Carregamento de hidrogênio de alumínio usando atrito na água

Engineering

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Summary

A fim de introduzir altas quantidades de hidrogênio em ligas de alumínio e alumínio, foi desenvolvido um novo método de carregamento de hidrogênio, chamado de atrito no procedimento hídrico.

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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

Um novo método de carregamento de hidrogênio de alumínio foi desenvolvido por meio de um procedimento de atrito na água (FW). Este procedimento pode facilmente introduzir altas quantidades de hidrogênio em alumínio com base na reação química entre água e alumínio não-óxido revestido.

Introduction

Em geral, as ligas base de alumínio têm maior resistência ao embrittlement ambiental do que o aço. A alta resistência ao embrittlement de hidrogênio das ligas de alumínio deve-se a filmes de óxido na superfície da liga bloqueando a entrada de hidrogênio. Para avaliar e comparar a alta sensibilidade de embrittment entre ligas de alumínio, o carregamento de hidrogênio geralmente é realizado antes do teste mecânico1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. No entanto, sabe-se que o alumínio de carregamento de hidrogênio não é fácil, mesmo quando utiliza métodos de carregamento de hidrogênio, como carregamento catódico15,deformação lenta da taxa de tensão ar úmido16, ou carregamento de gás plasma de hidrogênio17. A dificuldade das ligas de alumínio de carregamento de hidrogênio também se deve aos filmes de óxido na superfície da liga de alumínio. Postulamos que quantidades mais altas de hidrogênio poderiam ser introduzidas em ligas de alumínio se pudéssemos remover a filme de óxido continuamente na água. Termodinamicamente18, alumínio puro sem filme de óxido reage facilmente com água e gera hidrogênio. Com base nisso, desenvolvemos um novo método de carregamento de hidrogênio de ligas de alumínio com base na reação química entre água e alumínio não óxido. Este método é capaz de adicionar altas quantidades de hidrogênio em ligas de alumínio de forma simples.

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Protocol

1. Preparação material

  1. Use placas de 1 mm de espessura feitas de uma liga de alumínio-magnésio-silício contendo 1 massa mg e 0,8 massa Si (Al-Mg-Si).
  2. Faça peças de teste das placas de liga Al-Mg-Si com um comprimento de calibre de 10 mm e largura de 5 mm.
  3. Anneal as peças de teste a 520 °C por 1h usando um forno de ar. Apagar na água como solução o tratamento térmico.
  4. Anneal as peças de teste a 175 °C para 18 h como um tratamento térmico de pico de envelhecimento (T6-temper).
  5. Polonês a superfície das peças de teste usando papel emery de carboneto de silício (#2000) sem água.
  6. Meça o peso dos espécimes polidos a uma precisão de 0,0001 g usando um equilíbrio elétrico
  7. Meça a espessura e largura da parte do medidor dos espécimes a uma precisão de 0,001 mm usando um comparador óptico.

2. Procedimento FW(Figura 1)

  1. Conecte dois espécimes de liga Al-Mg-Si usando cola a um agitador triangular em forma de prisma feito por um polímero de fluorocarbono.
  2. Prepare um recipiente de vidro de cilindro com um top vazio como um vaso de reação.
  3. Conecte um papel de polimento redondo feito por carbides de silício, #2000 com um diâmetro de 10 mm, usando fita dupla lateral na parte inferior do recipiente.
  4. Coloque o agitador triangular em forma de prisma com dois espécimes no papel polimento na superfície inferior do recipiente de vidro.
  5. Despeje 100 mL de água destilada no recipiente de vidro da parte superior.
  6. Cubra o recipiente de vidro com uma peça de borracha redonda com três furos (para uma inlet a gás, para uma tomada de gás, e para uma sonda pH na parte superior do recipiente de vidro).
  7. Encha o recipiente de vidro com alta pureza (99.999%) argônio a uma taxa de fluxo constante de 20 mL/min depois de fechar a tampa de borracha.
  8. Conecte a saída de gás a um cromatógrafo a gás (GC) com um sensor de hidrogênio semicondutor (limite de detecção: 5 ppb).
  9. Espere até que o gás no contêiner seja substituído por argônio.
  10. Gire o agitador triangular em forma de prisma com dois espécimes em um agitador magnético com uma velocidade rotativa constante à temperatura ambiente.
  11. Meça a geração de hidrogênio durante a rotação do agitador usando o GC, tomando uma medição a cada 2 min.
  12. Meça o pH da água no recipiente durante a rotação do agitador.
  13. Remova os dois espécimes do agitador triangular em forma de prisma por imersão em acetona com uma vibração ultrassônica por 5 min após o procedimento FW.
  14. Meça o peso e a espessura dos espécimes novamente após o procedimento FW utilizando o equilíbrio elétrico e um comparador óptico, respectivamente.

3. Absorção de hidrogênio pelo procedimento FW

  1. Após o procedimento FW, corte um espécime em uma forma retangular de 1 x 5 x 10 mm.
  2. Coloque o espécime dentro de um tubo de quartzo com um diâmetro de 10 mm conectado a um GC com um sensor de hidrogênio semicondutor.
  3. Fluxo de alta pureza (99.999%) gás argônio em um tubo de quartzo com uma taxa de fluxo constante de 20 mL/min.
  4. Aqueça o tubo de quartzo com o espécime usando um forno tubular a uma taxa de aquecimento constante, 200 °C/h.
  5. Meça a desorpoção térmica de hidrogênio do espécime após o procedimento FW usando o GC.

4. Avaliação material após o procedimento FW

  1. Realizar testes de tração (pelo menos 3x, para garantir a repetibilidade) no ar de laboratório com uma velocidade de cabeça cruzada de 2 mm/min usando um espécime que foi tratado pelo procedimento FW.
  2. Meça as propriedades de tração (por exemplo, força de tração, cepa de fratura) obtidas da curva de tensão de estresse no teste de tração.
  3. Observe o comportamento da fratura com um microscópio eletrônico secundário (SEM) após o teste de tração.

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Representative Results

Geração/absorção de hidrogênio pelo procedimento FW
A Figura 2 mostra o comportamento da geração de hidrogênio durante o procedimento FW das ligas Al-Mg-Si contendo diferentes quantidades de ferro de 0,1 massa % a 0,7 massa %. O espécime emitiu continuamente uma alta quantidade de hidrogênio quando o mexido começou a girar. Isso sugere que o hidrogênio foi gerado por uma reação química causada pelo atrito entre a superfície da liga e a água. Além disso, o valor do pH da água durante o procedimento FW aumentou ligeiramente de 6,5 a 7,5, como mostrado na Figura 3. A mudança no pH pelo procedimento FW não afetaria a reação corrosiva com base no diagrama eletroquímico proposto por Pourbaix19.

A Figura 4 mostra que o TDA resulta em amostras com e sem carregamento de hidrogênio pelo procedimento FW das ligas Al-Mg-Si. Independentemente da composição da liga do espécime, a concentração total de hidrogênio após o procedimento FW aumentou em comparação com o estado original não carregado. Em todas as amostras após o procedimento FW, a evolução do hidrogênio ocorreu acima de 400 °C. Um pequeno pico de evolução do hidrogênio também foi visível em torno de 300 °C-400 °C nas amostras carregadas de hidrogênio. O pico de evolução do hidrogênio em torno de 300 °C-400 °C estaria relacionado à captura de hidrogênio por defeitos de rede, como luxações e limites de grãos20,21. A concentração de hidrogênio calculada integrando a taxa de liberação de hidrogênio e a temperatura de 25 °C a 625 °C é mostrada na Figura 5. É óbvio que a concentração de hidrogênio após o procedimento FW aumentou cerca de 4x do estado original.

A Figura 6 mostra a comparação da concentração de hidrogênio entre o procedimento FW e o carregamento de hidrogênio por pré-cepa de 0,1 uma atmosfera de ar úmido com umidade relativa de 90% em uma amostra de ferro de 0,1%. Também é claro que o carregamento de hidrogênio pelo procedimento FW permitiu a introdução de grandes quantidades de hidrogênio em comparação com o carregamento por pré-tensão ar úmido.

Desempenho mecânico após o procedimento FW
A figura 7 mostra os resultados do teste de tração das amostras não carregadas de hidrogênio e amostras carregadas de hidrogênio. Observou-se diminuição da ductilidade na liga Al-Mg-Si com 0,1% de ferro logo após o procedimento FW. Isso indica que a liga Al-Mg-Si com 0,1% de ferro mostra embrittlement de hidrogênio causada pela alta quantidade de carregamento de hidrogênio pelo procedimento FW.

A morfologia da fratura da liga Al-Mg-Si com 0,1% de ferro mudou para uma fratura de limite de grãos após o carregamento de hidrogênio pelo procedimento FW, particularmente adjacente ao lado de entrada de hidrogênio, como mostrado na Figura 8. Isso indica que os átomos de hidrogênio introduzidos pelo procedimento FW aumentam a decoesão das fronteiras dos grãos, o que leva ao embrittlement de hidrogênio, na liga Al-Mg-Si com 0,1% de ferro.

Figure 1
Figura 1: Esquemática do aparelho usado no procedimento FW. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 2
Figura 2: Geração de hidrogênio durante o procedimento FW. (A)0,1% Fe,(B) 0,2% Fe,(C)0,7% Fe. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 3
Figura 3: Mudança de pH durante o procedimento FW. (A)0,1% Fe,(B) 0,2% Fe,(C)0,7% Fe. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 4
Figura 4: Análise térmica de desorpoção de hidrogênio das ligas Al-Mg-Si com ferro. (A)0,1 Fe,(B) 0,2% Fe,(C)0,7% Fe. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 5
Figura 5: Concentração de hidrogênio com e sem o procedimento FW. (A)0,1% Fe,(B) 0,2% Fe,(C)0,7% Fe. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 6
Figura 6: Comparação da análise de desorpoção térmica e concentração de hidrogênio das ligas Al-Mg-Si com 0,1% Fe em diferentes condições de carregamento de hidrogênio. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 7
Figura 7: Curvas de tensão de estresse da liga Al-Mg-Si com 0,1% Fe, antes e logo após o procedimento FW. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

Figure 8
Figura 8: Superfícies de fratura de uma liga Al-Mg-Si com 0,1% Fe. (A)Antes e(B)após o procedimento FW, adjacente ao lado da entrada de hidrogênio. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.

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Discussion

Um aspecto importante do procedimento FW é a fixação dos dois espécimes ao agitador magnético. Como o centro da barra de agitação se torna a zona de não atrito, é melhor evitar a fixação dos espécimes no centro da barra de agitação.

O controle da velocidade de rotação da barra de agitação também é importante. Quando a velocidade é superior a 240 rpm, torna-se difícil manter o vaso de reação no estágio do agitador magnético. Quando o procedimento FW é realizado em alta velocidade, é necessário fixar o vaso de reação ao estágio do agitador magnético.

Como o carregamento de hidrogênio pelo procedimento FW é baseado na reação química entre a água e uma superfície de alumínio revestida de não óxido, este é um método simples quando comparado com métodos convencionais de carregamento de hidrogênio, como carregamento catódico15,pré-tensão uma atmosfera de ar úmido16. Um volume teórico de hidrogênio gerado é calculado com base na mudança de peso na amostra antes e depois do procedimento FW. Além disso, o procedimento FW pode introduzir altas quantidades de hidrogênio em alumínio. No entanto, quando o tempo do procedimento FW é maior, o valor pH da água aumenta. Quando o valor pH da água se torna >10, uma reação corrosiva entre alumínio e água pode acontecer16. Para evitar a reação corrosiva do espécime, o tempo do procedimento FW deve ser limitado para que o valor do pH da solução de água varie de 4 a 10.

No procedimento FW, o carregamento de hidrogênio é aplicável basicamente às ligas de alumínio e alumínio em forma de placa. O carregamento de hidrogênio no procedimento FW é baseado na entrada de hidrogênio de uma superfície da amostra da placa.

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Disclosures

Os autores não têm nada para divulgar.

Acknowledgments

Este trabalho foi apoiado financeiramente em parte pela Light Metal Educational Foundation, Inc., Osaka, Japão

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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