_ Înțelegerea coroziunii pentru a permite metalele de ultimă generație

Cercetătorii folosesc tehnici experimentale noi, cum ar fi procesarea și extrudarea asistată prin forfecare (ShAPE) și sudarea prin frecare cu agitare pentru a produce componente metalice mai ușoare, mai rezistente și mai precise decât oricând. Dar, pe măsură ce intrăm în acele noi frontiere ale prelucrării metalelor, este esențial să înțelegem performanța și proprietățile metalelor rezultate și legăturile dintre ele.

Coroziunea – un proces prin care metalele se degradează – poate pune probleme serioase în timp. , dar până acum, a fost dificil să vizualizezi și să explici exact cum progresează coroziunea printr-un metal sau o legătură între două metale.

Acum, cercetătorii de la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) au dezvoltat o nouă tehnică pentru obțineți o privire de înaltă rezoluție asupra modului și de ce se produce coroziunea. Cercetările lor au fost evidențiate în numerele din august 2023 și octombrie 2023 ale Scientific Reports și în numărul din iulie 2022 al The Journal of Physical Chemistry.

„Una dintre principalele provocări atunci când vine vorba de măsurarea coroziunii este că este în cea mai mare parte, „gătiți și priviți”, a explicat Vineet Joshi, un om de știință în materiale la PNNL. „De obicei, cercetătorii iau o probă, o scufundă în mediul ales și, după o anumită perioadă de timp, observă coroziunea — dar numai după ce aceasta a avut loc. Apoi, generează numeroase ipoteze pentru a explica coroziunea.”

Această metodă are dezavantaje majore. Doar măsurarea la câteva intervale de timp îi lasă pe cercetători să speculeze cu privire la modul în care a început coroziunea și s-a mutat prin metal – iar îndepărtarea și reintroducerea în mod repetat a probei poate duce la rezultate distorsionate.

Alte metode, cum ar fi vibrația de scanare. tehnica electrodului sau microscopia cu scanare a celulelor electrochimice, implică scufundarea probei și apoi utilizarea curentului pentru a măsura proprietățile electrochimice din interiorul probelor, dar anomaliile de suprafață și alte nereguli pot interfera cu rezultatele.

La PNNL, cercetătorii lucrează pentru a înțelege rezultatele din procese precum sudarea prin frecare cu agitare și ShaPE știau că trebuie să dezvolte o abordare mai bună pentru monitorizarea coroziunii.

„Am vrut în mod special să trecem de la „cook-and-look” și, în schimb, să ne uităm la anumite locuri de inițiere ale coroziunea pentru a observa coroziunea în timp real”, a spus Joshi. „Pentru a rezolva acest lucru, am creat un nou sistem de analiză la scară macronumită analiză multimodală a coroziunii.”

Prin analiza multimodală a coroziunii, cercetătorii folosesc senzori, camere, electrozi și un tub de colectare a hidrogenului pentru a observa progresul coroziunii. în atmosfere simple; să înțeleagă natura suprafețelor folosind tehnici electrochimice; și imaginează și colectează gaze de hidrogen, care sunt un produs secundar al coroziunii.

„Combinând datele din aceste modalități simple și diverse în timp real, putem aborda întrebări fundamentale cu privire la modul în care coroziunea inițiază și se propagă în materiale.” a explicat Sridhar Niverty, un om de știință în materiale la PNNL. „Aspectul de imagine corelativă ne informează, de asemenea, despre unde să investigăm în continuare materialele noastre pentru a afla de ce se corodează. Combinația sinergică a acestor tehnici oferă mult mai multe informații despre performanța unui material decât era posibil până acum.”

Privirea lucrurilor din perspectiva macroscalei a oferit echipei perspective unice; cu toate acestea, procesul de coroziune are loc la o scară mult mai fină.

Așadar, pentru a analiza coroziunea cu și mai multă precizie, oamenii de știință de la PNNL au dezvoltat o nouă tehnică numită microscopie de scanare cu impedanță electrochimică a celulei, care oferă mult mai fiabilă și mai ridicată. -rezultate de rezoluție.

„În această tehnică, avem tot ce este necesar pentru a iniția coroziunea într-un tub foarte mic – sau un capilar tras – inclusiv electrolitul, electrodul de referință și de colectare a curentului”, a spus Venkateshkumar Prabhakaran , inginer chimist la PNNL.

„Prin aterizarea minusculei deschideri a acestui capilar pe suprafață, măsurăm proprietățile electrochimice localizate și dependente de timp, fără a obține nicio interferență din partea regiunilor din apropiere. Acest lucru ne ajută să captăm punctele slabe și puternice de pe suprafața predispuse la coroziunea, care altfel se pierd atunci când se efectuează măsurarea la scară în vrac și se formulează strategii de atenuare adecvate.”

Această nouă abordare se bazează pe o tehnică anterioară numită microscopie electrochimică cu scanare a celulelor, care a apărut în urmă cu câțiva ani. Echipa PNNL a evoluat acea tehnică cu spectroscopie de impedanță electrochimică pentru a măsura impedanța de joasă frecvență, care se corelează cu rezistența metalului și permite o vedere microscopică a modului în care rezistența se schimbă în timp.

„Adăugarea spectroscopiei de impedanță la tehnica a fost de neprețuit pentru înțelegerea modului în care o suprafață se schimbă prin îmbinarea metalică (sau aliajul) prin corelarea rezistențelor măsurate cu caracteristicile fizice ale metalului”, a spus Lyndi Strange, chimist la PNNL. „Ne-am validat metoda prin compararea răspunsurilor de impedanță în vrac cu răspunsurile măsurate prin noua tehnică, care arată cum putem acum izola evenimente specifice de coroziune la suprafață.”

Există o mulțime de beneficii în lumea reală. la acest tip de granularitate, în special la PNNL, unde cercetătorii lucrează din greu pentru a produce și testa materiale ușoare și îmbinări pentru aplicații pentru vehicule folosind metode noi, cum ar fi ShAPE și sudarea prin frecare cu agitare.

„Datorită capacităților sale unice, noua tehnică este folosită pentru a obține răspunsuri electrochimice din diferite caracteristici microstructurale: boabe, granițe, interfețe, faze secunde, precipitate și așa mai departe”, a explicat Rajib Kalsar, cercetător în materiale la PNNL. „Obținerea proprietăților electrochimice individuale la nivel microscopic este benefică pentru proiectarea materialelor structurale cu rezistență ridicată la coroziune.”

În procesul de frecare cu amestecare, de exemplu, un dispozitiv de tăiere minuscul este utilizat pentru a îmbina materiale cu diferite drastic. puncte de topire fără a fi nevoie de elemente de fixare. Dar cercetătorii trebuiau să înțeleagă modul în care această nouă metodă de îmbinare a afectat coroziunea la interfața dintre cele două metale – într-un caz, o legătură prin frecare între magneziu și oțel, care este o legătură crucială pentru producerea de vehicule ușoare.

„Suntem folosind noua noastră tehnică în stânga și chiar acum”, a adăugat el. „Dacă înțelegeți foarte bine aceste interfețe pentru coroziune, puteți începe să proiectați cu acuratețe, mai degrabă decât să supraproiectați sau să subproiectați o componentă.”

(Fluierul)