Hydrogen Opladning af aluminium ved hjælp af friktion i vand

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

For at indføre store mængder brint i aluminium og aluminiumlegeringer, en ny metode til brint opladning blev udviklet, kaldet friktion i vand procedure.

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

En ny metode til brint opladning af aluminium blev udviklet ved hjælp af en friktion i vand (FW) procedure. Denne procedure kan nemt indføre store mængder brint i aluminium baseret på den kemiske reaktion mellem vand og ikke-oxid belagt aluminium.

Introduction

Generelt aluminium base legeringer har højere modstandsdygtighed over for miljømæssige brint skørhed end stål. Den høje modstandsdygtighed over for brint skørhed af aluminiumlegeringer skyldes oxid film på legeringoverflade blokerer brint indrejse. For at evaluere og sammenligne den høje skørhedsfølsomhed mellem aluminiumlegeringer udføres brintladning normalt før mekanisk prøvning1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14, 15,16,17. Det er imidlertid kendt, at brint opladning aluminium er ikke let, selv når udnytte brint opladning metoder såsom katodisk opladning15,langsom stamme sats deformation under fugtig luft16,eller brint plasma gas opladning17. Vanskeligheden ved brint opladning aluminiumlegeringer er også på grund af oxid film på aluminiumlegering overflade. Vi postulerede, at større mængder brint kunne indføres i aluminiumlegeringer, hvis vi kunne fjerne oxidfilmen kontinuerligt i vand. Thermodynamically18, ren aluminium uden oxid film reagerer let med vand og genererer brint. Baseret på dette, har vi udviklet en ny metode til brint opladning af aluminiumlegeringer baseret på den kemiske reaktion mellem vand og ikke-oxid aluminium. Denne metode er i stand til at tilføje store mængder af brint i aluminiumlegeringer på en enkel måde.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Materialeforberedelse

  1. Brug 1 mm tykke plader lavet af en aluminium-magnesium-silicium legering, der indeholder 1 masse% Mg og 0,8 masse% Si (Al-Mg-Si).
  2. Prøveemnerne fremstilles af Al-Mg-Si-alupladerne med en målerlængde på 10 mm og en bredde på 5 mm.
  3. Prøveemnerne ved 520 °C ved 520 °C i 1 time ved hjælp af en luftovn. Spænd i vand som en opløsning varmebehandling.
  4. Prøveemnerne ved 175 °C ved 175 °C i 18 timer som en peak aging varmebehandling (T6-temperament).
  5. Polere overfladen af prøveemner ved hjælp af silicium carbid smaragd papir (#2000) uden vand.
  6. Mål vægten af de polerede prøver til en præcision på 0,0001 g ved hjælp af en elektrisk balance
  7. Mål målerdelens tykkelse og bredde med en præcision på 0,001 mm ved hjælp af en optisk komparator.

2. FW procedure (Figur 1)

  1. Fastgør to Al-Mg-Si legeringprøver ved hjælp af lim til en trekantet, prismeformet omrører lavet af en fluorcarbon polymer.
  2. Forbered en cylinderglasbeholder med en tom top som reaktionsbeholder.
  3. Fastgør et rundt poleringspapir lavet af siliciumcarbid, #2000 med en diameter på 10 mm ved hjælp af dobbeltklæbende tape i bunden indersiden af beholderen.
  4. Placer den trekantede, prismeformede omrører med to prøver på poleringspapiret på glasbeholderens bundside.
  5. Hæld 100 ml destilleret vand i glasbeholderen fra toppen.
  6. Dæk glasbeholderen med et rundt gummistykke med tre huller (til gasindløb, til en gasudtag og for en pH-sonde øverst i glasbeholderen).
  7. Fyld glasbeholderen med høj renhed (99.999%) argon ved en konstant strømningshastighed på 20 ml/min efter lukning af gummidækslet.
  8. Tilslut gasudtagningen til en gaskromatograf (GC) med en halvlederbrintesensor (detektionsgrænse: 5 ppb).
  9. Vent, indtil gassen i beholderen udskiftes af argon.
  10. Roter den trekantede, prismeformede omrører med to prøver på en magnetisk omrører med en konstant roterende hastighed ved stuetemperatur.
  11. Mål brintdannelsen under omrørerrotationen ved hjælp af GC, idet der foretages en måling hver 2 min.
  12. Der skal måles på vandets pH-plads i beholderen under omrørerrotationen.
  13. Fjern de to prøver fra den trekantede, prismeformede omrører ved nedsænkning i acetone med ultralydsvibrationer i 5 min efter FW-proceduren.
  14. Mål prøvens vægt og tykkelse igen efter FW-proceduren ved hjælp af henholdsvis den elektriske balance og en optisk komparator.

3. Hydrogen absorption ved FW procedure

  1. Efter FW-proceduren skal du skære en prøve til en rektangulær form på 1 x 5 x 10 mm.
  2. Prøven anbringes inde i et kvartsrør med en diameter på 10 mm forbundet til en GC med en halvlederbrintesensor.
  3. Flow høj renhed (99.999%) argongas i et kvartsrør med en konstant strømningshastighed på 20 ml/min.
  4. Kvartsrøret opvarmes med prøveemnet ved hjælp af en rørovn med en konstant varmehastighed, 200 °C/h.
  5. Mål prøvens termiske hydrogendesorption efter FW-proceduren ved hjælp af GC.

4. Væsentlig evaluering efter FW-proceduren

  1. Udføre trækprøver (mindst 3x for at sikre repeterbarhed) i laboratorieluft med en krydshovedhastighed på 2 mm/min ved hjælp af en prøve, der er blevet behandlet ved FW-proceduren.
  2. Mål trækegenskaberne (f.eks. trækstyrke, frakturstamme), der er opnået ved stressstammeni trækningstesten.
  3. Overhold frakturadfærden med et sekundært elektronmikroskop (SEM) efter trækprøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Hydrogen generation / absorption ved FW procedure
Figur 2 viser brintgenereringsadfærden under FW-proceduren for Al-Mg-Si-legeringer, der indeholder forskellige mængder jern fra 0,1 masse % til 0,7 masse %. Prøven udsendte kontinuerligt en stor mængde brint, da omrøreren begyndte at rotere. Dette tyder på, at brint blev genereret af en kemisk reaktion forårsaget af friktionen mellem legeringsoverfladen og vandet. Desuden steg vandværdiens pH-værdi under FW-proceduren en smule fra 6,5-7,5 som vist i figur 3. Ændringen i pH ved FW procedure ville ikke påvirke den ætsende reaktion baseret på det elektrokemiske diagram foreslået af Pourbaix19.

Figur 4 viser TDA resulterer i prøver med og uden brint opladning ved FW procedure af Al-Mg-Si legeringer. Uanset prøveemnets legeringssammensætning steg den samlede brintkoncentration efter FW-proceduren i forhold til den oprindelige uopladede tilstand. I alle prøver efter FW-proceduren forekom brintudviklingen ved over 400 °C. En lille top af brint evolution var også synlig omkring 300 °C-400 °C i brint-ladede prøver. Brintudviklingen topper ca. 300 °C-400 °C , vil være relateret til brintfældefangst ved gitterdefekter, såsom forskydninger og korngrænser20,21. Brintkoncentrationen beregnet ved at integrere brintudløsningshastigheden og temperaturen fra 25 °C-625 °C er vist i figur 5. Det er indlysende, at brint koncentrationefter FW procedure steg omkring 4x fra den oprindelige tilstand.

Figur 6 viser sammenligningen af brintkoncentrationen mellem FW-proceduren og brintopladningen ved forbelastning på 0,1 under fugtig luftatmosfære med en relativ luftfugtighed på 90 % i en jernprøve på 0,1 %. Det er også klart, at brint opladning ved FW procedure tilladt indførelse af store mængder af brint i forhold til opladning ved forbelastning under fugtig luft.

Mekanisk ydeevne efter FW-proceduren
Figur 7 viser resultaterne af træktest af både brintuladede prøver og brintladede prøver. Der blev observeret et fald i duktiliteten i Al-Mg-Si-legeringen med 0,1 % jern lige efter FW-proceduren. Dette indikerer, at Al-Mg-Si legering med 0,1% jern viser brint skørhed forårsaget af den store mængde af brint opladning af FW procedure.

Frakturmorfologien for Al-Mg-Si-legeringen med 0,1 % jern blev ændret til et brud på korngrænsen efter brintopkrævningen ved fw-proceduren, især ved siden af brintindgangssiden som vist i figur 8. Dette indikerer, at brintatomer indført ved FW procedure øge desamhørigheden af korn grænser, hvilket fører til brint skørhed, i Al-Mg-Si legering med 0,1% jern.

Figure 1
Figur 1: Skematisk af det apparat, der anvendes i FW-proceduren. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 2
Figur 2: Brintproduktion under FW-proceduren. A) 0,1% Fe,b) 0,2% Fe,(C) 0,7% Fe. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 3
Figur 3: Ændring af pH under FW-proceduren. A) 0,1% Fe,b) 0,2% Fe,(C) 0,7% Fe. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 4
Figur 4: Termisk hydrogendesorptionsanalyse af Al-Mg-Si-legeringer med jern. A) 0,1 Fe,b) 0,2% Fe,c) 0,7% Fe. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 5
Figur 5: Brintkoncentration med og uden FW-proceduren. A) 0,1% Fe,b) 0,2% Fe,(C) 0,7% Fe. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 6
Figur 6: Sammenligning af termisk desorptionsanalyse og hydrogenkoncentration af Al-Mg-Si legeringer med 0,1% Fe under forskellige hydrogenopladningsforhold. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 7
Figur 7: Stress-stamme kurver af Al-Mg-Si legering med 0,1% Fe, før og lige efter FW procedure. Klik her for at se en større version af denne figur.

Figure 8
Figur 8: Frakturoverflader af en Al-Mg-Si legering med 0,1% Fe. A) Før og (B) efter fw-proceduren ved siden af brintindsejling. Klik her for at se en større version af denne figur.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Et vigtigt aspekt af FW procedure er fastgørelse af de to prøver til magnetomrører. Da midten af omrørerstangen bliver den ikke-friktionszone, er det bedst at undgå fastgørelse n af prøverne i midten af omrørerstangen.

Kontrol af omrørerstangens rotationshastighed er også vigtig. Når hastigheden er mere end 240 rpm, bliver det vanskeligt at opretholde reaktionsbeholderen på den fase af magnetomrøreren. Når FW-proceduren udføres ved høj hastighed, er det nødvendigt at fastgøre reaktionsbeholderen til den magnetiske omrørers fase.

Fordi brint opladning ved FW procedure er baseret på den kemiske reaktion mellem vand og en ikke-oxid belagt aluminium overflade, dette er en enkel metode i forhold til konventionelle brint opladning metoder, såsom katodisk opladning15, pre-stamme under en fugtig luft atmosfære16. En teoretisk mængde genereret brint beregnes på grundlag af ændringen af vægt i prøven før og efter FW-proceduren. Også, FW procedure kan indføre store mængder af brint i aluminium. Men når tidspunktet for FW-proceduren er længere, øges vandværdien. Når vands pH-værdi bliver >10, kan der ske en ætsende reaktion mellem aluminium og vand16. For at forhindre prøvens ætsende reaktion bør tidspunktet for FW-proceduren begrænses, så vandopløsningsværdien varierer fra 4-10.

I FW procedure, brint opladning gælder dybest set til pladeformet aluminium og aluminiumlegeringer. Brintladningen i FW-proceduren er baseret på brintindgang fra den ene overflade af pladeprøven.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet økonomisk delvist af 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

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