo a 520 oC durante 1 h utilizando un horno de aire. Aquento en agua como tratamiento térmico solución.
  4. Recocido de las piezas de ensayo a 175 oC durante 18 h como tratamiento térmico de mayor envejecimiento (T6-temper).
  5. Pulir la superficie de las piezas de prueba utilizando papel de esmerado de carburo de silicio (#2000) sin agua.
  6. Mida el peso de las muestras pulidas a una precisión de 0.0001 g utilizando una balanza eléctrica
  7. Mida el grosor y la anchura de la parte del calibre de las muestras a una precisión de 0,001 mm utilizando un comparador óptico.

2. Procedimiento FW(Figura 1)

  1. Adjunte dos especímenes de aleación de Al-Mg-Si usando pegamento a un agitador triangular en forma de prisma hecho por un polímero de fluorocarbono.
  2. Prepare un recipiente de vidrio del cilindro con una parte superior vacía como recipiente de reacción.
  3. Coloque un papel de pulido redondo hecho por carburos de silicio, #2000 con un diámetro de 10 mm, utilizando cinta adhesiva de doble cara en la parte inferior interior del recipiente.
  4. Coloque el agitador triangular en forma de prisma con dos especímenes en el papel de pulido en la superficie inferior del recipiente de vidrio.
  5. Vierta 100 ml de agua destilada en el recipiente de vidrio desde la parte superior.
  6. Cubra el recipiente de vidrio con una pieza de goma redonda con tres orificios (para una entrada de gas, para una salida de gas y para una sonda de pH en la parte superior del recipiente de vidrio).
  7. Llenar el recipiente de vidrio con alta pureza (99,999%) argón a un caudal constante de 20 ml/min después de cerrar la cubierta de goma.
  8. Conecte la salida de gas a un cromatógrafo de gases (GC) con un sensor de hidrógeno semiconductor (límite de detección: 5 ppb).
  9. Espere hasta que el gas en el recipiente sea reemplazado por argón.
  10. Gire el agitador triangular en forma de prisma con dos especímenes en un agitador magnético con una velocidad de rotación constante a temperatura ambiente.
  11. Mida la generación de hidrógeno durante la rotación del agitador utilizando el GC, tomando una medida cada 2 min.
  12. Mida el pH del agua en el recipiente durante la rotación del agitador.
  13. Retire los dos especímenes del agitador triangular en forma de prisma por inmersión en acetona con una vibración ultrasónica durante 5 minutos después del procedimiento FW.
  14. Mida de nuevo el peso y el grosor de las muestras después del procedimiento FW utilizando la balanza eléctrica y un comparador óptico, respectivamente.

3. Absorción de hidrógeno por el procedimiento FW

  1. Después del procedimiento FW, corte una muestra a una forma rectangular de 1 x 5 x 10 mm.
  2. Coloque la muestra dentro de un tubo de cuarzo con un diámetro de 10 mm conectado a un GC con un sensor de hidrógeno semiconductor.
  3. Flujo de alta pureza (99,999%) gas de argón en un tubo de cuarzo con un caudal constante de 20 ml/min.
  4. Calentar el tubo de cuarzo con la muestra utilizando un horno tubular a una velocidad de calentamiento constante, 200 oC/h.
  5. Mida la desorción térmica de hidrógeno de la muestra después del procedimiento FW utilizando el GC.

4. Evaluación de materiales después del procedimiento DE FW

  1. Realizar pruebas de tracción (al menos 3x, para garantizar la repetibilidad) en el aire de laboratorio con una velocidad de crucedesión de 2 mm/min utilizando una muestra que ha sido tratada por el procedimiento FW.
  2. Mida las propiedades de tracción (por ejemplo, resistencia a la tracción, tensión de fractura) obtenidas de la curva de tensión-tensión en la prueba de tracción.
  3. Observe el comportamiento de la fractura con un microscopio electrónico secundario (SEM) después de la prueba de tracción.

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Representative Results

Generación/absorción de hidrógeno por el procedimiento FW
La Figura 2 muestra el comportamiento de generación de hidrógeno durante el procedimiento FW de aleaciones de Al-Mg-Si que contienen diferentes cantidades de hierro del 0,1 % de masa al 0,7 % de masa. La muestra emitía continuamente una gran cantidad de hidrógeno cuando el agitador comenzó a girar. Esto sugiere que el hidrógeno fue generado por una reacción química causada por la fricción entre la superficie de la aleación y el agua. Además, el valor de pH del agua durante el procedimiento FW aumentó ligeramente de 6,5 a 7,5, como se muestra en la Figura 3. El cambio de pH por el procedimiento FW no afectaría a la reacción corrosiva basada en el diagrama electroquímico propuesto por Pourbaix19.

La Figura 4 muestra los resultados de TDA en muestras con y sin carga de hidrógeno por el procedimiento FW de las aleaciones Al-Mg-Si. Independientemente de la composición de aleación de la muestra, la concentración total de hidrógeno después del procedimiento DE FW aumentó en comparación con el estado original sin carga. En todas las muestras después del procedimiento de FW, la evolución del hidrógeno se produjo a más de 400 oC. Un pequeño pico de evolución del hidrógeno también fue visible alrededor de 300 oC–400 oC en las muestras cargadas de hidrógeno. El pico de la evolución del hidrógeno en torno a los 300 oC-400 oC estaría relacionado con la captura de hidrógeno por defectos de celosía, tales como dislocaciones y límites de grano20,21. La concentración de hidrógeno calculada mediante la integración de la tasa de liberación de hidrógeno y la temperatura de 25 oC a 625 oC se muestra en la Figura 5. Es obvio que la concentración de hidrógeno después del procedimiento FW aumentó alrededor de 4 veces desde el estado original.

La Figura 6 muestra la comparación de la concentración de hidrógeno entre el procedimiento FW y la carga de hidrógeno por pre-tensión de 0.1 bajo una atmósfera de aire húmedo con una humedad relativa del 90% en una muestra de hierro 0.1%. También está claro que la carga de hidrógeno por el procedimiento FW permitió la introducción de grandes cantidades de hidrógeno en comparación con la carga por pre-tensión bajo el aire húmedo.

Rendimiento mecánico después del procedimiento FW
La Figura 7 muestra los resultados de las pruebas de tracción tanto de las muestras sin carga como de las muestras cargadas de hidrógeno. Se observó una disminución en la ductilidad en la aleación Al-Mg-Si con 0,1% de hierro justo después del procedimiento de FW. Esto indica que la aleación Al-Mg-Si con 0.1% de hierro muestra la fragilidad del hidrógeno causada por la alta cantidad de carga de hidrógeno por el procedimiento FW.

La morfología de la fractura de la aleación Al-Mg-Si con 0,1% de hierro cambió a una fractura límite de grano después de la carga de hidrógeno por el procedimiento FW, particularmente adyacente al lado de entrada de hidrógeno como se muestra en la Figura 8. Esto indica que los átomos de hidrógeno introducidos por el procedimiento FW mejoran la descohesión de los límites del grano, lo que conduce a la fragilidad del hidrógeno, en la aleación Al-Mg-Si con 0,1% de hierro.

Figure 1
Figura 1: Esquema del aparato utilizado en el procedimiento FW. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Generación de hidrógeno durante el procedimiento FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Cambio del pH durante el procedimiento FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Análisis de desorción de hidrógeno térmico de aleaciones Al-Mg-Si con hierro. (A) 0,1 Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Concentración de hidrógeno con y sin el procedimiento FW. (A) 0,1% Fe, (B) 0,2% Fe, (C) 0,7% Fe. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Comparación del análisis de desorción térmica y la concentración de hidrógeno de aleaciones Al-Mg-Si con 0,1% de Fe en diferentes condiciones de carga de hidrógeno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Curvas de tensión-deformación unitaria de la aleación Al-Mg-Si con 0,1% De Fe, antes y justo después del procedimiento FW. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 8
Figura 8: Superficies de fractura de una aleación Al-Mg-Si con 0,1% De Fe. (A) Antes y (B) después del procedimiento FW, adyacente al lado de entrada de hidrógeno. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Un aspecto importante del procedimiento FW es la unión de los dos especímenes al agitador magnético. Debido a que el centro de la barra del agitador se convierte en la zona de no fricción, es mejor evitar la unión de los especímenes en el centro de la barra del agitador.

También es importante controlar la velocidad de rotación de la barra de agitación. Cuando la velocidad es superior a 240 rpm, se hace difícil mantener el recipiente de reacción en el escenario del agitador magnético. Cuando el procedimiento DE FW se lleva a cabo a alta velocidad, se necesita fijar el recipiente de reacción a la etapa del agitador magnético.

Debido a que la carga de hidrógeno por el procedimiento FW se basa en la reacción química entre el agua y una superficie de aluminio recubierto de óxido, este es un método simple en comparación con los métodos de carga de hidrógeno convencionales, tales como la carga catódica15, pre-tensión bajo una atmósfera de aire húmedo16. Un volumen teórico de hidrógeno generado se calcula sobre la base del cambio de peso en la muestra antes y después del procedimiento FW. Además, el procedimiento FW puede introducir altas cantidades de hidrógeno en el aluminio. Sin embargo, cuando el tiempo del procedimiento FW es más largo, el valor de pH del agua aumenta. Cuando el valor de pH del agua se convierte en >10, una reacción corrosiva entre el aluminio y el agua puede ocurrir16. Para evitar la reacción corrosiva de la muestra, el tiempo del procedimiento DE FW debe limitarse, por lo que el valor de pH de la solución de agua oscila entre 4 y 10.

En el procedimiento FW, la carga de hidrógeno es aplicable básicamente a las aleaciones de aluminio y aluminio en forma de placa. La carga de hidrógeno en el procedimiento FW se basa en la entrada de hidrógeno de una superficie de la muestra de placa.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado financieramente en parte por The Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Japón

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

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References

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