Forskare använder nya, experimentella tekniker som Shear Assisted Processing and Extrusion (ShAPE) och friction stir welding för att producera metallkomponenter som är lättare, starkare och mer exakta än någonsin tidigare. Men när vi går in på de nya gränserna för metallbearbetning är det avgörande att förstå prestanda och egenskaper hos de resulterande metallerna och bindningarna mellan dem.
Korrosion – en process genom vilken metaller bryts ned – kan orsaka allvarliga problem med tiden, men fram tills nu har det varit svårt att visualisera och förklara exakt hur korrosion fortskrider genom en metall eller en bindning mellan två metaller.
Nu har forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) utvecklat en ny teknik för att få en högupplöst titt på hur - och varför - korrosion uppstår. Deras forskning lyftes fram i augusti 2023 och oktober 2023 nummer av Scientific Reports och i julinumret 2022 av The Journal of Physical Chemistry.
"En av de största utmaningarna när det gäller att mäta korrosion är att det mestadels är "koka och se ut", förklarade Vineet Joshi, en materialforskare vid PNNL. "Vanligtvis tar forskare ett prov, nedsänker det i sitt valda medium och observerar efter en viss tid korrosionen - men först efter att den har inträffat. Sedan genererar de många hypoteser för att förklara korrosionen."
Denna metod har stora nackdelar. Endast mätning med några få tidsintervall lämnar forskare att spekulera om hur korrosionen började och rörde sig genom metallen – och att upprepade gånger ta bort och återinsätta provet kan leda till skeva resultat.
Andra metoder, som scanningsvibrationselektrodtekniken eller scanningselektrokemisk cellmikroskopi, involverar att doppa provet och sedan använda ström för att mäta de elektrokemiska egenskaperna inuti proverna – men ytavvikelser och andra oregelbundenheter kan störa resultaten.
På PNNL visste forskarna som arbetar med att förstå resultat från processer som friction stir welding och ShaPE att de behövde utveckla ett bättre tillvägagångssätt för att övervaka korrosion.
"Vi ville specifikt gå över från cook-and-look och istället titta på specifika initieringsplatser för korrosion för att observera korrosionen i realtid," sa Joshi. "För att ta itu med detta skapade vi ett nytt analyssystem i makroskala som kallas multimodal korrosionsanalys."
Genom multimodal korrosionsanalys använder forskarna sensorer, kameror, elektroder och ett väteuppsamlingsrör för att observera korrosionsförloppet i enkla atmosfärer; förstå ytornas natur med hjälp av elektrokemiska tekniker; och avbilda och samla upp vätgaser, som är en biprodukt av korrosion.
"Genom att kombinera data från dessa enkla och olika modaliteter i realtid kan vi ta itu med grundläggande frågor om hur korrosion initierar och fortplantar sig i material," förklarade Sridhar Niverty, en materialforskare vid PNNL. "Den korrelativa bildåtergivningsaspekten informerar oss också om var vi kan undersöka våra material ytterligare för att lära oss varför de korroderar. Den synergistiska kombinationen av dessa tekniker ger betydligt mer information om ett materials prestanda än vad som varit möjligt hittills."
Att titta på saker ur makroskalaperspektiv gav teamet unika insikter; dock sker korrosionsprocessen i en mycket finare skala.
Så, för att analysera korrosion med ännu mer precision, utvecklade forskare vid PNNL en ny teknik som kallas skanning av elektrokemisk cellimpedansmikroskopi som ger mycket mer tillförlitliga och högupplösta resultat.
"I den här tekniken har vi allt som behövs för att initiera korrosionen i ett mycket litet rör - eller draget kapillär - inklusive elektrolyten, referens- och strömuppsamlande elektroden", säger Venkateshkumar Prabhakaran, en kemiingenjör på PNNL.
"Genom att landa den lilla öppningen av denna kapillär på ytan, mäter vi lokala och tidsberoende elektrokemiska egenskaper utan att få några störningar från närliggande regioner. Det hjälper oss att fånga svaga och starka fläckar på ytan som är utsatta för korrosion, som annars går förlorade när gör bulkskalemätningen och formulerar lämpliga begränsningsstrategier."
Detta nya tillvägagångssätt bygger på en tidigare teknik som kallas skanning av elektrokemisk cellmikroskopi som dök upp för några år sedan. PNNL-teamet utvecklade den tekniken med elektrokemisk impedansspektroskopi för att mäta lågfrekvent impedans, som korrelerar med metallens resistans och möjliggör en mikroskopisk bild av hur resistansen förändras över tiden.
"Att lägga till impedansspektroskopi till tekniken har varit ovärderligt för att förstå hur en yta förändras över metallfog (eller legering) genom att korrelera resistanser uppmätta till metallens fysiska egenskaper", säger Lyndi Strange, kemist vid PNNL. "Vi har validerat vår metod genom att jämföra bulkimpedanssvar med svar uppmätta via den nya tekniken, som visar hur vi nu kan isolera specifika korrosionshändelser på ytan."
Det finns många verkliga fördelar med denna typ av granularitet – särskilt vid PNNL, där forskare arbetar hårt för att producera och testa lätta material och fogar för fordonstillämpningar med nya metoder som ShaPE och friction stir welding.
"På grund av dess unika kapacitet används den nya tekniken för att få elektrokemiska svar från olika mikrostrukturella egenskaper:korn, korngränser, gränssnitt, andra faser, fällningar och så vidare", förklarade Rajib Kalsar, en materialforskare vid PNNL. "Att erhålla individuella elektrokemiska egenskaper på mikroskopisk nivå är fördelaktigt för att designa högkorrosionsbeständiga strukturella material."
I friktionsomrörningsprocessen, till exempel, används en liten skäranordning för att sammanfoga material med drastiskt olika smältpunkter utan behov av fästelement. Men forskare behövde förstå hur denna nya metod att sammanfoga påverkade korrosion i gränssnittet mellan de två metallerna – i ett fall, en friktionsomrörarbindning mellan magnesium och stål, vilket är en avgörande bindning för att tillverka lätta fordon.
"När vi använde friktionsomrörningstekniken för fogar, observerade vi en något lägre korrosionshastighet," sa Joshi. "Nedgången i korrosionshastigheter kan tillskrivas uppkomsten av specifika högresistensvägar vid gränssnittet under bearbetning. Dessa vägar ledde till en minskning av korrosionshastigheten för magnesium."
"Vi använder vår nya teknik till vänster och just nu," tillade han. "Om du förstår dessa gränssnitt för korrosion riktigt bra kan du börja designa noggrant, snarare än att överdesigna eller underdesigna en komponent."
Mer information: Sridhar Niverty et al, Probing korrosion med hjälp av ett enkelt och mångsidigt in situ multimodalt korrosionsmätningssystem, Scientific Reports (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42249-0
Venkateshkumar Prabhakaran et al, Undersökning av elektrokemisk korrosion vid Mg-legering-stålfoggränssnitt med skanning av elektrokemisk cellimpedansmikroskopi (SECCIM), vetenskapliga 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
Tillhandahålls av Pacific Northwest National Laboratory
