Vi præsenterer her, en protokol for at måle tribocorrosion sats og slid-korrosion synergi af tynde film og bulk Al legeringer i simulerede havvand ved stuetemperatur.
Den stigende kompleksitet og sværhedsgrad af driftsforhold i områder, såsom rumfarts- og marine industrier, nukleare systemer, mikroelektronik, batterier, og biomedicinske enheder, osv., pålægge store udfordringer på pålidelig ydeevne legeringer udsat for ekstreme forhold hvor mekaniske og elektrokemiske angreb sameksistere. Finde måder for legeringer til at afbøde de kombinerede angreb af slid og korrosion (dvs. tribocorrosion) under sådanne ekstreme forhold er således meget kritisk for at forbedre deres pålidelighed og service levetid når de anvendes under sådanne forhold. Udfordringen ligger i det faktum, at slid og korrosion er ikke uafhængige af hinanden, men snarere arbejder synergistisk for at fremskynde den samlede materielle tab. Således, en pålidelig metode til at vurdere tribocorrosion modstanden af metaller og legeringer er nødvendig. Her præsenteres en protokol til måling af tribocorrosion sats og slid-korrosion synergi af Al-baserede bulk og tynd filmen prøver i en ætsende miljø under stuetemperatur.
Tribocorrosion er en væsentlig nedbrydning proces forårsaget af den kombinerede effekt af slid og korrosion1,2. Tribocorrosion finder sted både i naturen og i industrielle applikationer hvor mekanisk kontakt og en ætsende miljø er samtidigt til stede. Kompleksiteten af tribocorrosion ligger i faktum at kemisk og mekanisk nedbrydning mekanismer er ikke uafhængige af hinanden. En kombination af mekanisk og kemisk angreb ofte fører til accelereret fiasko, på grund af synergieffekter. Derfor, den samlede materielle tab kan opgøres som T = C0 + W0 + S (eqn. 1), hvor C0 er den materielle tab medførte fra korrosion i mangel af slid, W0 er den materielle tab som følge af mekaniske slid i mangel af korrosion , og S er den materielle tab som følge af slid-korrosion synergi3,4. Den synergieffekt er fremtrædende for passiv legeringer som aluminium, titanium, og rustfrit stål, som spontant danner en beskyttende tynde (nogle få nanometer i tykkelse) oxid film (passiv) ved kontakt med ilt eller vand5, 6. Under korrosion, og hvis denne passive film er lokalt forstyrret af mekanisk slitage, depassivation kunne føre til lokaliserede korrosion og uventede fejl1,3,7,8, 9.
Som et eksempel på de økonomiske konsekvenser af tribocorrosion i vores samfund, er slid og korrosion anslået til at koste næsten 300 milliarder dollars om året i USA10. I Florida, tribocorrosion fænomener af strukturelle legeringer i havvand er af interesse da ocean økonomi (fiskeri, marine transport og kystnære konstruktion), som bidrager med omkring 4% af Floridas samlede bruttonationalprodukt11. Således vil en bedre forståelse af tribocorrosion af metaller og legeringer føre til bedre retningslinjer for anvendelsen og brugen af legeringer i barske miljø driftsforhold. Sådan forståelse vil også tjene til at forbedre designprincipper for fremstilling af nye legeringer og belægninger mod tribocorrosion og forbedret holdbarhed.
Tribocorrosion undersøgelser kræver integration af en tribometer og en elektrokemisk målesystem. Tribometer giver kontrolleret mekanisk belastning og relative bevægelse, og måler friktionskraft og prøve overfladen højde ændring. Den elektrokemiske målesystem omfatter en potentiostat/galvanostat med en nul-modstand amperemeter (valgfri), der bestemmer åbne kredsløb potentiale (OCP) og elektrokemiske polarisering målinger. Sådanne teknikker giver en hurtig og billig metode til at opnå de elektrokemiske egenskaber et materiale, hvor korrosion sats af en metal kan måles ved at observere svar af charge-transfer proces på en kontrolleret elektrokemiske forstyrrelse . Her præsenterer vi en test protokol til bestemmelse af tribocorrosion sats og slid-korrosion synergi af Al legeringer, for det meste efter ASTM standarden G1192. Denne protokol omfatter prøveforberedelse, MASKINOPSÆTNING, tribocorrosion test og post test beregningsmetoder. Vi håber, at denne indsats vil gavne de nye til området for at udføre pålidelige og repeterbare tribocorrosion test for at vurdere funktionen deformation og nedbrydning af bulk samt tyndfilm metallisk prøver.
Der er flere kritiske trin inden for denne protokol. Første, ordentlig forbehandling af prøver før tribocorrosion test er afgørende for at sikre god pålideligheden af de udførte test og forbedre test repeterbarhed. Forskellige bulk legeringer er at være forberedt efter forskellige procedurer til at sikre et kontrolleret overfladeruhed og fjernelse af enhver overflade forurenende stoffer eller skalaer. Proceduren beskrevet her består af udelukkende mekaniske slibning og polering. Denne metode gælder generelt legeringer med medium til høj hårdhed som Al, Ti, Ni, Cu legeringer og stål. For blødere legeringer som Mg-legeringer, bør elektrokemiske polering eller ion fræsning være kombineret med mekanisk polering for at opnå den ønskede overfladeruhed. For det andet, for tynde film prøve sputtering, opretholde en ultra-lav (< 10-6 Torr) vakuum i den spruttende kammer er afgørende for at sikre lav defekt koncentration i de deponerede film, der ellers ville påvirke korrosionsbestandighed betydeligt. For det tredje, når du forbereder enten bulk eller tynd film prøver i orden elektrode, det er vigtigt at sikre en god elektrisk forbindelse mellem prøven og den forbindende (Cu) ledning. I denne protokol bruges ledende tape eller ledende epoxy. Alternativt, lodning, punktsvejsning eller lignende teknikker kan bruges. Men effekten af varme under svejsning på mikrostruktur og til sidst tribocorrosion modstand af prøverne har skal evalueres omhyggeligt. Dette er især vigtigt for metaller og legeringer med lavt smeltepunkt. Endelig, da tribocorrosion indebærer en tre-krop interaktion (herunder de to organer i kontakt, og den tredje kroppen i mellem), det er vigtigt at sikre, at en ny bold tip (eller et nyt område af ball tip) anvendes ved udførelse af gentagne tribocorrosion test.
Den nuværende protokol evaluerer tribocorrosion sats ved at måle materielle tab. Ændringer af denne protokol kan gøres nemt at vurdere depassivation og repassivation kinetik af tribocorrosion. Dette opnås ved at spore den nuværende, potentiale og friktionskoefficient (COF) evolution under prøven. Som et eksempel Vis fig. 10 og 11 repræsentative resultater af udviklingen af korrosion potentiale og COF henholdsvis af Al tynd film efter tribocorrosion test på OCP. Pile i figur 10 repræsenterer starten og finish for ridser. Det kan ses, at for passiv legeringer som Al den mekaniske forstyrrelser under tribocorrosion fører til lokale opdeling/fjernelse af den passive film på slid spor og udsætter et depassivated område, som fører til et fald i den potentielle af korrosion ~ 20 mV. Vores tidligere arbejde16 viste, at omfanget af korrosion potentielle reduktion er stærkt knyttet til mikrostruktur af metal givet afprøvning parametre (f.eks. anvendt belastning, glidende hastighed, temperatur) er de samme. For Al med højere hårdhed og finere mikrostruktur, kan den samme anvendt belastning føre til en mindre depassivated område, derfor mindre ændring i korrosion potentielle. Det bemærkes også, at under åben kredsløb mode, nuværende er for lav til at blive opdaget som kredsløbet er ‘åben’. Dog kan aktuelle udvikling under tribocorrosion test på pålagte katodisk eller anodisk potentialer overvåges. Et eksempel kan findes i vores tidligere arbejde16. Figur 12 viser den aktuelle udvikling i Al tynd film under tribocorrosion på en pålagt anodisk potentiale af 200 mV mere positiv end OCP. Denne anodisk potentiale var valgt inden for regionen passiv endnu langt under de grubetæring potentialer. Dette resultat kan bruges til at kvantificere slid accelereret korrosion. I dette tilfælde den samlede materielle tab kan vurderes som T = Vmech + Vchem, hvor Vmech og Vchem svarer til bidrag af mekanisk og elektrokemiske materielle tab, henholdsvis. Specifikt, kan Vchem betragtes som resulterer fra metal oxidation under anodisk anvendt potentiale. Således kan det beregnes af Faradays lov som 17,18,19, hvor Q er den elektriske ladning (beregnes ved at multiplicere forskellen mellem den gennemsnitlige anodisk aktuelle under og inden glidende på tidspunktet), M er molekylvægt, n er oxidation valence, F er Faradays konstant og Rho er tætheden af Al. Figur 13 viser et typisk resultat af begge udtryk for Al tynde film. Fra den ovenstående diskussion, kan det ses, at en evaluering af den elektrokemiske parametre ændring, ud over vægttab, således vil tilbyde kritisk indsigt til depassivation kinetik under tribocorrosion.
Protokollen præsenteres her også bærer flere begrænsninger. Først, korrosion celler er lavet af Teflon (polytetrafluoroethylen) eller lignende materiale. Således blev alle test udført ved stuetemperatur. For programmer, der kræver højere temperatur (f.eks., over 400 ° C til reaktoren kerner), særlige korrosion celle og tip skal fremstilles vil at modstå høje temperaturer krybe og korrosion. Ekstra sikkerhed er også nødvendig for håndtering af smeltet salt elektrolyt og metallisk prøver ved høje temperaturer. For det andet, den vedhæftede fil af en referenceelektrode nær arbejder elektrode (eksempel) har begrænset slid bevægelse til at være lineær gensidig. I applikationer hvor der kræves en roterende bevægelse af prøven, har en særlig tribocorrosion setup skal udformes. For det tredje i den nuværende setup er slid bunden sats meget hurtigere end korrosion. Dermed er C0 bidrag ubetydelig i forhold til alle andre vilkår. Mens korrosion, sig ikke føre til betydelige materielle tab under den begrænsede testtid, er dens virkning på S betydelig. I virkelige verden applikationer hvor mekaniske bunden opstår ved meget lavere frekvenser, kan denne trend ændres, hvor C0 kan blive dominerende. Endelig, særlig pleje der skal betales til fejl, der genereres under testen. Dette er især vigtigt for at vurdere den slid-korrosion synergi (S), som er afledt af tribocorrosion sats (T), slid sats (W0) og korrosion sats (C0). Dermed kan fejl blive akkumuleret. For at minimere fejl genereret i T og W0, kan en ikke-kontakt 3D optiske profilometer (i stedet for den kontakt 2D profilometer) bruges til at bestemme den samlede materielle tab volumen. For at minimere fejl i C0, kan PD tests være kombineret med ikke-destruktiv EIS (elektrokemiske impedans spektroskopi) test til at evaluere korrosion sats20.
Som en sidste bemærkning, tribocorrosion sats er ikke en materielle værdier, men snarere et system svar, der afhænger af de test parametre (anvendt belastning, sliding hastigheden, osv.), miljø (temperatur, pH, saltkoncentration, etc.), og materielle egenskaber (hårdhed, overfladeruhed, osv.). Protokollen præsenteres her er påvist ved hjælp af kun ét sæt af betingelsen. Læserne skal overveje forskellene og vedtage passende ændringer i prøveforberedelse, test setup og analyse af data, når der beskæftiger sig med forskellige systemer. Alternative test setup herunder pin på pladen (stempelmotorer), microabrasion, cylinder bar, et al. kan findes i 21. Tribocorrosion er et spirende tværfagligt emne. Det er håbet, at denne protokol vil lette både evalueringen af eksisterende engineering materialer samt udformningen af nye materialer resistente over for både slid beskadigelse og korrosion nedbrydning. Disse materialer bliver i stigende grad krævede fremover applikationer såsom avancerede implantabelt medicinsk udstyr, næste generation atomkraftværker, og høj kapacitet hurtige opladning af batterier, osv., der alle kræver ikke kun en stærk og sej materiale, men en, der er robust og pålidelig, når de vekselvirker med nogle meget ekstreme miljø.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde blev støttet af os National Science Foundation Grant DMR-1455108 og CMMI-1663098.
UMT (universal mechanical testing) machine | Bruker | UMT-2 | |
Potentiostat | Gamry | Reference 600 | |
Surface profilometer | Veeco | Dektak150 | |
Al3003 | Metal supermarkets | 3003 | |
Sodium choloride | Fisher Scientific | S640-3 | |
DI water | USF NREC | ||
Alcohol | Fisher Chemical | A405P-4 | |
Grinding paper | LECO Corporation | 810-221-300 (#180) 810-223-300 (#240) 810-227-300 (#400) 810-229-300 (#600) 810-036-100 (#1200) |
|
Polishing Pad | Pace Technologies | NP. 7008 | |
Polishing suspension | Pace Technologies | NANO2-1010-06 (1 um) NANO2-1003-06 (0.3 um) NANO2-1005-06 (0.05 um) |
|
Stop-off lacquer | Romanoff | 210-1250 | |
Ag/AgCl Reference electrode | SYC Technologies, Inc. | CHI111 | |
Compressed air | Office depot | 911-245 | |
Ultrasonic cleaner | Cole Parmer | 8890 | |
Sputtering coater | Torr International | CRC-100 |