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

Jia Chen; Hesham Mraied; Wenjun Cai

doi:10.3791/58235

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Engineering

Determinar a taxa de Tribocorrosion e sinergia de desgaste-corrosão de ligas de alumínio de película fina e granel

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

Aqui, apresentamos um protocolo para medir a sinergia de taxa e desgaste-corrosão do tribocorrosion da película fina e a maioria de ligas de Al na água de mar simulado em temperatura ambiente.

Abstract

A crescente complexidade e gravidade das condições de serviço em áreas, tais como indústrias aeroespacial e marinhas, sistemas nucleares, microeletrônica, baterias e dispositivos biomédicos, etc., impõem grandes desafios no desempenho confiável de ligas de expostos a condições extremas, onde coexistem ataque mecânico e eletroquímica. Encontrar maneiras para ligas mitigar o ataque combinado de desgaste e corrosão (i.e., tribocorrosion) em tais condições extremas, portanto, é altamente crítico para melhorar a sua vida de serviço e confiabilidade quando usado em tais condições. O desafio reside no fato de que o desgaste e a corrosão não são independente umas das outras, mas prefiro trabalhar em sinergia para acelerar a perda total de material. Assim, um método confiável para avaliar a resistência de tribocorrosion de metais e ligas é necessário. Aqui, um protocolo para a sinergia de taxa e desgaste-corrosão do tribocorrosion de Al-baseado em massa e amostras de película fina em um ambiente corrosivo sob a temperatura de medição é apresentado.

Introduction

Tribocorrosion é um processo de degradação do material causado pelo efeito combinado de desgaste e corrosão¹^,². Tribocorrosion ocorre na natureza e em aplicações industriais onde o contato mecânico e um ambiente corrosivo estão simultaneamente presentes. A complexidade do tribocorrosion reside no facto dessa substância química e mecanismos de degradação mecânica não são independentes umas das outras. Uma combinação de ataque mecânica e química, muitas vezes leva ao fracasso acelerado, devido a efeitos de sinergia. Assim, a perda total de material pode ser calculada como T = C₀ + W₀ + S (eqn. 1), onde C₀ é a perda de material resultou da corrosão na ausência de desgaste, W₀ é a perda de material devido ao desgaste mecânico, na ausência de corrosão , e S é a perda de material devido a desgaste-corrosão sinergia³^,⁴. O efeito sinérgico é proeminente para ligas passivas, tais como alumínio, titânio, e aços inoxidáveis, que espontaneamente, formam uma proteção fina (poucos nanômetros de espessura) óxido de película (película passiva) quando em contato com o oxigênio ou água⁵^, ⁶. Durante a corrosão, e se este filme passivo localmente é perturbado por desgaste mecânico, depassivation pode levar a corrosão localizada e falhas inesperadas¹^,³^,⁷^,⁸^, ⁹.

Como um exemplo do impacto económico dos tribocorrosion em nossa sociedade, desgaste e corrosão são estimados para custar quase US $ 300 bilhões por ano nos Estados Unidos¹⁰. Na Flórida, tribocorrosion fenômenos de ligas estruturais na água do mar é de interesse, dada a sua economia de oceano (pesca, transporte marinho e costeira construção), que contribui ao redor 4% do de produto interno bruto total^{11 da Flórida}. Assim, uma melhor compreensão dos tribocorrosion de metais e ligas conduzirá melhor diretrizes para aplicação e uso das ligas nas condições de serviço do ambiente áspero. Tal compreensão servirá também para melhorar a princípios de design para fabricação de novas ligas e revestimentos contra tribocorrosion e aumentando a durabilidade.

Tribocorrosion estudos exigem a integração de um tribometer e um sistema de medição de eletroquímica. O tribometer fornece carga mecânica controlada e movimento relativo e mede a força de fricção e amostra de superfície mudança de altura. O sistema eletroquímico de medição inclui um potentiostat/galvanostat com um amperímetro de zero-resistência (opcional) que determina o potencial de circuito aberto (OCP) e medições de polarização eletroquímica. Tais técnicas fornecem um método rápido e barato para obter as propriedades eletroquímicas de um material, onde a taxa de corrosão de um metal pode ser medida observando a resposta do processo de transferência de carga para uma perturbação de eletroquímica controlada . Aqui, apresentamos um protocolo de teste para determinar a sinergia de tribocorrosion taxa e desgaste-corrosão de ligas de Al, principalmente seguindo a norma ASTM G119². Este protocolo inclui preparação da amostra, configuração da máquina, tribocorrosion testes e procedimentos de cálculo pós-teste. Esperamos que este esforço beneficiará aqueles novos ao campo para realizar testes confiáveis e reproduzíveis tribocorrosion para avaliar o comportamento de deformação e degradação de granel, bem como amostras metálicas de película fina.

Protocol

Atenção: Por favor, consulte todos os materiais relevantes dados fichas de segurança (MSDS) antes de usar. Alguns produtos químicos usados no protocolo são tóxicos. Por favor, use todas as práticas de segurança adequadas ao realizar experimentos, incluindo o uso de controles de engenharia (coifa) e equipamento de protecção pessoal (óculos de segurança, luvas, jaleco, calças completos e sapatos fechados). A máquina CNC (controle numérico de computador) deve ser operada por pessoal treinado. Ácido fluorídrico deve ser tratado dentro de uma coifa que é identificada com um sinal indicando “Perigo, ácido fluorídrico usado nesta área” ou similar. 1. preparação da amostra Nota: Preparação de superfície adequada das amostras antes de testes tribocorrosion é essencial para garantir a boa confiabilidade do teste realizado e aumentar a reprodutibilidade do teste. Neste protocolo, uma liga de Al 3003 comercial (Si: 0.1, Fe: Cu 0,4,: 0.08, Mn: wt.% 1.1, equilibrar Al) é usado como um exemplo. Preparação da amostra metálica em massa Corte-recebido como ligas de Al 3003 (doravante como Al) em vários 1,5 × 2 cm2 cupons usando uma máquina CNC. Mecanicamente, Triture um dos lados da superfície de amostra usando a lixa com aumento do número de grão (#180, 240, 400, 600 e 1200). Triturar a amostra usando a lixa #180 por 30 s ao longo de uma direção arbitrária. Girar a amostra de 90 ˚ e triturá-lo usando uma lixa #240 até as linhas de zero da etapa anterior são completamente eliminadas. Use um microscópio ótico para ajudar esta inspeção. Repita o procedimento de rotação de amostra e mover para o próximo papel de moagem. Use uma escova macia entre as etapas para limpar a superfície da amostra em água corrente para eliminar qualquer contaminação da etapa anterior. Após a moagem, polir a superfície de amostra usando diferentes tamanhos de alumina de alta viscosidade, polimento de suspensão (0,05 µm, 0,3 µm e 1 µm) em almofadas de pano de microfibra. Use uma almofada de pano diferente para cada tamanho de composto. Despeje ~ 1 oz de 1 µm suspensão de alumina (10-30% de alumina, 0,6-1% sílica vidro, 70-90% de água) em uma almofada de pano limpo. Polir a amostra em uma direção ou desenhar uma forma de “8” (evitar desenhar uma forma de ‘0’) até a remoção das linhas de zero da etapa anterior. Repita para 0,3 e 0,05 µm suspensão de polimento (10-30% de alumina, 0,6-1% sílica vidro, 70-90% de água) até alcançar um espelho terminar. Coloque o espécime polido num copo com 40 mL de água desionizada (DI) e colocar o copo em um líquido de limpeza ultra-sônico para 1-2 min para remover qualquer partícula de superfície. Use o gás comprimido para secar completamente a superfície. A Figura 1a mostra um exemplo de um diamante em bruto vs. uma amostra de Al polida. Corte a 5 cm de comprimento, ~ fio eléctrico de diâmetro de 1-2mm e tira fora o plástico de protecção cobrir (~ 1 cm de comprimento) em ambas as extremidades para expor o interior do fio de Cu para o ar. Eletricamente, conecte uma extremidade do fio na parte de trás (o lado sem esmalte) da amostra usando uma fita condutora ou epóxi condutivo. Se usando epóxi condutivo, siga a recomendação do fabricante até a cura completa. Use eletroquímica paragem laca para pintar um ~ 1 × 1 cm2 janela no lado polido e parte de trás completa da amostra. Para a parte de trás, pinte o fio Cu à mostra. Seca a amostra pintada completamente em uma coifa ventilado pelo menos 24 h antes dos experimentos. A Figura 1b mostra um exemplo da amostra pintada em massa, que é usado como eletrodo para os testes de corrosão e tribocorrosion de trabalho. Preparação da amostra de película finaNota: Filmes finos metálicos depositados sobre um substrato liso como vidro, bolacha de Si e outra placa de metal, utilizando técnicas de processamento de não-equilíbrio como deposição de vapor físico e eletrodeposição podem ser usados para tribocorrosion testes após adequada preparação. Aqui um de magnétron provida Al-Mn amostra de filme fino depositada em substrato de Si é usado como um exemplo para explicar os passos críticos. Polir uma bolacha de Si (100 mm de diâmetro) com 01:50 ácido fluorídrico solução de água por 2 min remover qualquer camada de oxidação da superfície. Limpe a bolacha de Si com etanol a 95%. Em seguida, secar com ar comprimido e transferi-lo diretamente em um magnetron sputtering câmara de vácuo de máquina. Opere máquina de pulverização catódica em 80 W entrada de alimentação sob um 5 mTorr argônio atmosfera (99,99%)1. Crescer um ~ 2-3 µm espessura Al-20% Mn filme (doravante como Al de película fina) usando um alvo de Al-Mn na máquina de pulverização catódica. Rotação revestir uma fina camada protetora de um positivo fotorresiste (~ 10 mL para um wafer de Si 100 mL) do lado de Si depositado wafer e dice lo em cupons de2 1,5 × 2 cm vários. Mergulhe a cubos amostra em acetona para 1 min remover completamente a camada protetora. Enxaguá-lo pelo álcool e por fim, seque-o por ar comprimido. Siga as etapas 1.1.5 e 1.1.8 para fazer uma conexão elétrica e pintar a superfície de amostra para teste de tribocorrosion. C da Figura 1 mostra um exemplo de uma amostra de película fina pintada. 2. Tribocorrosion teste Configuração da máquina Tribocorrosion Execute um teste de tribocorrosion usando uma célula de corrosão personalizados instalada em um provador de mecânico universal (UMT) como mostrado na Figura 2a. Use o esquema do tribocorrosion de configuração de teste, conforme mostrado na Figura 2b. A Figura 3 mostra a célula de corrosão personalizados instalada no palco giratório UMT. A resolução de sensoriamento de força é µN 50 e 50 mN para carregar varia de 5 a 500 mN e N 10-1000, respectivamente. Para a medição de eletroquímica, use resolução atual do Amp 2 x 10-17 e 1014 impedância de entrada Ω. Princípio de medição de taxa de Tribocorrosion Medir a resistência de tribocorrosion, de acordo com o padrão de ASTM G1192, onde a perda de material total T = C0 + W0 + S (ver introdução para obter detalhes). Medir a corrosão taxa C0 desde o teste de potentiodynamic. Medir a taxa de desgaste puro W0 durante a polarização catódica de teste tribocorrosion. Aplicar uma configuração de bola-em-disco usando uma bola de alumina para impor recíproco desgaste mecânico na faixa de carga de mN para alguns N. Para a amostra de filme fino, escolha uma adequada carga normal. Isso garante que a deformação plástica é confinada dentro da superfície superior para que a espessura da amostra depositada é grande o suficiente para se parecer com o comportamento do material em massa de verdade. Tal estimativa pode ser feita usando a teoria de contato hertziana12. Medir a taxa de tribocorrosion T de tribocorrosion teste da OCP. Calcule a sinergia S das medições e a equação 1 acima. Teste de medição de corrosão taxa C0 de potentiodynamic (PD) Prepare o eletrodo de trabalho (ou seja, a granel ou amostra de metal fina película sob análise). Limpe a superfície do metal com acetona, seguido de etanol a 95%. Limpe a célula de corrosão antes de cada corrida de corrosão. Esfregue a célula com detergente doméstico e lavar abundantemente com água da torneira. Repita este passo 3 vezes. Lave a célula de corrosão 3 vezes com água de água deionizada (DI) para remover potenciais contaminantes encontrados na água da torneira. Despeje 100 mL de etanol a 95% da célula de corrosão e giram em torno de entrar em contato com todas as superfícies internas. Deite fora o etanol e repita este passo 3 vezes. Embora a célula de corrosão sob uma coifa para 30 min permitir que todos os etanol evapora-se completamente. Levar a célula de corrosão limpo e seco e enxaguá-lo com o eletrólito que será usado para executar a corrosão. Para cada enxágue, preencher a célula de corrosão com 40 mL do eletrólito e repita este procedimento 3 vezes. Para este protocolo, lavar a célula de corrosão com 3,5% em peso (0,6 M), solução aquosa de pH ≈ 7 cloreto de sódio (ou seja, simulação de água do mar). Após a lavagem, encha a célula de corrosão com 40 mL de eletrólito pronto para a reação. Configure a configuração do três-elétrodo. Use o exemplo de Al, um padrão de Ag/AgCl e uma malha de titânio ativado como o trabalho, referência e elétrodo contrário respectivamente. Coloque o eletrodo de trabalho centralmente na parte inferior da célula de corrosão e cole o fundo usando super bonder. Coloque a ponta do fio Cu exposto acima da altura de superfície do eletrólito esperado. Coloque o eléctrodo de referência ~ 1 cm acima do eletrodo de trabalho. Vagamente dobre o elétrodo contrário ao redor da amostra sob teste (eletrodo de trabalho). A distância entre o contador e o eletrodo de trabalho é de ~ 2-4 cm. Conecte os eletrodos com o potentiostat. Certifique-se de que os eléctrodos não estão tocando. Abra o pacote de software eletroquímica, que faz interface com o USB controlado potentiostat. Ligue o potentiostat. Abra e use a Exibição de medição para ver as leituras atuais e potenciais do ambiente de corrosão. Durante o OCP fase onde ainda não há rampa de potencial é aplicada a leitura atual entre o trabalho (potencial positivo) e contador (negativo) eletrodo é em torno de 0 µA ± 0,01. Embora a amostra para equilibrar e estabilizar a OCP dentro do ambiente de célula de corrosão. O tempo de duração para isto varia (1 a 6 h) e é dependente do material testado. Monitorar o potencial usando a exibição de medição para determinar se uma condição estabilizada (i.e., uma potencial mudança de menos de 50 mV mais mais do que meia hora) é alcançado. O teste de corrosão. Após a estabilização da corrosão potencial (Ecorr), aumente o potencial aplicado na direção positiva em relação ao eletrodo de referência. Selecione o procedimento de potentiostat de voltametria cíclica dentro da visão de instalação do guia de procedimento ativar os seguintes parâmetros amostrar para a corrosão executar: tempo, trabalhar o potencial de eletrodo (WE) e atual para a corrosão de executar. Selecione a opção para automatizar o intervalo atual. Definir a corrente mais alta na faixa de 10 mA e a menor corrente na faixa de ser at 10 para o WE. Certifique-se de que a seleção final de corte é controlada através do potencial, definindo o parâmetro ‘ciclo de volta’ para 0,8 mV para permitir que o laço de histerese completar. OCP registro do vista de medição na caixa de texto do parâmetro OCP. Definir o início potencial em 100 mV abaixo o valor gravado da OCP. Definir o vértice superior potencial de 800 mV, o vértice inferior a 100 mV abaixo o potencial de iniciar e o potencial de paragem a 100 mV abaixo o vértice de menor potencial. Defina a taxa de varredura de 0.167 mV/s (ASTM padrão). Pressione Iniciar. Depois de algumas horas, acabou-se o teste de corrosão. Exibir os resultados no software.Nota: Microscopia óptica será realizada após cada teste. Descarte amostras apresentando qualquer indicação de corrosão da fenda sob o verniz de paragem. Os resultados para cada condição de teste devem ser repetidos pelo menos três vezes. A Figura 4 mostra os resultados representativos de granel e filme fino Al após testes de PD em 3,5 wt.% solução aquosa de NaCl a pH ≈ 7. Determine o potencial opondo (Epoço), do teste do PD como o potencial em que um rápido aumento de corrosão atual teve lugar (Figura 4). Obter um valor nominal da encosta de polarização catódica (βc) encaixando-se uma linha reta para a parte da curva de polarização que corresponde ao potencial de mais de 50 mV inferior Eoc. Obter um valor nominal da polarização anódica encosta (βuma) da mesma forma, usando a parte da curva que começou às potenciais > 50 mV superior Eoc e terminou no Epoço. Ambos extrapolar as tendências Eoc e média adequada de ambos para obter uma densidade de corrente nominal de corrosão (eucorr) (Figura 4). Calcular a corrosão taxa C0 de corrosão atual eucorr usando a conversão de Faraday (1 µA.cm-2≈ 10,9 µm/y) supondo que a corrosão uniforme com a formação de Al3 +. Equação de Faraday é R = M/nFP(icorr), onde R é a taxa de corrosão,corr é a corrosão atual, medida a partir do teste de PD, M é a massa atômica do metal, P é a densidade, n é o número de comando que indica o número de trocaram de elétrons na reação de dissolução e F é equivalente a constante de Faraday 96.485 c/Astyanax M/n é o peso equivalente. Medição da taxa de desgaste W0 de teste da proteção catódicaNota: Para medir a taxa de desgaste, uma bola de alumina com 4 mm de diâmetro é usada como o corpo do contador a zero na superfície da amostra enquanto a amostra está imersa na solução, como mostrado na Figura 5. Abaixo está o procedimento de teste da proteção catódica. Execute etapas de 2.3.1 2.3.13 na seção 2.3. Mova a sonda do indenter para baixo em direção à superfície da amostra tão perto quanto possível (distância de 1 mm da superfície da amostra). Garantir o indenter fica perto do centro da amostra, e não há nenhum contato elétrico entre os eletrodos, a sonda e a superfície da amostra. Mova o indenter se encaminhar para 200 mm. Pour 3.5 wt.% NaCl solução aquosa para a célula de corrosão até toda superfície do eletrodo, a sonda e a amostra estão imersos. Mova a sonda do indenter para baixo em direção à superfície da amostra tão próximo quanto possível. Conecte os eletrodos com o potentiostat. Abra o pacote de software eletroquímica, que faz interface com o USB controlado potentiostat. Ligue o potentiostat. Selecione o experimento para ver os DC corrosão e escolher modo de Potentiostatic . Aplicar um potencial catódico de 350 mV abaixo OCP. Este potencial catódica (350 mV abaixo OCP) é escolhido para evitar a reação de evolução de hidrogênio durante deslizamento, que pode levar à fragilização das13amostras. O potencial inicial e final potencial é-350 mV vs Eoc. O tempo total de experimental é 1.800 s incluindo 300 s de tempo de coçar. Configurar o teste de desgaste do software UMT aplicando carga normal de 0,5 N, 5 mm de comprimento zero e zero frequência 1 Hz. Pressione o botão executar no sistema para começar a tribocorrosion de desgaste. Nota, a frequência zero, zero comprimento e carga aplicada são testes de parâmetros que podem ser variados baseados sobre a finalidade do experimento. Após 1.800 s, terminou o teste. Exibir os resultados no software UMT. Para o teste confiável, repeti os testes sob a mesma condição pelo menos três vezes. Use um superfície perfilômetro para medir a profundidade da faixa de desgaste de pelo menos três locais diferentes ao longo da trilha de desgaste para cada amostra. A direção de varredura é vertical à linha zero e o comprimento de varredura é maior que a largura do desgaste faixa (veja Figura 6). O raio da caneta perfilômetro é de 5 µm, a força da caneta é de 3 mg e a resolução de digitalização é 0,028 µm/amostra. Exporte os dados de medição do perfil. Use o software para integrar diretamente a profundidade abaixo da superfície não usada (área sombreada na Figura 7). Calcular a área de seção transversal de desgaste como , onde h (x) é a altura da superfície em função da posição x e uma é a largura de faixa de desgaste. Usando A, calcular o volume de desgaste como (A é a área de seção transversal de desgaste, L é o comprimento de pista de desgaste = 5 mm). Finalmente, calcular a taxa W desgaste0 como W0= V/Ltot, onde Ltot é a distância de deslizamento total. Medição da taxa de tribocorrosion T de tribocorrosion teste da OCP Seguindo passos 2.4.1-2.4.8 exceto na etapa 2.4.6, defina o potencial aplicado durante o teste como o OCP. Uma vez terminado o teste, siga o passo 2.4.10 para calcular T, onde T = V/Ltot. Cálculo da sinergia de desgaste-corrosão S Depois de executar todas as etapas anteriores, calcular a sinergia de desgaste-corrosão como S = T-W0- C0, onde T é a perda total de material medida da OCP, W0 é a perda de material medida o potencial catódico, principalmente devido ao desgaste mecânico ( onde corrosão torna-se insignificante em comparação para usar), e C0 é a perda de material devido à corrosão pura estimada PD testes14,15. Note que se C0 é medido em termos de perda de profundidade/ano do teste do PD, é importante para convertê-lo em uma perda de volume equivalente por hora para o cálculo correto do S.

Representative Results

Seguindo o protocolo do teste descrito acima, a taxa de tribocorrosion (T) é medida em vários potenciais. A Figura 8 representa a perda de material obtida para a amostra de filme fino Al após tribocorrosion na catódica (350 mV abaixo OCP), abrir o circuito e anódica (200 mV acima OCP) potencial. O teste foi realizado em 3,5 wt.% NaCl solução aquosa por 5 min sob carga 0,5 N normal, a um 1 Hz de frequência e 5 mm de comprimento de curso de deslizamento. Antes de cada teste, a OCP foi estabilizada por 20 min. a Figura 9 mostra o resumo de todos os componentes da eqn. 1, incluindo o tribocorrosion (T) a taxa, use taxa (W0), taxa de corrosão (C0) e sinergia de desgaste-corrosão (S) de filme fino de Al. Figura 1 . Foto de amostra de global de Al (a) unpolished e polida, granel (b) com fio e pintada e (c) fina película Al amostra para teste de tribocorrosion. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2 . (uma) foto da frente da máquina Bruker UMT sem tribocorrosion feito por celular. (b) esquema de tribocorrosion teste de instalação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3 . Foto de celular feito por tribocorrosion, instalado no palco giratório UMT. A célula é feita de Teflon com um-Ring na superfície inferior para evitar vazamento de líquidos durante o teste de tribocorrosion. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4 . Curvas de polarização potentiodynamic representante de Al em massa e a película fina após imersão de 1 hora em solução de NaCl 0,6 M. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 5 . Foto da máquina de tribocorrosion durante os testes onde a sonda indentor está se movendo sobre a superfície da amostra em movimento recíproco. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 6 . Digitalizar imagem de microscopia eletrônica da faixa de desgaste após o teste de tribocorrosion. As linhas tracejadas representam os limites da faixa de desgaste. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 7 . Desgaste típico perfil de trilha de filme fino Al após o teste de tribocorrosion obtido por perfilômetro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 8 . Resumo de taxa de tribocorrosion (T) de filmes finos de Al em potencial aplicada diferente. A seta representa um desvio padrão de todos os resultados de teste repetido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 9 . Resumo de taxa de tribocorrosion (T), usar a taxa (W0), taxa de corrosão (C0) e sinergia de desgaste-corrosão (S) de filmes finos de Al. A seta representa um desvio padrão de todos os resultados de teste repetido. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 10 . Evolução da corrosão potencial durante tribocorrosion teste de filme fino Al da OCP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 11 . Evolução do coeficiente de atrito (COF) durante tribocorrosion teste de filme fino Al da OCP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 12 . Evolução da corrosão atual durante o teste de tribocorrosion de filme fino Al em 200 mV acima OCP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 13 . Resumo de desgaste mecânico e químico de filme fino Al durante o teste de tribocorrosion em 200 mV acima OCP. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Existem várias etapas críticas no âmbito do presente protocolo. Em primeiro lugar, adequada preparação de superfície das amostras antes dos testes de tribocorrosion é fundamental para garantir a boa confiabilidade do teste realizado e aumentar a reprodutibilidade do teste. Granel diferentes ligas devem ser preparados seguindo os procedimentos diferentes para assegurar uma aspereza de superfície controlada e remoção de quaisquer contaminantes superficiais ou escalas. O procedimento descrito aqui consiste exclusivamente mecânico de esmerilhamento e polimento. Este método aplica-se geralmente às ligas com média a alta dureza como Al, Ti, Ni, ligas de Cu e aço. Para ligas mais macias, tais como ligas de Mg, eletroquímico fresamento polimento ou íon deve ser acoplado com polimento mecânico para atingir a aspereza de superfície desejada. Em segundo lugar, para a amostra de filme fino que sputtering, mantendo uma ultra baixo vácuo (< 10^-6 Torr) na câmara de sputtering é fundamental para garantir concentração baixa defeito no filme depositado, que caso contrário iria afectar a resistência à corrosão significativamente. Em terceiro lugar, ao preparar a granel ou amostras de película fina para o eletrodo de trabalho, é importante garantir uma boa conexão elétrica entre a amostra e o fio de ligação (Cu). Neste protocolo, fita condutora ou condutivo epóxi é usada. Alternativamente, solda, soldadura ou técnicas similares podem ser usadas. No entanto, o efeito de aquecimento durante a soldadura na microestrutura e, eventualmente, a resistência de tribocorrosion de amostras devem ser avaliados cuidadosamente. Isto é especialmente importante para metais e ligas com baixo ponto de fusão. Finalmente, desde tribocorrosion envolve uma interação de três corpos (incluindo entre os dois corpos em contato e o terceiro corpo), é importante garantir que uma nova ponta de bola (ou uma nova área da ponta da bola) é usada quando realizando repeti o teste de tribocorrosion.

O protocolo atual avalia tribocorrosion taxa por perda de material de medição. Modificações do presente protocolo podem ser feitas facilmente avaliar a cinética de depassivation e repassivation de tribocorrosion. Isto é conseguido seguindo a evolução do coeficiente de atrito (COF), potencial e corrente durante o ensaio. Como exemplo, a Figura 10 e 11 mostram resultados representativos da evolução do potencial de corrosão e COF respectivamente, de filme fino Al após tribocorrosion teste da OCP. As setas na Figura 10 representam o início e acabamento de coçar. Pode ser visto que para ligas passivas, tais como Al, a ruptura mecânica durante tribocorrosion leva a repartição local de remoção do filme passivo sobre a faixa de desgaste e expondo uma área de depassivated que leva a uma diminuição da corrosão potencial por ~ 20 mV. Nosso anterior trabalho¹⁶ mostraram que a magnitude da redução potencial de corrosão está fortemente relacionada com a microestrutura do metal dado que os parâmetros de teste (por exemplo, aplicada a carga, velocidade de deslizamento, temperatura) são os mesmos. Para Al com maior dureza e microestrutura mais fina, a mesma carga aplicada pode originar uma depassivated área menor, portanto, menor alteração no potencial de corrosão. É também de notar que, durante o modo de circuito aberto, a corrente é muito baixa para ser detectada como o circuito está ‘aberto’. No entanto, a atual evolução durante o teste de tribocorrosion em potenciais catódica ou anódicos impostas pode ser monitorada. Um exemplo pode ser encontrado em nosso anterior trabalho¹⁶. A Figura 12 mostra a evolução atual do filme fino Al durante tribocorrosion em um potencial anódico imposto de 200 mV mais positivo do que o OCP. Este potencial anódico foi selecionado dentro da região passiva ainda bem abaixo dos potenciais opondo. Este resultado pode ser usado para quantificar a corrosão desgaste acelerado. Neste caso, a perda total de material pode ser avaliada como T = V_mech + V_chem, onde V_mech e V_chem corresponde à contribuição de perda de material mecânica e eletroquímica, respectivamente. Especificamente, V_química pode ser considerado como resultante da oxidação de metal sob anódica potencial aplicada. Assim, ele pode ser calculado pela lei de Faraday como ¹⁷^,¹⁸^,¹⁹, onde Q é a carga elétrica (calculada multiplicando a diferença entre a corrente anódica média antes e durante deslizando pelo tempo), M é a massa molecular, n é a Valência de oxidação, F é constante de Faraday e ρ é que a densidade de Al. Figura 13 mostra o resultado de ambos os termos para Al filmes finos. Partir da discussão acima, pode ser visto que uma avaliação da mudança de parâmetros eletroquímicos, além da perda de peso, assim irá oferecer uma visão crítica para a cinética de depassivation durante a tribocorrosion.

O protocolo apresentado aqui também tem várias limitações. Primeiro, a célula de corrosão é feita de Teflon (politetrafluoretileno) ou material similar. Assim, todos os testes foram realizados perto da temperatura ambiente. Para aplicações que exigem maior temperatura (por exemplo, acima de 400 ° C para núcleos de reator nuclear), uma célula de corrosão especial e ponta tem que ser fabricado que irá suportar a fluência de alta temperatura e à corrosão. Adicionais de segurança também é necessária para a manipulação de eletrólito de sal derretido e amostras metálicas em altas temperaturas. Em segundo lugar, a fixação de um eletrodo de referência perto do eletrodo de trabalho (amostra) limitou o movimento de desgaste para ser linear recíproco. Em aplicações onde um movimento rotacional da amostra é necessário, uma instalação especial tribocorrosion tem de ser concebido. Em terceiro lugar, na configuração do presente, a taxa de risco de desgaste é muito mais rápida do que a taxa de corrosão. Portanto, a contribuição de C₀é insignificante em comparação com todos os outros termos. Enquanto corrosão em si não conduziu a significativa perda de material durante o tempo de teste limitado, seu efeito sobre S é significativo. Em aplicações no mundo real onde mecânico zero ocorre a frequências muito baixas, esta tendência pode alterar onde C₀pode tornar-se dominante. Finalmente, um cuidado especial tem que ser pago para erros gerados durante os testes. Isto é especialmente importante para avaliar a sinergia de desgaste-corrosão (S), que é derivada de taxa de tribocorrosion (T), a taxa de desgaste (W₀) e taxa de corrosão (C₀). Assim, os erros podem ser acumulados. Para minimizar erros gerados em T e W₀, um perfilômetro de óptico 3D sem contacto (em vez do contato perfilômetro 2D) pode usado para determinar o volume de perda total do material. Para minimizar o erro no C₀, PD testes podem ser acoplados com não-destrutivos sie (espectroscopia de impedância electroquímica) teste para avaliar a taxa de corrosão²⁰.

Como uma nota final, taxa de tribocorrosion não é uma propriedade material, mas prefiro a resposta de um sistema que varia de acordo com os parâmetros de teste (carga aplicada, deslizante de velocidade, etc.), ambiente (temperatura, pH, concentração de sal, etc.), e Propriedades do material (dureza, aspereza de superfície, etc.). O protocolo aqui apresentado é demonstrado usando apenas um conjunto de condições. Os leitores devem considerar as diferenças e adoptar alterações apropriadas na preparação das amostras, testes de configuração e análise de dados, quando se lida com sistemas diferentes. Alternativa teste instalação incluindo pino na placa (alternativo), microabrasão, cilindro barra, et al pode ser encontrado em ²¹. Tribocorrosion é um assunto emergente e interdisciplinar. Espera-se que este protocolo vai facilitar tanto a avaliação dos materiais de engenharia existentes, bem como o design de novos materiais resistentes à degradação de danos e corrosão tanto desgaste. Esses materiais tornam-se cada vez mais no futuro exigiam aplicações como avançados dispositivos medicinais implantáveis activos, próxima geração usinas nucleares e alta capacidade de rápido carregamento de baterias, etc, que todos exigem não só uma forte e resistente material, mas que é robusto e confiável ao interagir com um ambiente muito extremo.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho foi apoiado nos National Science Foundation Grant DMR-1455108 e 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).

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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).

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