了解腐蚀以实现下一代金属

研究人员正在使用剪切辅助加工和挤压(ShAPE)以及搅拌摩擦焊等新的实验技术来生产比以往更轻、更强、更精确的金属部件。但当我们进入金属加工的新领域时，了解所得金属的性能和特性以及它们之间的结合至关重要。

腐蚀(金属降解的过程)随着时间的推移可能会带来严重的问题，但到目前为止，要直观地理解并准确解释腐蚀是如何通过金属或两种金属之间的键进行进展的，一直很棘手。

现在，太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员开发了一种新技术，可以高分辨率地了解腐蚀发生的方式和原因。他们的研究在2023年8月和2023年10月的《科学报告》以及2022年7月的《物理化学杂志》中得到了重点报道。

“边煮边看”和其他方法的问题

PNNL材料科学家VineetJoshi解释说：“测量腐蚀的主要挑战之一是，它主要是‘烹饪和观察’。”“通常情况下，研究人员会采集样本，将其浸入他们选择的介质中，并在一段时间后观察腐蚀情况-但只有在腐蚀发生之后。然后，他们会产生许多假设来解释腐蚀。”

这种方法有很大的缺点。仅以几个时间间隔进行测量，研究人员就只能推测腐蚀是如何开始并在金属中移动的，而反复取出和重新插入样品可能会导致结果出现偏差。

其他方法，例如扫描振动电极技术或扫描电化学电池显微镜，涉及浸渍样品，然后使用电流测量样品内部的电化学特性，但表面异常和其他不规则现象可能会干扰结果。

多模态腐蚀分析

在PNNL，研究人员致力于了解搅拌摩擦焊和ShAPE等工艺的结果，他们知道他们需要开发一种更好的方法来监测腐蚀。

“我们特别希望从烹饪和观察转变为观察特定的腐蚀起始位置，以实时观察腐蚀情况，”乔希说。“为了解决这个问题，我们创建了一种新颖的宏观分析系统，称为多模态腐蚀分析。”

通过多模态腐蚀分析，研究人员使用传感器、摄像头、电极和氢气收集管来观察简单大气中的腐蚀进展;使用电化学技术了解表面的性质;成像并收集氢气，这是腐蚀的副产品。

PNNL材料科学家斯里达尔·尼弗蒂(SridharNiverty)解释说：“通过实时结合这些简单而多样的方式获得的数据，我们可以解决有关腐蚀如何在材料中引发和传播的基本问题。”“相关成像方面还告诉我们在哪里进一步研究我们的材料，以了解它们腐蚀的原因。这些技术的协同组合产生的有关材料性能的信息比迄今为止更多。”

从宏观角度看待事物，为团队提供了独特的见解;然而，腐蚀过程发生在更精细的范围内。

扫描电化学电池阻抗显微镜

因此，为了更精确地分析腐蚀，PNNL的科学家开发了一种称为扫描电化学电池阻抗显微镜的新技术，可提供更可靠和高分辨率的结果。

PNNL化学工程师VenkateshkumarPrabhakaran表示：“在这项技术中，我们拥有在非常小的管子或拉动毛细管中引发腐蚀所需的一切，包括电解质、参比电极和集流电极。”

“通过将毛细管的微小开口降落在表面上，我们可以测量局部和时间相关的电化学特性，而不会受到附近区域的任何干扰。这有助于我们捕获表面上容易腐蚀的弱点和强点，否则这些点在腐蚀时会丢失。进行大规模测量并制定合适的缓解策略。”

这种新方法建立在几年前出现的称为扫描电化学细胞显微镜的现有技术的基础上。PNNL团队利用电化学阻抗谱发展了该技术来测量低频阻抗，低频阻抗与金属的电阻相关，并可以从微观角度观察电阻如何随时间变化。

PNNL的化学家林迪·斯特兰奇(LyndiStrange)表示：“在该技术中添加阻抗谱对于通过将测量到的电阻与金属的物理特性相关联来了解金属接头(或合金)的表面如何变化非常有价值。”“我们通过将体阻抗响应与通过新技术测量的响应进行比较来验证我们的方法，这表明我们现在如何隔离表面上的特定腐蚀事件。”

搅拌摩擦等应用

这种粒度在现实世界中有很多好处，尤其是在PNNL，研究人员正在努力使用ShAPE和搅拌摩擦焊等新颖方法来生产和测试用于车辆应用的轻质材料和接头。

PNNL材料科学家RajibKalsar解释说：“由于其独特的功能，新技术被用来获取各种微观结构特征的电化学响应：晶粒、晶界、界面、第二相、沉淀物等。”“在微观水平上获得单独的电化学性能有利于设计高耐腐蚀结构材料。”

例如，在搅拌摩擦划线工艺中，使用微型切割装置来连接熔点截然不同的材料，而无需紧固件。但研究人员需要了解这种新的连接方法如何影响两种金属之间界面的腐蚀——在一种情况下，镁和钢之间的搅拌摩擦划线粘合，这是生产轻型车辆的关键粘合。

“当对接头采用搅拌摩擦划线技术时，我们观察到腐蚀率略低，”乔希说。“腐蚀速率的下降可归因于加工过程中界面处特定高电阻路径的出现。这些路径导致镁的腐蚀速率降低。”

“我们现在正在左右使用我们的新技术，”他补充道。“如果您非常了解这些腐蚀界面，您就可以开始准确地设计，而不是过度设计或设计不足的组件。”