تحديد معدل تريبوكوروسيون والتآزر ارتداء التآكل لسبائك الألومنيوم الفيلم السائبة ورقيقة
Summary
نقدم هنا، بروتوكولا لقياس تريبوكوروسيون معدل والتآكل ارتداء تضافر رقيقة ومعظم Al سبائك في مياه البحر محاكاة في درجة حرارة الغرفة.
Abstract
زيادة تعقيد وخطورة من شروط الخدمة في مجالات مثل الصناعات الفضائية الجوية والبحرية، ونظم النووية، والإلكترونيات الدقيقة، والبطاريات، والأجهزة الطبية، إلخ، تفرض تحديات كبيرة على أداء موثوق بها سبائك المعرضة للظروف القاسية حيث تتعايش الهجوم ميكانيكية وكهربائية. إيجاد سبل للسبائك للتخفيف من الهجوم المشترك للبلى والتآكل (أي، تريبوكوروسيون) تحت هذه الظروف القاسية هكذا تنتقد بشدة لتحسين حياتهم الاعتمادية والخدمة عند استخدامها في مثل هذه الظروف. أن التحدي يكمن في حقيقة أن ارتداء والتآكل ليست مستقلة عن بعضها البعض، ولكن بدلاً من تآزر عمل للتعجيل بمجموع الخسارة المادية. وبالتالي، هناك حاجة إلى طريقة موثوقة لتقييم المقاومة تريبوكوروسيون للمعادن والسبائك. ويرد هنا، بروتوكولا لقياس التآزر معدل والتآكل ارتداء تريبوكوروسيون الأكبر على أساس ال وعينات رقيقة في بيئة تآكل تحت درجة حرارة الغرفة.
Introduction
تريبوكوروسيون عملية تدهور مادي الناجم عن التأثير المشترك للبلى والتآكل1،2. تريبوكوروسيون يحدث في الطبيعة وفي التطبيقات الصناعية حيث الاتصال الميكانيكية وبيئة أكالة موجودة في نفس الوقت. تعقد تريبوكوروسيون تكمن في أن تلك المادة الكيميائية والآليات تدهور الميكانيكية ليست مستقلة عن بعضها البعض. مزيج من الهجوم الميكانيكية والكيميائية غالباً ما يؤدي إلى فشل المعجل، بسبب تأثيرات تآزرية. وبالتالي، يمكن حساب إجمالي الخسارة المادية ك T = ج0 + ث0 + S (eqn. 1)، حيث ج0 خسارة مادية نتجت عن التآكل في حالة عدم ارتداء، ث0 هو خسارة مادية بسبب ارتداء الميكانيكية في غياب التآكل ، وق هو خسارة مادية بسبب التآكل ارتداء التآزر3،4. التأثير التآزري بارزة لسبائك السلبي مثل الألومنيوم والتيتانيوم، والفولاذ المقاوم للصدأ، التي تشكل تلقائياً حماية رقيقة (بضعة نانومتر في سمك) أكسيد الفيلم (الفيلم السلبي) عند اتصال مع الأكسجين أو الماء5، 6. خلال التآكل، وإذا كان هذا الفيلم السلبي محلياً انزعاج ارتداء الميكانيكية، ديباسيفيشن يمكن أن يؤدي إلى التآكل المترجمة وفشل غير متوقع1،3،،من78، 9.
كمثال عن التأثير الاقتصادي تريبوكوروسيون في مجتمعنا، يقدر البلى والتآكل والتكلفة تقريبا مبلغ 300 بیلیون سنوياً في الولايات المتحدة10. في فلوريدا، والظواهر تريبوكوروسيون للسبائك الهيكلية في مياه البحر من الاهتمام نظراً لاقتصادها المحيط (صيد الأسماك والنقل البحري والإنشاءات الساحلية)، الذي يساهم بحوالي 4 في المائة من “الناتج المحلي” الإجمالي في ولاية فلوريدا11. ومن ثم، فهم أفضل من تريبوكوروسيون للمعادن والسبائك سيؤدي إلى تحسين المبادئ التوجيهية لتطبيق واستخدام سبائك في شروط الخدمة في بيئة قاسية. مثل هذا الفهم ستسهم أيضا في تحسين مبادئ التصميم لصنع سبائك جديدة وعوازل ضد تريبوكوروسيون وتعزيز المتانة.
تريبوكوروسيون الدراسات تتطلب إدماج تريبوميتير ونظام قياس الكهروكيميائية. تريبوميتير يقدم تحميل الميكانيكية التي تسيطر عليها والحركة النسبية، ويقيس قوة الاحتكاك وعينه السطحية تغير الارتفاع. ويشمل نظام القياس الكهروكيميائية بوتينتيوستات/جالفانوستات مع صفر-مقاومة مقياس التيار الكهربائي (اختياري) الذي يحدد إمكانات الدائرة المفتوحة (الفوسفاط)، والقياسات الكهروكيميائية الاستقطاب. هذه التقنيات توفر طريقة سريعة وغير مكلفة للحصول على الخصائص الكهروكيميائية المواد، حيث يمكن قياس معدل التآكل للمعادن عن طريق مراقبة استجابة عملية الشحن والنقل لاضطراب الكهروكيميائية التي تسيطر عليها . هنا، نحن نقدم بروتوكول اختبار لتحديد التداؤب معدل والتآكل ارتداء تريبوكوروسيون Al السبائك، معظمها بعد G119 القياسية ASTM2. ويشمل هذا البروتوكول إعداد العينة وإعداد الجهاز، تريبوكوروسيون اختبار وإجراءات حساب بعد انتهاء الاختبار. نأمل أن يكون هذا الجهد سوف تستفيد من جديد إلى الميدان لإجراء اختبارات تريبوكوروسيون يمكن الاعتماد عليها وقابلة للتكرار لتقييم سلوك التشوه وتدهور السائبة، فضلا عن عينات معدنية رقيقة.
Protocol
Representative Results
Discussion
وهناك العديد من الخطوات الحاسمة ضمن هذا البروتوكول. إعداد السطح أولاً، مناسبة للعينات قبل الاختبارات تريبوكوروسيون أمر حاسم لضمان موثوقية جيدة لاختبار أداء وتعزيز اختبار التكرار. سبائك مختلفة الأكبر أن تكون مستعدة في أعقاب إجراءات مختلفة لضمان وجود خشونة السطح التي تسيطر عليها، وإزالة أي الملوثات السطحية أو جداول. ويتكون الإجراء الموضح هنا فقط الميكانيكية طحن وتلميع. هذا الأسلوب يطبق بوجه عام إلى سبائك مع المتوسط وصلابة عالية مثل ال، تي، ني، سبائك النحاس والفولاذ. لليونة السبائك مثل سبائك ملغ، ينبغي أن يقترن الطحن التلميع أو أيون الكهروكيميائية بالصقل الميكانيكي لتحقيق خشونة السطح المطلوب. وثانيا، للعينة رقيقة اﻷخرق، والحفاظ على منخفضة للغاية (< 10-6 ميلليمتر زئبق) الفراغ في قاعة اﻷخرق أمر حاسم لضمان تركيز عيب منخفضة في الفيلم المودعة، مما سيؤثر على خلاف ذلك المقاومة للتآكل إلى حد كبير. ثالثا، عند إعداد السائبة أو عينات رقيقة في مسرى العامل، من المهم لضمان اتصال كهربائي جيد بين العينة وتوصيل الأسلاك (Cu). في هذا البروتوكول، ويتم استخدام الشريط موصلة أو الإيبوكسي موصلة. وبدلاً من ذلك، لحام، لحام البقعة أو التقنيات المشابهة قد تستعمل. ومع ذلك، أثر تدفئة أثناء اللحام المجهرية وفي نهاية المطاف المقاومة تريبوكوروسيون من عينات يجب أن يمكن تقييمها بعناية. وهذا مهم بشكل خاص للمعادن والسبائك مع نقطة انصهار منخفضة. أخيرا، منذ تريبوكوروسيون ينطوي على وجود تفاعل ثلاثة للجسم (بما في ذلك هاتين الهيئتين في الاتصال، والجسم الثالث بينهما)، من المهم لضمان أن يستخدم تلميح كرة جديدة (أو مجال جديد لنصيحة الكرة) عند القيام بتكرار الاختبار تريبوكوروسيون.
يقيم البروتوكول الحالي بمعدل تريبوكوروسيون بقياس الخسارة المادية. يمكن بسهولة إجراء التعديلات من هذا البروتوكول لتقييم حركية ديباسيفيشن وريباسيفيشن من تريبوكوروسيون. ويتحقق ذلك بتتبع الحالية والمحتملة، وتطور معامل الاحتكاك (COF) أثناء الاختبار. على سبيل مثال، الرقم 10 و 11 النتائج الممثل لتطور إمكانات التآكل وكولمبوس على التوالي، من ال رقيقة بعد اختبار تريبوكوروسيون في الفوسفاط. الأسهم في الشكل 10 تمثل البدء وإنهاء للخدش. ويمكن ملاحظة أن السلبي وسبائك مثل ال يؤدي تعطل ميكانيكية أثناء تريبوكوروسيون لانهيار المحلية/إزالة الفيلم السلبي على المسار البلى وتعريض منطقة ديباسيفاتيد مما يؤدي إلى انخفاض في التآكل المحتمل ب ~ 20 mV. لدينا عمل سابق16 أظهر أن حجم خفض التآكل المحتمل يرتبط ارتباطاً وثيقا المجهرية للمعدن نظراً لمعايير الاختبار (مثلاً، تطبيق تحميل، وسرعة الانزلاق، درجة الحرارة) هي نفسها. للقاعدة بصلابة أعلى والمجهرية الدقيقة، قد يؤدي تحميل تطبيق نفس إلى أصغر ديباسيفاتيد منطقة، ومن ثم تغيير أصغر في التآكل المحتمل. أيضا يلاحظ أن الحالي منخفض للغاية للكشف عنها كما على حلبة ‘فتح’ أثناء وضع الدائرة المفتوحة،. ومع ذلك، يمكن رصد التطور الحالي أثناء اختبار تريبوكوروسيون في إمكانات الكاثودية أو انوديك المفروضة. يمكن العثور على مثال في موقعنا العمل السابقة16. الرقم 12 يبين التطور الراهن لل رقيقة أثناء تريبوكوروسيون في بإمكانيات انوديك مفروضة من 200 mV أكثر إيجابية من الفوسفاط. تم اختيار هذه الإمكانية انوديك داخل المنطقة سلبية حتى الآن أقل بكثير إمكانات تأليب. يمكن استخدام هذه النتيجة لقياس التآكل البلى المعجل. وفي هذه الحالة، يمكن تقييم إجمالي الخسارة المادية ك T = Vالميكانيكية + Vتشيم، حيث Vالميكانيكية والخامستشيم يناظر مساهمة خسارة مادية ميكانيكية وكهربائية، على التوالي. على وجه التحديد، يمكن اعتبار الخامستشيم الناتجة عن أكسدة المعادن تحت انوديك إمكانية تطبيقها. وهكذا يمكن أن تحسب بقانون فاراداي ك 17،،من1819
، حيث س هو حشوة كهربائية (تحسب بضرب الفرق بين متوسط الحالية انوديك خلال وقبل انزلاق بالوقت)، M هي الوزن الجزيئي n هو التكافؤ الأكسدة، F هو ثابت فاراداي و ρ كثافة آخرون 13 الرقم يظهر نتيجة سواء من الناحية النموذجية لل الأغشية الرقيقة. من المناقشة الواردة أعلاه، يمكن أن ينظر إلى أن تقييما لتغيير معلمات الكهروكيميائية، بالإضافة إلى فقدان الوزن، وبالتالي توفر البصيرة الحرجة لحركية ديباسيفيشن أثناء تريبوكوروسيون.
ويتحمل البروتوكول المعروضة هنا أيضا العديد من القيود. أولاً، الخلية التآكل مصنوعة من تفلون (تترافلوروايثيلين) أو مواد مماثلة. وهكذا، تم إجراء اختبارات جميع القرب من درجة حرارة الغرفة. للتطبيقات التي تتطلب أعلى درجة حرارة (مثلاً، أعلاه 400 درجة مئوية لقلب المفاعل النووي)، الخلية التآكل الخاص وتلميح إلى أن تصنع التي سوف تصمد أمام زحف درجة الحرارة العالية والتآكل. سلامة إضافية مطلوب أيضا للتعامل مع الكهرباء الملح المنصهر وعينات معدنية في درجات حرارة عالية. وثانيا، محدودة المرفق القطب إشارة قرب مسرى العمل (نموذج) ارتداء الاقتراح أن يكون متبادلاً الخطي. في التطبيقات التي يكون مطلوباً فيها اقتراح تناوب بالعينة، قد إعداد تريبوكوروسيون خاص تصميم. ثالثا، في الإعداد الحالية، معدل الصفر ارتداء أسرع بكثير من معدل التآكل. ومن ثم مساهمة ج0 لا يكاد يذكر مقارنة بجميع المصطلحات الأخرى. بينما تآكل نفسها لم تؤد إلى خسائر مادية كبيرة خلال فترة الاختبار المحدود، أثره على S مهم. قد يتغير هذا الاتجاه في العالم الحقيقي التطبيقات التي يحدث فيها الصفر الميكانيكية في ترددات أقل بكثير، حيث قد تصبح ج0 المهيمنة. وأخيراً، قد الرعاية الخاصة بدفعها إلى الأخطاء التي تم إنشاؤها أثناء الاختبار. وهذا مهم بشكل خاص لتقييم التآكل ارتداء التآزر (S)، الذي تم اشتقاقه من معدل تريبوكوروسيون (T)، ومعدل ارتداء (ث0)، ومعدل التآكل (ج0). وهكذا يمكن أن تراكم الأخطاء. لتقليل الأخطاء الناتجة في T و W0، يمكن استخدام بروفيلوميتير عدم الاتصال بصري ثلاثي الأبعاد (بدلاً من بروفيلوميتير الاتصال في 2D) لتحديد حجم إجمالي الخسائر المادية. لتقليل الخطأ في ج0، يمكن أن يقترن PD الاختبارات غير المدمرة اختبار (التحليل الطيفي المعاوقة الكهروكيميائية) نظام المعلومات البيئية لتقييم معدل التآكل20.
وكملاحظة أخيرة، معدل تريبوكوروسيون ليس ممتلكات مادية، ولكن بدلاً من ذلك الاستجابة لنظام يعتمد على معايير الاختبار (تحميل التطبيقية، انزلاق السرعة، إلخ)، البيئة (درجة الحرارة، درجة الحموضة، وتركيز الملح، إلخ)، و خصائص المواد (صلابة وخشونة السطح و غيرها). ويتجلى البروتوكول المعروضة هنا باستخدام مجموعة واحدة فقط من الشرط. ينبغي النظر في الاختلافات القراء واعتماد التغييرات المناسبة في إعداد العينات وإعداد اختبار وتحليل البيانات عند التعامل مع النظم المختلفة. بديلة من بينها إعداد اختبار دبوس على اللوحة (ضرار)، ميكروابراسيون، واسطوانة بار، يمكن الاطلاع على وآخرون في القرن 21. تريبوكوروسيون موضوع متعدد التخصصات ناشئة. من المأمول أن يسهل هذا البروتوكول كل من تقييم المواد الهندسية القائمة، فضلا عن تصميم مواد جديدة مقاومة للتحلل التلف والتآكل والبلى على حد سواء. وطالب هذه المواد أصبح بصورة متزايدة في المستقبل تطبيقات مثل الأجهزة الطبية المتقدمة القابلة للغرس، ومحطات الطاقة النووية الجيل المقبل، وشحن البطاريات، إلخ، كلها تتطلب ليس فقط قوية بسرعة عالية السعة وصعبة المواد، ولكن واحد قوية وموثوق بها عند التعامل مع بعض البيئة الشديد جداً.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
هذا العمل أيده لنا الوطني العلم مؤسسة منحة هيئة الهجرة واللاجئين-1455108 و CMMI 1663098.
Materials
| 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 |
References
- Landolt, D., Mischler, S. Tribocorrosion of passive metals and coatings. Woodhead Publishing Series in Metals and Surface Engineering: EPFL, Switzerland. 47, (2011).
- ASTM Standard. . G119-09, Standard Guide for Determining Synergism Between Wear and Corrosion. , (2016).
- Mischler, S., Blau, P. J., Celis, J. P., Drees, D. i. r. k. Sliding Tribo-Corrosion of Passive Metals: Mechanisms and Modeling. Tribo-Corrosion: Research, Testing, and Applications. , 1-18 (2013).
- Landolt, D., Mischler, S., Stemp, M. Electrochemical methods in tribocorrosion: a critical appraisal. Electrochim Acta. 46 (24-25), 3913-3929 (2001).
- Macdonald, D. D. Passivity – the key to our metals-based civilization. Pure and Applied Chemistry. 71 (6), 951-978 (1999).
- Obadele, B. A., Andrews, A., Olubambi, P. A., Mathew, M. T., Pityana, S. Tribocorrosion behaviour of laser cladded biomedical grade titanium alloy. Materials and Corrosion. 66 (10), 1133-1139 (2015).
- Wolf, D., Yamakov, V., Phillpot, S. R., Mukherjee, A., Gleiter, H. Deformation of nanocrystalline materials by molecular-dynamics simulation: relationship to experiments?. Acta Materialia. 53 (1), 1-40 (2005).
- Rupert, T. J., Schuh, C. A. Sliding wear of nanocrystalline Ni-W: Structural evolution and the apparent breakdown of Archard scaling. Acta Materialia. 58 (12), 4137-4148 (2010).
- Pokhmurs’kyi, V. I., Dovhunyk, V. M. Tribocorrosion of Stainless Steels (Review). Journal of Materials Science. 46 (1), 87-96 (2010).
- Davis, J. R. Surface Engineering for Corrosion and Wear Resistance. ASM International. , (2001).
- Song, D., Ma, A. B., Jiang, J. H., Lin, P. H., Yang, D. H., Fan, J. F. Corrosion behavior of equal-channel-angular-pressed pure magnesium in NaCl aqueous solution. Corrosion Science. 52 (2), 481-490 (2010).
- Johnson, K. L. . Contact mechanics. , (1987).
- Mischler, S. Triboelectrochemical techniques and interpretation methods in tribocorrosion: A comparative evaluation. Tribology International 41. (7), 573-583 (2008).
- Watson, S. W., Friederdorf, F. J., Madsen, B. W., Cramer, S. D. Methods of measuring wear-corrosion synergism. Wear. 181, 476-484 (1995).
- Assi, F., Böhni, H. Study of wear-corrosion synergy with a new microelectrochemical technique1. Wear. (233-235), 505-514 (1999).
- Mraied, H., Cai, W. J. The effects of Mn concentration on the tribocorrosion resistance of Al-Mn alloys. Wear. (380-381), 191-202 (2017).
- Vieira, A. C., Rocha, L. A., Papageorgiou, N., Mischler, S. Mechanical and electrochemical deterioration mechanisms in the tribocorrosion of Al alloys in NaCl and in NaNO3 solutions. Corrosion Science. 54, 26-35 (2012).
- Mischler, S., Spiegel, A., Landolt, D. The role of passive oxide films on the degradation of steel in tribocorrosion systems. Wear 225-229, Part 2. , 1078-1087 (1999).
- Mischler, S., Muñoz, A. I. Wear of CoCrMo alloys used in metal-on-metal hip joints: A tribocorrosion appraisal. Wear. 297 (1-2), 1081-1094 (2013).
- Mraied, H., Cai, W. J., Sagues, A. A. Corrosion resistance of Al and Al-Mn thin films. Thin Solid Films. 615, 391-401 (2016).
- Mathew, M. T., Uth, T., Hallab, N. J., Pourzal, R., Fisher, A., Wimmer, M. A. Construction of a tribocorrosion test apparatus for the hip joint: Validation, test methodology and analysis. Wear. 271 (9-10), 2651-2659 (2011).
