Forståelse af korrosion for at muliggøre næste generations metaller

Forskere bruger nye, eksperimentelle teknikker som Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) og friktionsrørsvejsning til at producere metalkomponenter, der er lettere, stærkere og mere præcise end nogensinde før. Men når vi træder ind i de nye grænser for metalbearbejdning, er det afgørende at forstå ydeevnen og egenskaberne af de resulterende metaller og bindingerne mellem dem.

Korrosion – en proces, hvorved metaller nedbrydes – kan give alvorlige problemer over tid, men indtil nu har det været vanskeligt at visualisere og forklare præcis, hvordan korrosion skrider frem gennem et metal eller en binding mellem to metaller.

Nu har forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) udviklet en ny teknik til at få et kig i høj opløsning på, hvordan - og hvorfor - korrosion sker. Deres forskning blev fremhævet i august 2023 og oktober 2023-udgaverne af Scientific Reports og i juli 2022-udgaven af ​​The Journal of Physical Chemistry.

Problemet med 'cook-and-look' og andre metoder

"En af hovedudfordringerne, når det kommer til at måle korrosion, er, at det for det meste er 'cook-and-look'," forklarede Vineet Joshi, en materialeforsker ved PNNL. "Typisk tager forskere en prøve, nedsænker den i deres valgte medium og observerer efter et vist tidsrum korrosionen - men først efter den er opstået. Derefter genererer de adskillige hypoteser for at forklare korrosionen."

Denne metode har store ulemper. Kun måling med få tidsintervaller lader forskerne spekulere i, hvordan korrosionen begyndte og bevægede sig gennem metallet - og gentagne gange fjernelse og genindsættelse af prøven kan føre til skæve resultater.

Andre metoder, såsom scanningsvibrationselektrodeteknikken eller scanningselektrokemisk cellemikroskopi, involverer at dyppe prøven og derefter bruge strøm til at måle de elektrokemiske egenskaber inde i prøverne – men overfladeabnormiteter og andre uregelmæssigheder kan interferere med resultaterne.

Multimodal korrosionsanalyse

Hos PNNL vidste forskerne, der arbejder på at forstå resultater fra processer som friktions-omrøringssvejsning og Shape, at de var nødt til at udvikle en bedre tilgang til overvågning af korrosion.

"Vi ønskede specifikt at gå fra cook-and-look og i stedet se på specifikke initieringssteder for korrosion for at observere korrosionen i realtid," sagde Joshi. "For at løse dette, skabte vi et nyt makroskalaanalysesystem kaldet multimodal korrosionsanalyse."

Gennem multimodal korrosionsanalyse bruger forskerne sensorer, kameraer, elektroder og et brintopsamlingsrør til at observere korrosionsforløbet i simple atmosfærer; forstå overfladens beskaffenhed ved hjælp af elektrokemiske teknikker; og afbilde og opsamle brintgasser, som er et biprodukt af korrosion.

"Ved at kombinere data fra disse enkle og forskelligartede modaliteter i realtid kan vi løse grundlæggende spørgsmål om, hvordan korrosion initierer og forplanter sig i materialer," forklarede Sridhar Niverty, en materialeforsker ved PNNL. "Det korrelative billeddannelsesaspekt informerer os også om, hvor vi skal undersøge vores materialer yderligere for at lære om, hvorfor de korroderer. Den synergistiske kombination af disse teknikker giver betydeligt mere information om et materiales ydeevne, end det var muligt indtil nu."

At se på tingene fra makroskalaperspektiv gav teamet enestående indsigt; imidlertid sker korrosionsprocessen i en meget finere skala.

Scanning elektrokemisk celleimpedansmikroskopi

Så for at analysere korrosion med endnu mere præcision udviklede forskere ved PNNL en ny teknik kaldet scanning af elektrokemisk celleimpedansmikroskopi, der giver meget mere pålidelige og højopløselige resultater.

"I denne teknik har vi alt det nødvendige for at starte korrosionen i et meget lille rør - eller trukket kapillær - inklusive elektrolytten, reference- og strømopsamlende elektrode," sagde Venkateshkumar Prabhakaran, en kemiingeniør hos PNNL.

"Ved at lande den lille åbning af denne kapillar på overfladen måler vi lokaliserede og tidsafhængige elektrokemiske egenskaber uden at få nogen interferens fra nærliggende områder. Det hjælper os med at fange svage og stærke pletter på overfladen, der er udsat for korrosion, som ellers går tabt, når udfører bulk-skalamålinger og formulerer passende afbødningsstrategier."

Denne nye tilgang bygger på en tidligere teknik kaldet scanning elektrokemisk cellemikroskopi, der opstod for et par år siden. PNNL-teamet udviklede denne teknik med elektrokemisk impedansspektroskopi for at måle lavfrekvent impedans, som korrelerer med metallets modstand og giver mulighed for et mikroskopisk billede af, hvordan modstanden ændrer sig over tid.

"At tilføje impedansspektroskopi til teknikken har været uvurderlig for at forstå, hvordan en overflade ændrer sig på tværs af metalforbindelser (eller legeringer) ved at korrelere modstande målt til metallets fysiske egenskaber," sagde Lyndi Strange, en kemiker ved PNNL. "Vi har valideret vores metode ved at sammenligne bulkimpedansresponser med responser målt via den nye teknik, som viser, hvordan vi nu kan isolere specifikke korrosionshændelser på overfladen."

Applikationer til friction stir og mere

Der er mange fordele i den virkelige verden ved denne form for granularitet – især hos PNNL, hvor forskere arbejder hårdt på at producere og teste letvægtsmaterialer og samlinger til køretøjsapplikationer ved hjælp af nye metoder som ShaPE og friction stir welding.

"På grund af dens unikke egenskaber bliver den nye teknik brugt til at opnå elektrokemiske reaktioner fra forskellige mikrostrukturelle funktioner:korn, korngrænser, grænseflader, anden faser, bundfald og så videre," forklarede Rajib Kalsar, en materialeforsker ved PNNL. "At opnå individuelle elektrokemiske egenskaber på mikroskopisk niveau er gavnligt til at designe højkorrosionsbestandige strukturelle materialer."

I friktionsomrøringsprocessen bruges for eksempel en lille skæreanordning til at sammenføje materialer med drastisk forskellige smeltepunkter uden behov for fastgørelsesanordninger. Men forskerne havde brug for at forstå, hvordan denne nye metode til sammenføjning påvirkede korrosion ved grænsefladen mellem de to metaller – i ét tilfælde en friktions-omrører-binding mellem magnesium og stål, som er en afgørende binding til fremstilling af lette køretøjer.

"Når vi brugte friktions-omrøringsslibeteknikken til samlinger, observerede vi en lidt lavere korrosionshastighed," sagde Joshi. "Nedgangen i korrosionshastigheder kan tilskrives fremkomsten af ​​specifikke højmodstandsveje ved grænsefladen under behandlingen. Disse veje førte til en reduktion i korrosionshastigheden af ​​magnesium."

"Vi bruger vores nye teknik til venstre og lige nu," tilføjede han. "Hvis du forstår disse grænseflader for korrosion rigtig godt, kan du begynde at designe præcist i stedet for at overdesigne eller underdesigne en komponent."

Flere oplysninger: Sridhar Niverty et al., Undersøgelse af korrosion ved hjælp af et simpelt og alsidigt in situ multimodalt korrosionsmålingssystem, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42249-0

Venkateshkumar Prabhakaran et al., Undersøgelse af elektrokemisk korrosion ved Mg-legering-stål-forbindelsesgrænseflade ved hjælp af scanning elektrokemisk celleimpedansmikroskopi (SECCIM), Videnskabelige rapporter (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39961-2

Venkateshkumar Prabhakaran et al., Understanding Localized Corrosion on Metal Surfaces Using Scanning Electrochemical Cell Impedance Microscopy (SECCIM), The Journal of Physical Chemistry C (2022). DOI:10.1021/acs.jpcc.2c03807

Leveret af Pacific Northwest National Laboratory