|
Понимание коррозии позволяет создавать новые металлы
|
|
|
|
Исследователи используют новые экспериментальные методы, такие как обработка с помощью сдвига и экструзия (придание формы), а также сварка трением с перемешиванием для получения металлических компонентов, которые стали легче, прочнее и точнее, чем когда-либо прежде. Но по мере того, как мы выходим на новые рубежи металлообработки, крайне важно понимать рабочие характеристики и свойства получаемых металлов, а также связи между ними. Коррозия — процесс, при котором металлы разлагаются, — со временем может создать серьезные проблемы, но до сих пор было сложно визуализировать и точно объяснить, как протекает коррозия через металл или связь между двумя металлами. Теперь исследователи из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории (PNNL) разработали новую методику, позволяющую получить представление с высоким разрешением о том, как и почему происходит коррозия. Их исследование было освещено в августовском и октябрьском выпусках Scientific Reports за 2023 год и в июльском выпуске Journal of Physical Chemistry за 2022 год.
|
|
|
|
"Одна из главных проблем, когда дело доходит до измерения коррозии, заключается в том, что в основном это "приготовь и посмотри", - объяснил Виньет Джоши, специалист по материаловедению из PNNL. "Как правило, исследователи берут образец, погружают его в выбранную ими среду и через определенный промежуток времени наблюдают коррозию — но только после того, как она произошла. Затем они выдвигают многочисленные гипотезы, объясняющие коррозию". Этот метод имеет серьезные недостатки. Измерение только через несколько временных интервалов позволяет исследователям строить предположения о том, как началась коррозия и как она распространилась по металлу, а многократное извлечение и повторная установка образца может привести к искаженным результатам. Другие методы, такие как метод сканирующего вибрационного электрода или сканирующая электрохимическая ячейковая микроскопия, включают погружение образца и последующее использование тока для измерения электрохимических свойств внутри образцов, но аномалии поверхности и другие неровности могут повлиять на результаты.
|
|
|
Исследователи из PNNL, работающие над изучением результатов таких процессов, как сварка трением с перемешиванием и придание формы, знали, что им необходимо разработать более совершенный подход к мониторингу коррозии. "Мы специально хотели перейти от "приготовь и посмотри" и вместо этого посмотреть на конкретные места зарождения коррозии, чтобы наблюдать коррозию в режиме реального времени", - сказал Джоши. "Для решения этой проблемы мы создали новую систему макромасштабного анализа, получившую название мультимодальный анализ коррозии". С помощью мультимодального анализа коррозии исследователи используют датчики, камеры, электроды и трубку для сбора водорода, чтобы наблюдать за ходом коррозии в простых средах; понимать природу поверхностей с помощью электрохимических методов; а также получать изображения и собирать газообразный водород, который является побочным продуктом коррозии.
|
|
|
|
"Объединяя данные из этих простых и разнообразных методов в режиме реального времени, мы можем ответить на фундаментальные вопросы, касающиеся того, как коррозия инициируется и распространяется в материалах", - объяснил Шридхар Ниверти, специалист по материаловедению из PNNL. "Аспект корреляционной визуализации также информирует нас о том, где проводить дальнейшие исследования наших материалов, чтобы узнать о причинах их коррозии. Синергетическая комбинация этих методов дает значительно больше информации о характеристиках материала, чем это было возможно до сих пор". Взгляд на вещи с макромасштабной точки зрения позволил команде получить уникальную информацию; однако процесс коррозии происходит в гораздо более мелком масштабе. Итак, чтобы анализировать коррозию с еще большей точностью, ученые из PNNL разработали новый метод, называемый сканирующей электрохимической микроскопией импеданса ячейки, который обеспечивает гораздо более надежные результаты с высоким разрешением.
|
|
|
|
"В этой технологии у нас есть все необходимое для инициирования коррозии в очень маленькой трубке — или вытянутом капилляре, — включая электролит, эталонный электрод и токосъемный электрод", - сказал Венкатешкумар Прабхакаран, инженер-химик из PNNL. "Располагая крошечное отверстие этого капилляра на поверхности, мы измеряем локализованные и зависящие от времени электрохимические свойства без каких-либо помех со стороны близлежащих областей. Это помогает нам выявлять слабые и сильные места на поверхности, подверженной коррозии, которые в противном случае теряются при проведении массовых измерений, и разрабатывать подходящие стратегии смягчения последствий". Этот новый подход основан на предшествующем методе, называемом сканирующей электрохимической клеточной микроскопией, который появился несколько лет назад. Команда PNNL разработала этот метод с помощью электрохимической импедансной спектроскопии для измерения низкочастотного импеданса, который коррелирует с сопротивлением металла и позволяет получить микроскопическое представление о том, как сопротивление изменяется с течением времени.
|
|
|
|
"Добавление импедансной спектроскопии к этому методу оказало неоценимое влияние на понимание того, как изменяется поверхность металлического соединения (или сплава), путем соотнесения измеренных сопротивлений с физическими характеристиками металла", - сказала Линди Стрейндж, химик из PNNL. "Мы проверили наш метод, сравнив характеристики объемного импеданса с характеристиками, измеренными с помощью новой методики, которая показывает, как теперь мы можем изолировать конкретные проявления коррозии на поверхности". Такая степень детализации дает множество реальных преимуществ - особенно в PNNL, где исследователи усердно работают над производством и испытаниями легких материалов и соединений для транспортных средств, используя новые методы, такие как формовочная сварка и сварка трением с перемешиванием. "Благодаря своим уникальным возможностям новая методика используется для получения электрохимических откликов от различных микроструктурных особенностей: зерен, границ зерен, интерфейсов, вторых фаз, выделений и так далее", - объяснил Раджиб Калсар, специалист по материаловедению в PNNL. "Получение индивидуальных электрохимических свойств на микроскопическом уровне полезно для разработки конструкционных материалов с высокой коррозионной стойкостью".
|
|
|
|
Например, в процессе фрикционного перемешивания scribe используется крошечное режущее устройство для соединения материалов с резко отличающимися температурами плавления без необходимости в крепежных элементах. Но исследователям необходимо было понять, как этот новый метод соединения влияет на коррозию на границе раздела двух металлов — в одном случае, на фрикционную связь между магнием и сталью, которая является важнейшей связью для производства легких транспортных средств. "При использовании технологии friction stir scribe для соединений мы наблюдали несколько меньшую скорость коррозии", - сказал Джоши. "Снижение скорости коррозии можно объяснить появлением специфических путей с высоким сопротивлением на границе раздела во время обработки. Эти пути привели к снижению скорости коррозии магния". "Сейчас мы используем нашу новую технологию повсюду", - добавил он. "Если вы действительно хорошо разбираетесь в этих интерфейсах для защиты от коррозии, вы можете приступить к точному проектированию, а не перепроектировать или недоделать какой-либо компонент".
|
|
|
|
Источник
|
