Determining Tribocorrosion Rate and Wear-Corrosion Synergy of Bulk and Thin Film Aluminum Alloys

Jia Chen; Hesham Mraied; Wenjun Cai

doi:10.3791/58235

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Bepalen Tribocorrosion tarief en slijtage-corrosie synergie van Bulk en dunne Film aluminium legeringen

Published: September 11, 2018

doi:

10.3791/58235

Jia Chen^1,2, Hesham Mraied³, Wenjun Cai^1,2

¹Department of Mechanical Engineering,University of South Florida, ²Department of Materials Science and Engineering,Virginia Polytechnic Institute and State University, ³Department of Civil and Environmental Engineering,University of South Florida

Summary

Hier presenteren we een protocol om te meten de tribocorrosion tarief en slijtage-corrosie synergie van dunne film en bulk Al legeringen in gesimuleerde zeewater op kamertemperatuur.

Abstract

De toenemende complexiteit en ernst van gebruiksomstandigheden in terreinen, zoals lucht-en ruimtevaart- en mariene industrieën, nucleaire systemen, micro-elektronica, batterijen, en biomedische apparaten, enz., leggen grote uitdagingen op de betrouwbare prestaties van legeringen blootgesteld aan extreme omstandigheden waar de mechanische en elektrochemische aanval naast elkaar bestaan. Het vinden van manieren voor legeringen te verzachten van de gecombineerde aanval van slijtage en corrosie (dat wil zeggen, tribocorrosion) onder dergelijke extreme omstandigheden is dus zeer kritisch voor de verbetering van de levensduur van hun betrouwbaarheid en service bij gebruik in dergelijke omstandigheden. De uitdaging ligt in het feit dat slijtage en corrosie zijn niet onafhankelijk van elkaar, maar liever werken synergetisch om te versnellen het totale materiaalverlies. Dus, een betrouwbare methode om te evalueren van de tribocorrosion weerstand van metalen en legeringen is nodig. Hier, wordt een protocol voor het meten van de tribocorrosion tarief en slijtage-corrosie synergie van Al gebaseerde bulk en dunne film monsters in een corrosieve omgeving onder kamertemperatuur gepresenteerd.

Introduction

Tribocorrosion is een aantasting van het materiële proces veroorzaakt door het gecombineerde effect van slijtage en corrosie¹^,². Tribocorrosion vindt plaats zowel in de natuur en in industriële toepassingen waar mechanisch contact en een corrosieve omgeving gelijktijdig aanwezig zijn. De complexiteit van de tribocorrosion ligt in het feit dat chemische en mechanische degradatie zijn niet onafhankelijk van elkaar. Een combinatie van mechanische en chemische aanval vaak leidt tot versnelde mislukken, als gevolg van de synergetische effecten. Dus de totale materiële schade kan worden berekend als T = C₀ + W₀ + S (eqn. 1), waar C₀ de materiële nederlaag resulteerde tegen corrosie in de afwezigheid van slijtage is, W₀ is de materiële schade als gevolg van mechanische slijtage in de afwezigheid van corrosie , en S is de materiële schade als gevolg van slijtage-corrosie synergie³^,⁴. Het synergetisch effect is prominent voor passieve legeringen zoals aluminium, titanium, en roestvaste stalen, die spontaan een beschermende vormen dun (een paar nanometer dik) oxide film (passieve film) in aanraking met zuurstof of water⁵^, ⁶. Tijdens corrosie, en als deze passieve film wordt lokaal verstoord door mechanische slijtage, depassivering kan leiden tot gelokaliseerde corrosie en onverwachte storingen¹^,³^,⁷^,⁸^, ⁹.

Als een voorbeeld van de economische impact van tribocorrosion in onze samenleving, worden slijtage en corrosie geschat om te kosten bijna 300 miljard dollar per jaar in de Verenigde Staten¹⁰. In Florida, tribocorrosion verschijnselen van structurele legeringen in zeewater is van belang gezien de oceaan economie (visserij, mariene vervoer en kust bouw), die ongeveer 4% van Florida’s totale bruto binnenlands Product¹¹bijdraagt. Dus, een beter begrip van de tribocorrosion van metalen en legeringen zal leiden tot betere richtsnoeren voor de toepassing en het gebruik van legeringen in ruw milieu service voorwaarden. Dergelijke begrip zal ook dienen om de ontwerpprincipes voor de productie van nieuwe legeringen en coatings tegen tribocorrosion en verbetering van de duurzaamheid.

Tribocorrosion studie vereist integratie van een tribometer en een elektrochemische meetsysteem. De tribometer biedt gecontroleerde mechanische belasting en relatieve beweging, en meet de kracht van de wrijving en monster oppervlakte hoogte wijzigen. Het elektrochemische meetsysteem omvat een potentiostaat/galvanostat met een nul-weerstand ampèremeter (optioneel) die open-circuit potentieel (OCP) en elektrochemische polarisatie-metingen bepaalt. Dergelijke technieken bieden een snelle en goedkope methode om te verkrijgen van de elektrochemische eigenschappen van een materiaal, waar de corrosiesnelheid van een metaal kan worden gemeten door het observeren van de reactie van de lading-overdrachtproces op een gecontroleerde elektrochemische verstoring . Hier presenteren we een test protocol voor het bepalen van de tribocorrosion tarief en slijtage-corrosie synergie van Al de legeringen, meestal na de ASTM standaard G119². Dit protocol omvat monstervoorbereiding, computer setup, tribocorrosion testen en na berekening testprocedures. Wij hopen dat deze inspanning ten goede zal komen die nieuwe naar het veld voor het uitvoeren van tribocorrosion voor betrouwbare en herhaalbare tests om te evalueren van de vervorming en degradatie gedrag van zowel bulk als dunne film metalen monsters.

Protocol

Let op: Raadpleeg alle relevante materialen veiligheidsinformatiebladen (MSDS) vóór gebruik. Sommige chemicaliën die worden gebruikt in het protocol zijn giftig. Gebruik alle passende veiligheidspraktijken bij het uitvoeren van experimenten, met inbegrip van het gebruik van technische controles (zuurkast) en persoonlijke beschermingsmiddelen (veiligheidsbril, handschoenen, laboratoriumjas, full-length broek en schoenen van gesloten-teen). De machine CNC (Computer Numerical Control) moet worden bediend door geschoold personeel. Fluorwaterstofzuur moeten worden behandeld in een zuurkast die wordt aangeduid met een bord met vermelding van “Danger, fluorwaterstofzuur gebruikt in dit gebied” of soortgelijk. 1. de monstervoorbereiding Opmerking: Goede oppervlakte voorbereiding van monsters vóór tribocorrosion proeven is cruciaal voor de goede betrouwbaarheid van de uitgevoerde test waarborgen en verbeteren van test herhaalbaarheid. In dit protocol, een commerciële Al 3003 legering (Si: 0.1, Fe: 0.4, Cu: 0.08, Mn: 1.1 wt.%, evenwicht Al) wordt gebruikt als een voorbeeld. Bulk metalen monstervoorbereiding Snij-kreeg Al 3003 legeringen (hierna genoemd als Al) in verschillende 1,5 × 2 cm2 coupons met behulp van een CNC-machine. Mechanisch slijpen één zijde van het monster oppervlak met schuurpapier met steeds meer gruis (#180, 240, 400, 600 en 1200). Slijpen van het monster met behulp van #180 schuurpapier voor 30 s in een willekeurige richting. Het monster 90˚ draaien en malen met behulp van #240 schuurpapier totdat de scratch-regels uit de vorige stap zijn volledig geëlimineerd. Gebruik een optische Microscoop om te helpen deze keuring. Herhaal de voorbeeldprocedure van de rotatie en verplaatsen naar het volgende slijpen papier. Gebruik een zachte borstel tussen stappen te reinigen van het oppervlak van de steekproef in stromend water te elimineren van verontreiniging in de vorige stap. Na het slijpen, Pools het monster oppervlak met behulp van verschillende maten van hoge viscositeit aluminiumoxide schorsing (1 µm, 0,3 µm en 0,05 µm) polijsten op microfiber doek pads. Gebruik een ander doek pad voor elke samengestelde grootte. Giet ~ 1 oz van 1 µm aluminiumoxide schorsing (10-30% aluminiumoxide, 0,6-1% silica glas, 70-90% water) op een schone doek pad. Pools van het monster in één richting of teken een vorm van ‘8’ (Vermijd tekenen een vorm van ‘0’) tot het verwijderen van de kras-regels in de vorige stap. Herhaal dit voor 0,3 en 0,05 µm polijsten schorsing (10-30% aluminiumoxide, 0,6-1% silica glas, 70-90% water) tot het bereiken van een spiegel afwerking. Breng de gepolijst monster in een bekerglas met 40 mL gedeïoniseerd water (DI) en plaats het bekerglas in een ultrasone reiniger voor 1-2 min te verwijderen van elk oppervlak deeltje. Samengeperst gas gebruiken om volledig droog het oppervlak. Figuur 1a ziet u een voorbeeld van een ongepolijste vs. een gepolijste Al steekproef. Knippen van een 5 cm lang, ~ 1-2 mm diameter elektrische draad en strippen weg de beschermende plastic dekking (~ 1 cm in lengte) aan beide uiteinden aan het blootstellen van het interieur Cu draad in de lucht. Elektrisch Sluit één uiteinde van de draad aan de achterzijde (de ongepolijste) van het monster met behulp van een geleidende tape of geleidende epoxy. Volg de aanbevelingen van de fabrikant tot volledige genezing als geleidende epoxy gebruikt. Elektrochemische stop-off lak gebruiken om te schilderen een ~ 1 × 1 cm2 venster op de gepolijste zijde en de volledige achterzijde van het monster. Verf voor de achterzijde, over de blootgestelde Cu draad. Droog het geschilderde monster volledig in een goed geventileerde zuurkast gedurende ten minste 24 uur voordat de experimenten. Figuur 1b ziet u een voorbeeld van het geschilderde laboratoriummonster, die wordt gebruikt als werkt elektrode voor de corrosie en tribocorrosion proeven. Bereiding van de monsters van de dunne filmOpmerking: Metallic dunne lagen gestort op een vlakke ondergrond zoals glas, Si wafer en andere metalen plaat met behulp van niet-evenwichts verwerkingstechnieken zoals fysieke vapor deposition en electrodeposition kunnen worden gebruikt voor tribocorrosion testen na juiste voorbereiding. Hier is een magnetron-plaatgaasfolie Al-Mn dunne film steekproef gedeponeerd op Si substraat wordt gebruikt als een voorbeeld uit te leggen van de kritische stappen. Pools een Si-wafer (100 mm doorsnede) met 1:50 fluorwaterstofzuur water oplossing gedurende 2 minuten om te verwijderen van elk oppervlak oxidatie-laag. Reinig de Si wafer met 95% ethanol. Vervolgens droog het met perslucht en breng dit direct in een magnetron machine Vacuuemcel sputteren. Werken de sputteren machine op 80 W ingangsvermogen onder een 5 mTorr argon sfeer (99,99%)1. Groeien een ~ 2-3 µm dikte Al-20 op % Mn film (hierna genoemd als Al dunne film) met behulp van een Al-Mn doel in de sputteren machine. Spin jas een dunne beschermende laag van een positieve fotoresist (~ 10 mL voor een 100 mL Si wafer) aan de gedeponeerde kant van Si wafer en snijd het in verschillende 1,5 × 2 cm2 coupons. Dompel het in blokjes gesneden monster in aceton voor 1 min voor het verwijderen van de beschermlaag. Spoel het door alcohol en ten slotte droog het door perslucht. Stappen 1.1.5 en 1.1.8 schilderen het monster oppervlak voor tribocorrosion test te maken van een elektrische aansluiting. Figuur 1 c ziet u een voorbeeld van een geschilderde dunne film monster. 2. Tribocorrosion Test Tribocorrosion machine setup Het uitvoeren van een test van de tribocorrosion met behulp van een speciaal ontworpen corrosie cel geïnstalleerd op een universele mechanische tester (UMT), zoals aangegeven in Figuur 2a. Gebruik de schematische voorstelling van de tribocorrosion instellingen testen zoals weergegeven in Figuur 2b. Figuur 3 toont de cel van de douane-ontworpen corrosie op de UMT roterende fase geïnstalleerd. De force sensing resolutie is 50 µN en 50 mN voor laden reeksen van 5 tot 500 mN en 10-1000 N, respectievelijk. Gebruik voor de elektrochemische meting, 2 x 10-17 Amp huidige resolutie en 1014 Ω ingangsimpedantie. Tribocorrosion tarief meetprincipe Meten van de tribocorrosion weerstand volgens de ASTM G119-standaard2, waar de totale materiaalverlies T = C0 + W0 + S (Zie de inleiding voor meer informatie). Het meten van de corrosie tarief C0 van detest potentiodynamic. De pure slijtage tarief W0 tijdens kathodische polarisatie van tribocorrosion test te meten. Een bal-op-schijf configuratie met behulp van een aluminiumoxide bal te leggen wederzijdse mechanische slijtage in het bereik van de belasting voor mN aan een paar N. toepassen Kies een goede normale belasting voor de dunne film monster. Dit zorgt ervoor dat de plastische vervorming binnen de oppervlaktelaag is beperkt, zodat de dikte van de gedeponeerde monster is groot genoeg om te lijken op echte bulk materiaalgedrag. Deze schatting kan worden gemaakt met behulp van draadloos contact theorie12. Meet het tarief van de tribocorrosion T van tribocorrosion test op OCP. Bereken de synergie S uit de bovenstaande metingen en vergelijking 1. Meting van corrosie tarief C0 van potentiodynamic (PD) testen Voorbereiden van de werken-elektrode (dat wil zeggen, bulk of dunne film metalen model onder analyse). Reinig het oppervlak van het metaal met aceton, gevolgd door 95% ethanol. Reinig de cel corrosie vóór elke looppas van corrosie. Scrub van de cel met huishoudelijke afwasmiddel en goed naspoelen met leidingwater. Herhaal deze stap 3 keer. Spoel de cel corrosie 3 keer met-geïoniseerd water (DI) water te verwijderen van potentiële verontreinigingen aangetroffen in leidingwater. Giet 100 mL 95% ethanol in de cel corrosie en wervelen rond contact opnemen met alle inwendige oppervlakken. Giet de ethanol en herhaal deze stap 3 keer. Laat u de cel corrosie onder een zuurkast gedurende 30 minuten om alle ethanol te volledig verdampen. Neem de schone, droge corrosie cel en spoel het met de elektrolyt die zal worden gebruikt voor de corrosie uitvoeren. Voor elke spoeling, vul de cel corrosie met 40 mL van de elektrolyt en herhaal deze procedure 3 keer. Voor dit protocol, spoel de cel corrosie met 3,5 wt % (0,6 M), pH ≈ 7 natriumchloride waterige oplossing (dat wil zeggen, gesimuleerd zeewater). Na het spoelen, vult u de cel corrosie met 40 mL elektrolyt klaar voor de reactie. Instellen van de configuratie van de drie-elektrode. Gebruik het Al monster, een standaard Ag/AgCl en een geactiveerde titanium mesh respectievelijk als de werkende, verwijzing en teller elektrode. Plaats van de elektrode werken centraal aan de onderkant van de cel corrosie en lijm de onderkant met superlijm. Plaats het uiteinde van de blootgestelde Cu draad boven de hoogte van de verwachte elektrolyt. Plaats van de referentie-elektrode ~ 1 cm boven de werken-elektrode. Losjes buigen de teller elektrode doorloopt rondom het specimen beproeven (werkende elektrode). De afstand tussen de teller en werkende elektrode is ~ 2-4 cm. Elektroden aansluit met de potentiostaat. Zorg ervoor dat de elektroden zijn niet aan te raken. Open de elektrochemische softwarepakket, die met de USB-gecontroleerde potentiostaat interfacet. De potentiostaat inschakelen. Open en gebruik de Metingsweergave om de potentiële en huidige lezing van corrosie omgeving bekijken. Tijdens de OCP fase waar geen potentiële ramp nog toegepast de huidige lezing tussen de werking (positieve mogelijkheden) en teller (negatieve) elektrode is rond 0 ± 0,01 µA. Laat het monster equilibreer te stabiliseren op OCP binnen de omgeving van de cel corrosie. De tijdsduur hiervoor (1 tot en met 6 h) varieert en is afhankelijk van het materiaal getest. Controleren van het potentieel gebruik van metingsweergave om te bepalen of een gestabiliseerde toestand (dat wil zeggen, een mogelijke verandering van minder dan 50 mV over meer dan een half uur) is bereikt. De corrosie test uitvoeren. Oprit naar aanleiding van de stabilisatie van de potentiële corrosie (Ecorr), de toegepaste potentieel in de positieve richting ten opzichte van de referentie-elektrode. Selecteer de cyclische voltammetrie potentiostaat procedure binnen het Uitzicht van de installatie vanaf de procedure tab. inschakelen de volgende parameters te bemonsteren voor de corrosie uitvoeren: tijd, werken elektrode (WE) potentieel, en huidige voor de corrosie uitvoeren. Selecteer de optie voor het automatiseren van het huidige bereik. Stel de hoogste huidige in het bereik 10 mA, en de laagste stroom in het bereik 10 nb voor het WE. Zorgen dat de licht-donkerscheiding definitieve selectie wordt gecontroleerd door het potentieel door het instellen van de parameter ‘cyclus terug’ aan 0.8 mV toe deze hysteresislus om te voltooien. Record OCP uit de metingsweergave in het tekstvak voor OCP-parameter. Vastgesteldop het begin potentiële 100 mV onder de opgenomen OCP-waarde. Het bovenste hoekpunt potentiële ingesteld op 800 mV, het onderste hoekpunt tot 100 mV onder het potentieel van de start en het potentieel van de stop op 100 mV onder het onderste hoekpunt potentiële. Stel de scanfrequentie in op 0.167 mV/s (ASTM standaard). Druk op start. Na een paar uur, is de corrosieproef voltooid. De resultaten bekijken in de software.Opmerking: Optische microscopie zal worden uitgevoerd na iedere test. Gooi monsters tonen enige indicatie van spleet corrosie onder de lak stop-off. De resultaten voor elke testvoorwaarde moeten ten minste drie keer worden herhaald. Figuur 4 toont representatieve resultaten van bulk- en dunne film Al na PD in 3,5 wt.% NaCl waterige oplossing op pH ≈ 7 proeven. Bepaal de putjes potentieel (Epit) van de PD-test als de potentiële via hetwelk een snelle toename van de huidige corrosie plaatsgevonden (Figuur 4 heeft). Verkrijgen van een nominale waarde van de kathodische polarisatie helling (βc) door het aanbrengen van een rechte lijn naar het gedeelte van de polarisatie-curve, die overeenkomt met potentieel meer dan 50 mV lager dan Eoc. Het verkrijgen van een nominale waarde van de anodic polarisatie helling (βeen) ook met behulp van het gedeelte van de curve die begon op potentieel > 50 mV hoger dan Eoc en eindigde op Epit. Extrapoleren allebei van die tendensen Eoc en geschikt gemiddelde van beide te verkrijgen van een nominale corrosie stroomdichtheid (ikcorr) (Figuur 4). Berekenen van corrosie tarief C0 van de huidige corrosie ikcorr met behulp van Faraday van conversie (1 µA.cm-2≈ 10,9 µm/y) uitgaande van uniforme corrosie door de vorming van Al3 +. Van de Faraday vergelijking is R = M/nFP(icorr), waar R de corrosiesnelheid is, ikcorr is de corrosie huidige gemeten vanaf de PD-test M is de atoommassa van het metaal, P is de dichtheid, n is het gratis nummer dat het aantal geeft elektronen binnen ontbinding reactie, uitgewisseld en F is de constante equivalent van Faraday van 96,485 C/mol. M/n is het equivalentgewicht. Meting van slijtage tarief W0 van kathodische bescherming testOpmerking: Voor het meten van het tarief van slijtage, een bal aluminiumoxide met 4 mm diameter wordt gebruikt als het lichaam van de teller op nul op het oppervlak van de steekproef terwijl het monster is ondergedompeld in de oplossing, zoals afgebeeld in Figuur 5. Hieronder is de procedure voor kathodische bescherming test. Stappen van 2.3.1 te 2.3.13 in punt 2.3. De indenter sonde omlaag naar het oppervlak van het monster zo dichter mogelijk (1 mm afstand van monster oppervlak). De indenter blijft in de buurt van het centrum van het monster en er is geen elektrische contact tussen de elektroden, de sonde en het monster oppervlak zorgen. Verplaats de indenter omhoog vooruit voor 200 mm. de Pour de 3.5 wt.% NaCl waterige oplossing in de cel corrosie totdat alle elektrode, sonde en monster oppervlak worden ondergedompeld. De indenter sonde omlaag naar het oppervlak van het monster zo dicht mogelijk. Verbind de elektroden met de potentiostaat. Open de elektrochemische softwarepakket, die met de USB-gecontroleerde potentiostaat interfacet. Inschakelen van de potentiostaat. Selecteer Experiment bekijken DC corrosie en Potentiostatic kiezen. Toepassing van een kathodische potentieel van 350 mV hieronder OCP. Dit kathodische potentieel (350 mV hieronder OCP) is gekozen om te voorkomen dat waterstof evolutie reactie tijdens het schuiven, dat tot verbrossing van de monsters13 leiden kan. Het eerste potentieel en definitieve potentieel is-350 mV vs Eoc. De totale tijd die experimentele is 1800 s met inbegrip van 300 s van het krabben van tijd. De slijtage test vanuit de UMT software instellen door kras frequentie van 1 Hz, kras lengte 5 mm en 0,5 N normale belasting toe te passen. Druk op uitvoeren in het slijtage-systeem om te beginnen met de tribocorrosion. Opmerking, de kras frequentie kras lengte en toegepaste load testen parameters die kunnen worden gevarieerd op basis van het doel van het experiment. Na 1800 s, de test klaar. De resultaten bekijken in de UMT software. Voor het betrouwbaar testen, herhaalt u de tests onder dezelfde voorwaarde voor ten minste drie keer. Gebruik een oppervlakte profilometer voor het meten van de diepte van slijtage track uit ten minste drie verschillende locaties langs het spoor van de slijtage voor elk monster. De scan richting verticale op de nul lijn en de lengte van de scan wordt groter is dan de breedte van slijtage bijhouden (Zie Figuur 6). De straal van de profilometer stylus is 5 µm, de kracht van de stylus is 3 mg en de scanresolutie is 0.028 µm/monster. De meetgegevens profiel exporteren. Software gebruiken voor het direct integreren de diepte onder het ongedragen oppervlak (grijs gebied in Figuur 7). Berekenen van de oppervlakte van de transversale slijtage als , waarbij h (x) de oppervlakte hoogte als functie van de positie x, en een is de spoorbreedte van de slijtage. Met behulp van A, het berekenen van het volume van de slijtage als (A is het gebied van de transversale slijtage, L is de slijtage Tracklengte = 5 mm). Tot slot, het berekenen van de slijtage tarief W0 W0= V/Ltot, waar Ltot de totaal glijdende afstand is. Meting van tribocorrosion tarief T uit tribocorrosion beproeven OCP Stappen te volgen 2.4.1-2.4.8 behalve in stap 2.4.6, de toegepaste potentieel tijdens de proef als de OCP ingesteld. Zodra de test is voltooid, voert u stap 2.4.10 voor het berekenen van T, waar T = V/Ltot. Berekening van de slijtage-corrosie synergie S Na het uitvoeren van alle vorige stappen, de slijtage-corrosie synergie te berekenen als S = T-W0- C0, waarbij T het totale materiaalverlies gemeten aan OCP is, W0 is het materiaalverlies gemeten bij de kathodische potentieel voornamelijk te wijten aan mechanische slijtage () waar corrosie wordt verwaarloosbaar vergeleken te dragen), en C0 is de materiële schade als gevolg van zuivere corrosie geschatte vanuit PD proeven14,15. Opmerking, als C0 wordt afgemeten aan diepte verlies/jaar van de PD-test, is het belangrijk te converteren naar een equivalent volume verlies per keer voor de juiste berekening van S.

Representative Results

Na het testen protocol zoals hierboven beschreven, de snelheid van de tribocorrosion (T) wordt gemeten op verschillende mogelijkheden. Figuur 8 vertegenwoordigt het materiaalverlies verkregen voor het monster van de dunne film Al na tribocorrosion op de kathodische (350 mV hieronder OCP), open circuit, en anodic (200 mV boven OCP) potentiële. De test werd uitgevoerd in 3,5 wt.% NaCl waterige oplossing gedurende 5 minuten onder de 0,5 N normale lading, een 1 Hz frequentie en 5 mm slaglengte glijden. Vóór elke proef de OCP werd gestabiliseerd voor 20 min. Figuur 9 ziet u een overzicht van alle onderdelen van eqn. 1, met inbegrip van de tribocorrosion stem (T), tarief (W0), de corrosiesnelheid (C0), en de slijtage-corrosie synergie (S) van Al dunne film dragen. Figuur 1 . Foto van (een) ongepolijste en gepolijst Al laboratoriummonster, (b) vast en geschilderde bulk en (c) dunne film Al steekproef voor het testen van tribocorrosion. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 2 . (a) foto van de voorkant van de machine Bruker UMT zonder op maat gemaakte tribocorrosion cel. (b) Schematische voorstelling van de tribocorrosion instellingen testen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 3 . De foto’s voor op maat gemaakte tribocorrosion cel op de UMT roterende fase geïnstalleerd. De cel wordt vervaardigd uit Teflon met een O-ring aan het bodem-oppervlak om te voorkomen dat vloeibare lekkage tijdens tribocorrosion test. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4 . Vertegenwoordiger potentiodynamic polarisatie curven van Al bulk en dunne film na 1 uur onderdompeling in 0.6 M NaCl-oplossing. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 5 . Foto van tribocorrosion machine tijdens het testen waar de sonde indentor gaat op het oppervlak van de steekproef in wederzijdse beweging. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6 . Scannen van elektronenmicroscopie afbeelding van de slijtage-track na tribocorrosion test. De onderbroken lijnen geven de begrenzing van de slijtage-track. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 7 . Typische slijtage track Profiel van de dunne film Al na tribocorrosion test verkregen door profilometer. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 8 . Samenvatting van tribocorrosion tarief (T) van de dunne lagen Al op de verschillende toegepaste potentieel. De pijl staaf vertegenwoordigt één standaarddeviatie van alle herhaalde testresultaten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 9 . Samenvatting van tribocorrosion tarief (T), draag tarief (W0), corrosiesnelheid (C0), en slijtage-corrosie synergie (S) van de Al dunne lagen. De pijl staaf vertegenwoordigt één standaarddeviatie van alle herhaalde testresultaten. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 10 . Evolutie van potentiële tijdens tribocorrosion corrosie test van de dunne film Al aan OCP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 11 . Evolutie van de wrijvingscoëfficiënt (COF) tijdens de tribocorrosion test van de dunne film Al aan OCP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 12 . Evolutie van corrosie huidige tijdens tribocorrosion test van de dunne film Al bij 200 mV boven OCP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 13 . Samenvatting van de mechanische en chemische slijtage van de dunne film Al tijdens de tribocorrosion test bij 200 mV boven OCP. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Er zijn verschillende kritische stappen binnen dit protocol. Eerste, goede oppervlakte voorbereiding van de monsters voorafgaande aan de tribocorrosion tests is essentieel voor goede betrouwbaarheid van de uitgevoerde test waarborgen en verbeteren van test herhaalbaarheid. Verschillende bulk legeringen zijn bereid na verschillende procedures om te zorgen voor een gecontroleerde oppervlakteruwheid, en verwijderen van elk oppervlak verontreinigingen of schalen. De hier beschreven procedure bestaat uit uitsluitend mechanische slijpen en polijsten. Deze methode is in het algemeen van toepassing op legeringen met medium tot hoge hardheid zoals Al, Ti, Ni, Cu legeringen en staal. Voor zachtere legeringen zoals Mg legeringen, moet elektrochemische polijsten of ion frezen worden gekoppeld aan mechanisch polijsten om de gewenste oppervlakte ruwheid. Ten tweede, voor dunne film monster sputteren, behoud van een ultra-lage (< 10^-6 van Torr) vacuüm in het sputteren zaal is van cruciaal belang om lage defect concentratie in de gedeponeerde film, die anders afbreuk aan de weerstand tegen corrosie doen zou aanzienlijk. Ten derde, bij de voorbereiding van bulk of dunne film monsters in de werken-elektrode, het is belangrijk om een goede elektrische verbinding tussen het monster en de aansluitende (Cu) draad. In dit protocol wordt geleidende tape of geleidende epoxy gebruikt. U kunt ook solderen, puntlassen of soortgelijke technieken kunnen worden gebruikt. Echter het effect van de verwarming tijdens het lassen op de microstructuur en uiteindelijk de tribocorrosion weerstand van de monsters moet zorgvuldig worden geëvalueerd. Dit is vooral belangrijk voor metalen en legeringen met lage smeltpunt. Tot slot, aangezien tribocorrosion vereist een drie-lichaam-interactie (tussendoor met inbegrip van de twee instanties in contact, en het derde orgaan), is het belangrijk om ervoor te zorgen dat een nieuwe bal tip (of een nieuw gebied van de bal-tip) wordt gebruikt als tribocorrosion test uitvoeren herhaald.

Het huidige protocol evalueert tribocorrosion snelheid door het meten van materiaalverlies. Wijzigingen van dit protocol kunnen gemakkelijk worden gemaakt om te evalueren van de kinetiek van de depassivering en repassivation van tribocorrosion. Dit wordt bereikt door het bijhouden van de huidige mogelijkheden en de evolutie van de wrijvingscoëfficiënt (COF) tijdens de test. Als voorbeeld Showresultaten Figuur 10 en 11 vertegenwoordiger van de evolutie van corrosie potentieel en COF respectievelijk van Al dunne film nadat tribocorrosion testen op OCP. De pijlen in Figuur 10 vertegenwoordigen het begin- en einddatums van krassen. Het kan worden gezien dat voor passieve legeringen zoals Al, de mechanische verstoring tijdens tribocorrosion leidt tot lokale verdeling/verwijdering van de passieve film op het spoor van slijtage en het ontmaskeren van een depassivated ruimte die tot een afname in de potentiële door corrosie leidt ~ 20 mV. Onze eerdere werk¹⁶ toonde aan dat de omvang van de potentiële vermindering van corrosie is sterk verband houden met de microstructuur van het metaal gegeven dat het testen parameters (bijvoorbeeld toegepast laden, sliding snelheid, temperatuur) zijn hetzelfde. Voor Al met hogere hardheid en fijnere microstructuur, kan de dezelfde toegepaste belasting leiden tot een kleinere depassivated gebied, dus kleinere verandering in potentiële corrosie. Ook wordt opgemerkt dat tijdens de open circuit-modus, de huidige te laag om te worden gedetecteerd is, zoals het circuit is ‘open’. Echter de huidige evolutie tijdens tribocorrosion test op opgelegde kathodische of anodic potentieel kan worden gecontroleerd. Een voorbeeld vindt u in onze eerdere werk¹⁶. Figuur 12 toont de huidige evolutie van de Al dunne film tijdens tribocorrosion bij een opgelegde anodic potentieel van 200 mV positiever dan OCP. Dit anodic potentieel werd geselecteerd in de passieve regio nog ruim onder de putjes mogelijkheden. Dit resultaat kan worden gebruikt voor het kwantificeren van de slijtage versnelde corrosie. In dit geval de totale materiële schade kan worden geëvalueerd als T = V_mech + V_chem, waar V_mech en V_chem correspondeert met de bijdrage van mechanische en elektrochemische materiaalverlies, respectievelijk. Specifiek, kan V_chem worden beschouwd als gevolg van metalen oxidatie onder anodic toegepaste potentieel. Dus het kan worden berekend door Faraday de wet als¹⁹¹⁸^, ¹⁷^,, waar Q is de elektrische lading (berekend door vermenigvuldiging van het verschil tussen de gemiddelde anodic huidige tijdens en vóór Sliding door de tijd), M is het molecuulgewicht, n is de oxidatie-valence, F is de constante van Faraday en ρ is dat de dichtheid van Al. Figuur 13 toont de typisch resultaat van beide termen voor Al dunne lagen. Uit de bovenstaande discussie blijkt dat een evaluatie van de elektrochemische parameters wijzigen, naast het gewichtsverlies, dus kritisch inzicht aan de kinetiek van de depassivering tijdens de tribocorrosion zal bieden.

Het hier gepresenteerde protocol draagt ook verschillende beperkingen. Eerst is de cel corrosie vervaardigd uit Teflon (polytetrafluorethyleen) of vergelijkbaar materiaal. Dus, alle tests werden uitgevoerd bij kamertemperatuur. Voor toepassingen waarvoor een hogere temperatuur (bijvoorbeeld boven de 400 ° C voor kernreactor kernen), een speciale corrosie cel en uiteinde moet worden vervaardigd weerstaan die hoge temperatuur kruip en corrosie. Extra veiligheid is ook nodig voor de verwerking van gesmolten zout elektrolyt en metalen monsters bij hoge temperaturen. In de tweede plaats heeft de bevestiging van een referentie-elektrode in de buurt van de werken-elektrode (voorbeeld) beperkt de slijtage motion zijn lineaire wederkerige. In toepassingen waar een roterende beweging van de steekproef vereist is, moet een speciale tribocorrosion setup worden ontworpen. In de derde plaats in de huidige instelling is het kras tarief van slijtage veel sneller dan de corrosiesnelheid. Vandaar is de bijdrage van C₀te verwaarlozen in vergelijking met alle andere voorwaarden. Terwijl corrosie zelf niet tot significante materiaalverlies tijdens de beperkte tijd die testen leidde, is het effect ervan op S aanzienlijk. In de echte wereld toepassingen waarbij mechanische kras bij veel lagere frequenties optreedt, kan deze trend veranderen waar C₀kan dominant worden. Tot slot moet speciale zorg worden besteed aan de fouten die worden gegenereerd tijdens het testen. Dit is vooral belangrijk voor de evaluatie van de slijtage-corrosie synergie (S), die wordt afgeleid uit tribocorrosion tarief (T), slijtage tarief (W₀) en corrosiesnelheid (C₀). Dus kunnen fouten worden verzameld. Om te minimaliseren fouten gegenereerd in T en W₀, kan een contactloze 3D optische profilometer (in plaats van het contact 2D profilometer) gebruikt om te bepalen van het totale materiaalverlies volume. U wilt minimaliseren fout in C₀, kunnen PD-tests worden gekoppeld aan niet-destructieve EIS (elektrochemische impedantie spectroscopie) test om te evalueren van corrosie tarief²⁰.

Een laatste opmerking: tribocorrosion tarief is niet een materiële goederen, maar eerder van een systeem antwoord dat afhangt van de testende parameters (toegepaste “load”, glijden, snelheid, etc.), het milieu (temperatuur, pH, zoute concentratie, enz.), en materiaaleigenschappen (hardheid, oppervlakteruwheid, enz.). Het protocol hier gepresenteerd is aangetoond door middel van slechts één set voorwaarde. De lezers moeten bespreken de verschillen en aannemen van passende wijzigingen in de bereiding van de monsters, testen setup, en data-analyse bij het omgaan met verschillende systemen. Alternatieve testen installatie met inbegrip van pin op de plaat (op-en neergaande), microabrasion, cilinder op bar, et al. kan worden gevonden in ²¹. Tribocorrosion is een opkomende interdisciplinair onderwerp. Gehoopt wordt dat dit protocol aan zowel de evaluatie van bestaande technische materialen, alsmede het ontwerpen van nieuwe materiaal bestand tegen beschadiging en corrosie aantasting van beide slijtage bijdragen zal. Dergelijke materialen steeds geëist in de toekomst toepassingen zoals geavanceerde implanteerbare medische hulpmiddelen, volgende generatie kerncentrales, en hoge capaciteit snel opladen van de batterijen, enz., die alle vereisen niet alleen een sterk en taai materiaal, maar een die is robuust en betrouwbaar wanneer de interactie met sommige zeer extreem milieu.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dit werk werd ondersteund door de ons National Science Foundation Grant DMR-1455108 en 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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Chen, J., Mraied, H., Cai, W. Determining Tribocorrosion Rate and Wear-Corrosion Synergy of Bulk and Thin Film Aluminum Alloys. J. Vis. Exp. (139), e58235, doi:10.3791/58235 (2018).

Automatically Generated