Name: determining tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of bulk and thin film aluminum alloys
Uploaded: 2018-09-11T14:30:00
Duration: 7 min 12 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Determining Tribocorrosion Rate and Wear-Corrosion Synergy of Bulk and Thin Film Aluminum Alloys at JoVE.com

Ce travail a été soutenu par le nous National Science Foundation Grant DMR-1455108 et CMMI-1663098.

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Les auteurs déclarent sans intérêts financiers concurrents.

Il y a plusieurs étapes critiques au sein de ce protocole. Tout d’abord, bonne préparation de surface des échantillons avant les tests tribocorrosion est essentielle pour assurer la bonne fiabilité de l’essai effectué et améliorer la répétabilité des essais. Alliages différents en vrac doivent être préparés selon des procédures différentes pour assurer une rugosité contrôlée et l’enlèvement des contaminants de surface ou des échelles. La procédure décrite ici consiste exclusivement mécanique de meulage et de polissage. Cette méthode s’applique généralement aux alliages avec un moyen dureté élevée tels que Al, Ti, Ni, Cu d’alliages et de l’acier. Pour alliages plus douces tels que les alliages Mg, fraisage d’ion ou de polissage électrochimique devrait être couplé avec polissage mécanique pour atteindre la rugosité de surface désirée. Deuxièmement, pour l’échantillon de film mince bredouillement, maintenir une ultra-basse (< 10-6 Torr) vide dans la chambre de pulvérisation est essentielle pour assurer la faible concentration dans le film déposé, ce qui pourrait autrement affecter la résistance à la corrosion de manière significative. Troisièmement, lors de la préparation soit en vrac ou les échantillons minces dans l’électrode de travail, il est important de s’assurer une bonne connexion électrique entre l’échantillon et le fil de connexion (Cu). Dans ce protocole, auto-ADHESIF ou époxy conductrice est utilisé. Alternativement, brasage, soudage par points ou des techniques similaires peuvent servir. Toutefois, l’effet du chauffage pendant la soudure sur la microstructure et éventuellement la résistance tribocorrosion des échantillons doit être évalués avec soin. Ceci est particulièrement important pour les métaux et alliages à bas point de fusion. Enfin, puisque tribocorrosion implique une interaction à trois corps (y compris les deux corps en contact et le troisième corps entre les deux), il est important de s’assurer qu’un nouvel embout de balle (ou une nouvelle zone de la pointe bille) est utilisée lors de l’exécution répétée tribocorrosion test.
Le protocole actuel évalue tribocorrosion taux en mesurant la perte matérielle. Modifications du présent protocole peuvent être facilement effectuées pour évaluer la cinétique depassivation et repassivation de tribocorrosion. Ceci est réalisé grâce au suivi le courant, le potentiel et l’évolution du coefficient de frottement (COF) pendant l’essai. À titre d’exemple, Figure 10 et 11 présentent des résultats représentatifs de l’évolution du potentiel de corrosion et COF respectivement de Al minces après tribocorrosion test à l’OCP. Les flèches dans la Figure 10 représentent le début et la fin de se gratter. On voit que pour alliages passifs tels que Al, les perturbations mécaniques pendant tribocorrosion conduit à ventilation locale ou l’enlèvement de la pellicule passive sur la piste d’usure et d’exposer une zone depassivated qui conduit à une diminution de la corrosion potentielle de ~ 20 mV. Nos précédents travaux16 a montré que l’ampleur de la réduction potentielle de la corrosion est fortement liée à la microstructure du métal étant donné que les paramètres de test (par exemple, appliquée la charge, vitesse de glissement, température) sont les mêmes. Pour Al avec la plus grande dureté et une microstructure plus fine, la même charge appliquée peut conduire à une plus petite depassivated zone, donc plus petit changement de potentiel de corrosion. On notera aussi que pendant le mode circuit ouvert, le courant est trop faible pour être détecté comme étant le circuit est « ouvert ». Cependant, évolution actuelle pendant tribocorrosion test à des potentiels cathodiques ou anodiques imposées peut être surveillée. On trouvera un exemple dans notre précédent travail16. La figure 12 montre l’évolution actuelle de Al minces pendant tribocorrosion à un potentiel anodique imposé de 200 mV plus positive que l’OCP. Ce potentiel anodique a été sélectionné au sein de la région passive mais bien en deçà des piqûration potentiels. Ce résultat peut être utilisé pour quantifier la corrosion usure accélérée. Dans ce cas, la perte matérielle totale peut être évaluée comme T = Vmech +chemde V, où Vmech et Vchem correspond à la contribution de la perte de matériel mécanique et électrochimique, respectivement. Plus précisément, Vchem peut être considéré comme résultant de l’oxydation métallique sous anodique potentiel appliqué. Ainsi, elle peut être calculée par la Loi de Faraday 17,18,19<img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/58235/58235eq4.jpg" style="font-size: 14px;">, où Q est la charge électrique (calculée en multipliant la différence entre le courant anodique moyen avant et Pendant coulissant par le temps), M est la masse moléculaire, n est la valence de l’oxydation, F est la constante de Faraday et ρ est que la densité de la coll. Figure 13 montre le résultat typique des deux termes d’Al minces. De ce qui précède, on peut considérer qu’une évaluation de la modification de paramètres électrochimiques, outre la perte de poids, offrira ainsi une vision critique de la cinétique de la depassivation pendant tribocorrosion.
Le protocole présenté ici porte également plusieurs limitations. Tout d’abord, la cellule de la corrosion est en téflon (polytétrafluoroéthylène) ou un matériau similaire. Ainsi, tous les tests ont été effectués à température ambiante. Pour les applications nécessitant plus élevée température (par exemple, au-dessus de 400 ° C pour les carottes de réacteur nucléaire), une cellule de corrosion spéciaux et Astuce doivent être fabriqués, qui résistera fluage de haute température et à la corrosion. Sécurité supplémentaire est également nécessaire pour la manutention électrolyte sel fondu et échantillons métalliques à haute température. Deuxièmement, la fixation d’une électrode de référence près de l’électrode de travail (exemple) a limité le mouvement d’usure pour être linéaire réciproque. Dans les applications où un mouvement de rotation de l’échantillon est nécessaire, une configuration spéciale tribocorrosion doit être conçu. Troisièmement, dans la configuration actuelle, le taux d’usure des rayures est beaucoup plus rapide que le taux de corrosion. La contribution de C0 est donc négligeable par rapport à tous les autres termes. Alors que la corrosion elle-même n’a pas entraîné des pertes matérielles importantes au cours de la durée d’essai limitée, son effet sur S est significatif. Dans les applications du monde réel où zéro mécanique se produit à des fréquences beaucoup plus basses, cette tendance pourrait changer où C0 peut devenir dominante. Enfin, une attention particulière doit être payé pour les erreurs générées pendant l’essai. Ceci est particulièrement important pour l’évaluation de la synergie d’usure-corrosion (S), qui est dérivée de tribocorrosion taux (T), taux d’usure (G0) et la vitesse de corrosion (C,0). Ainsi les erreurs peuvent être accumulés. Pour minimiser les erreurs générées en T et W0, un profilomètre optique 3D sans contact (au lieu du contacter profilomètre 2D) permet de déterminer le volume total de pertes matérielles. Pour minimiser l’erreur C0, tests de PD peuvent être couplés avec non destructifs EIS (spectroscopie d’impédance électrochimique) test pour évaluer la corrosion taux20.
Comme note finale, tribocorrosion taux n’est pas une propriété matérielle, mais plutôt les réponse d’un système qui dépendent des paramètres de tests (charge appliquée, glisse, vitesse, etc.), de l’environnement (température, pH, concentration en sel, etc.), et Propriétés des matériaux (dureté, rugosité de surface, etc.). Le protocole présenté ici est démontré en utilisant seulement un ensemble de condition. Les lecteurs devraient examiner les différences et adopter les modifications appropriées dans la préparation de l’échantillon, essai d’installation et analyse des données lorsqu’ils traitent avec des systèmes différents. Sellette alternative test installation comprise sur plaque (alternatifs), micro-abrasion, cylindre bar, al se trouve dans le 21. Tribocorrosion est un sujet interdisciplinaire émergent. Il est à espérer que ce protocole facilite aussi bien l’évaluation des matériaux existants ainsi que la conception de nouveaux matériaux résistant à la dégradation des deux usure dommages et à la corrosion. Ces matériaux deviennent de plus en plus exigé à l’avenir des applications telles que l’avancée des dispositifs médicaux implantables, prochaine génération centrales nucléaires et grande capacité de charge des batteries, etc., qui tous exigent non seulement une forte rapide et résistant matériel, mais qui est robuste et fiable lorsqu’il interagit avec certains très extrêmes de l’environnement.

Tribocorrosion est un processus de dégradation du matériel causé par l’effet combiné de l’usure et la corrosion1,2. Tribocorrosion se déroule aussi bien dans la nature et dans des applications industrielles où sont simultanément présents, contact mécanique et un environnement corrosif. La complexité des tribocorrosion réside dans le fait que chimique et mécanismes de dégradation mécanique ne sont pas indépendants des uns des autres. Une combinaison des agressions mécaniques et chimiques souvent conduit à des défaillance accéléré, en raison des effets de synergie. Ainsi, la perte matérielle totale peut être calculée comme T = C0 + W0 + S (eqn. 1), où C0 est la perte matérielle résultant de la corrosion en l’absence d’usure, W0 est la perte matérielle en raison de l’usure mécanique en l’absence de corrosion , et S est la perte matérielle en raison de l’usure-corrosion synergie3,4. L’effet synergique est importante pour les alliages passifs tels que l’aluminium, le titane, et les aciers inoxydables, qui forment spontanément un protecteur mince (quelques nanomètres d’épaisseur) oxyde de film (pellicule passive) au contact de l’oxygène ou l’eau5, 6. Au cours de la corrosion, et si ce film passif est localement perturbé par usure mécanique, depassivation pourrait conduire à une corrosion localisée et défaillances imprévues1,3,7,8, 9.
Comme exemple de l’impact économique de tribocorrosion dans notre société, usure et la corrosion devraient pour coûter presque $ 300 milliards par an dans les États-Unis10. En Floride, tribocorrosion phénomènes des alliages structures dans l’eau de mer est intéressant compte tenu de son économie de l’océan (pêche, transport maritime et côte construction), qui contribue pour environ 4 % de produit intérieur brut total de la Floride11. Ainsi, une meilleure compréhension des tribocorrosion des métaux et alliages permettra de meilleures directives pour l’application et l’utilisation des alliages dans des conditions de service sévères. Une telle compréhension servira également à améliorer les principes de conception pour la fabrication de nouveaux alliages et revêtements contre tribocorrosion et en améliorant la durabilité.
Les études de tribocorrosion exigent l’intégration d’un tribomètre et un système de mesure électrochimique. Le tribomètre fournit une charge mécanique contrôlée et mouvement relatif et mesure la force de frottement et l’échantillon changement de hauteur de la surface. Le système de mesure électrochimique comprend un potentiostat/galvanostat avec un ampèremètre de zéro-résistance (en option) qui détermine le potentiel de circuit ouvert (OCP) et les mesures de polarisation électrochimique. Ces techniques offrent une méthode rapide et peu coûteuse pour obtenir les propriétés électrochimiques d’un matériau, où le taux de corrosion d’un métal peut être mesuré en observant la réaction du processus de transfert de charge à une perturbation électrochimique contrôlée . Nous présentons ici un protocole d’essai pour la détermination de la synergie de tribocorrosion taux et usure-corrosion des alliages d’Al, suivant la norme ASTM G1192. Ce protocole comprend préparation des échantillons, configuration machine, tribocorrosion tests et les procédures de calcul post test. Nous espérons que cet effort permet aux gens nouveaux sur le terrain pour effectuer des tests de tribocorrosion fiable et reproductible pour évaluer le comportement de déformation et de la dégradation d’en vrac ainsi que les échantillons métalliques minces.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:919px;" width="918">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">UMT (universal mechanical testing) machine</td>
			<td style="width:199px;">Bruker</td>
			<td style="width:239px;">UMT-2</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Potentiostat</td>
			<td style="width:199px;">Gamry</td>
			<td>Reference 600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Surface profilometer&#160;</td>
			<td style="width:199px;">Veeco&#160;</td>
			<td style="width:239px;">Dektak150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:315px;">Al3003</td>
			<td style="width:199px;">Metal supermarkets</td>
			<td style="width:239px;">3003</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Sodium choloride</td>
			<td style="width:199px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:239px;">S640-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">DI water</td>
			<td style="width:199px;">USF NREC</td>
			<td style="width:239px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Alcohol</td>
			<td style="width:199px;">Fisher Chemical</td>
			<td style="width:239px;">A405P-4</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="134">
			<td height="134" style="height:134px;width:315px;">Grinding paper</td>
			<td style="width:199px;">LECO Corporation</td>
			<td style="width:239px;">810-221-300 (#180) 
			810-223-300 (#240) 
			810-227-300 (#400) 
			810-229-300 (#600) 
			810-036-100 (#1200)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="36">
			<td height="36" style="height:36px;width:315px;">Polishing Pad</td>
			<td style="width:199px;">Pace Technologies</td>
			<td style="width:239px;">NP. 7008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="70">
			<td height="70" style="height:70px;width:315px;">Polishing suspension</td>
			<td style="width:199px;">Pace Technologies</td>
			<td style="width:239px;">NANO2-1010-06 (1 um) 
			NANO2-1003-06 (0.3 um) 
			NANO2-1005-06 (0.05 um)</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Stop-off lacquer</td>
			<td style="width:199px;">Romanoff</td>
			<td style="width:239px;">210-1250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Ag/AgCl Reference electrode</td>
			<td style="width:199px;">SYC Technologies, Inc.</td>
			<td style="width:239px;">CHI111</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Compressed air</td>
			<td style="width:199px;">Office depot</td>
			<td style="width:239px;">911-245</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Ultrasonic cleaner</td>
			<td style="width:199px;">Cole Parmer</td>
			<td style="width:239px;">8890</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:315px;">Sputtering coater</td>
			<td style="width:199px;">Torr International</td>
			<td style="width:239px;">CRC-100</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

determining tribocorrosion rate and wear-corrosion synergy of bulk and thin film aluminum alloys

La complexité croissante et la gravité des conditions de service dans les domaines tels que les industries aéronautique et maritimes, les systèmes nucléaires, microélectronique, batteries et dispositifs biomédicaux, etc., imposeront des grands défis sur la performance fiable des alliages, exposés à des conditions extrêmes où coexistent à une attaque électrochimique et mécanique. Trouver des moyens pour les alliages atténuer l’attaque combinée de l’usure et la corrosion (c.-à-d. tribocorrosion) dans de telles conditions extrêmes est donc très critique pour améliorer leur vie de service et de fiabilité lorsqu’il est utilisé dans de telles conditions. Le défi réside dans le fait que l’usure et la corrosion ne sont pas indépendante des uns des autres, mais plutôt de travailler en synergie afin d’accélérer la perte matérielle totale. Ainsi, il faut une méthode fiable pour évaluer la résistance tribocorrosion des métaux et alliages. Ici, un protocole de mesure de la synergie de taux et d’usure-corrosion tribocorrosion Al-fondée en vrac et les échantillons minces dans un environnement corrosif sous la température ambiante est présenté.

Suite au protocole d’essai décrit ci-dessus, le taux de tribocorrosion (T) est mesuré à des potentiels différents. Figure 8 représente la perte matérielle obtenue pour l’échantillon de film mince Al après tribocorrosion à la cathodique (350 mV ci-dessous OCP), circuit, ouvert et anodique (200 mV au-dessus OCP) potentiels. L’essai a été effectué dans 3,5 wt.% solution aqueuse de NaCl pour 5 min sous 0,5 N une charge normale, à un 1 Hz fréquence et 5 mm de longueur de course de glissement. Avant chaque essai, l’OCP a été stabilisé pour 20 min. de la Figure 9 montre le résumé de toutes les composantes d’eqn. 1, y compris la tribocorrosion taux (T), porter le taux (G0), le taux de corrosion (C,0) et la synergie d’usure-corrosion (S) d’Al film mince.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig1.jpg"> Figure 1 . Photo de b mat et poli échantillon en vrac de Al, (b) câblé et peinte en vrac et (c) minces Al échantillon pour le test de tribocorrosion. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig2.jpg"> Figure 2 . (a) photo de la façade de la machine de Bruker UMT sans cellule tribocorrosion sur mesure. (b) Représentation schématique du tribocorrosion test d’installation. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig3.jpg"> Figure 3 . Photo de cellule sur mesure tribocorrosion installé sur la scène rotative de l’UMT. La cellule est en téflon avec un joint torique à la surface du fond pour éviter les fuites de liquide au cours de l’essai tribocorrosion. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig4.jpg"> Figure 4 . Courbes de polarisation potentiodynamique représentant de Al vrac et couche mince après immersion d’une heure dans une solution de NaCl de 0,6 M. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig5.jpg"> Figure 5 . Photo de machine tribocorrosion au cours des essais où la sonde indenteur se déplace sur la surface de l’échantillon en mouvement réciproque. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig5large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig6.jpg"> Figure 6 . Image de microscopie électronique balayage de la piste d’usure après essai tribocorrosion. Les lignes en pointillés représentent les limites de la piste d’usure. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig7.jpg"> Figure 7 . Profil de la piste usure typique de Al minces après essai tribocorrosion obtenu par profilomètre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig7large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig8.jpg"> Figure 8 . Résumé des taux de tribocorrosion (T) des couches minces de Al à potentiel appliqué différente. La barre de flèche représente un écart de tous les résultats des essais répétés. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig8large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig9.jpg"> Figure 9 . Résumé des taux tribocorrosion (T), porter des taux (G0), le taux de corrosion (C,0) et la synergie d’usure-corrosion (S) des couches minces de Al. La barre de flèche représente un écart de tous les résultats des essais répétés. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig9large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig10.jpg"> Figure 10 . Évolution de la corrosion potentielle pendant tribocorrosion test des Al minces à OCP. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig10large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig11.jpg"> Figure 11 . Évolution du coefficient de frottement (COF) au cours de la tribocorrosion test des Al minces à OCP. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig11large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig12.jpg"> Figure 12 . Évolution du courant pendant tribocorrosion essai de corrosion de Al minces à 200 mV au-dessus de OCP. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig12large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 13" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/58235/58235fig13.jpg"> Figure 13 . Sommaire de l’usure mécanique et chimique des minces Al au cours de l’essai tribocorrosion à 200 mV au-dessus de OCP. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/58235/58235fig13large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>

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

Nous présentons ici un protocole visant à mesurer la synergie tribocorrosion de taux et d’usure-corrosion des couches minces et en vrac alliages d’Al dans l’eau de mer simulée à température ambiante.

Détermination des taux Tribocorrosion et synergie d’usure-Corrosion des alliages d’aluminium en vrac et mince Film

The increasing complexity and severity of service conditions in areas, such as aerospace and marine industries, nuclear systems, microelectronics, ...

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