的腐蚀行为Sputter-Deposited纳米晶体钨合金在中性介质

文摘

我们调查的腐蚀行为sputter-deposited纳米晶体钨合金在中性介质不同的原子百分比25°C,开放的空气,通过电化学测量包括减肥方法。我们发现相对较低/高腐蚀速率的钨合金钨多/少组成百分比。的开路电位和恒电位极化测量合金所需估计相对很短的时间达到稳定状态,表明高附着和非常稳定的快速发展薄氧化物阳极钝化膜有较高防护质量。钼富集w - 83钼合金演示了一个主动-被动转型非常狭窄的被动的地区和transpassive解散。

关键字

腐蚀、奈米晶钨合金、中性介质,恒电位极化

介绍

生锈或腐蚀是金属的破坏性攻击通过化学或电化学反应的环境(1]。根据IUPAC,腐蚀是一个不可逆转的界面反应的材料(金属及其合金、陶瓷和聚合物)与它的环境,从而导致消费的物质或材料的溶解到组件的环境2]。

根据电化学理论,腐蚀过程的结合阳极溶解或氧化和阴极还原。酸碱反应腐蚀的概念(3]提出解释水化或金属离子的络合作用,然而,不是广泛讨论。金属试样浸在电解质,电化学反应(两个或两个以上的氧化和还原部分反应)发生在这样总氧化速率等于总率减少的埃文斯图所示图1。

一个金属溶解(M→M^{n +}+不^{- - - - - -})通常发生在阳极。所以,如果电影不是一个稳定的表面形成,溶解率测量的阳极电流密度_一个通常增加对数增加潜在E,如方程1和涉及氢离子的阴极反应的速度和/或氧气溶解在溶液(2 h⁺+ 2 e⁻→H₂;O2 + 2 h₂O + 4 e⁻4哦⁻;O₂+ 4 h⁺+ 4 e⁻→2 h₂与降低E O)增加对数方程2。在开路腐蚀电位,阳极和阴极反应同时发生同样的速度(4),如方程3。

(1)

(2)

我_一个=我_C(3)

材料的腐蚀行为往往取决于它们的结构,组成和冶金。在1960年代早期,非晶态和过饱和固溶体的金属合金由蒸汽快速淬火技术被发现具有重要的物理、化学、机械、电磁、电子和催化性能5,6]。溅射,的一个主要蒸汽淬火技术,主要是进行裁剪新耐蚀亚稳晶或纳米晶合金极细颗粒(不到20海里)(7]。这种技术已经被用来准备单相非晶或纳米晶体Magnesium-transition金属(8)和Tungsten-transition金属合金。出现的困难准备基于高浓度钨合金通过传统的方式(由于很高的钨的熔点:3420°C)也可以通过溅射技术解决(9- - - - - -13]。sputter-deposited非晶/纳米晶合金是免费的从晶体缺陷、晶界和沉淀等过程中作为成核网站腐蚀。它们的化学同质单相自然创造一个统一的保护在他们的表面钝化膜,分离大部分从积极的媒体,导致额外的耐腐蚀(14]。

钨和钼合金元素非常有效提高不锈钢的耐腐蚀性能在积极的环境中。小比例(不到1%)在合金钢提高耐蚀性以及促进细颗粒(15]。同样,也促进形成铬钼富集在不锈钢表面保护膜,增加强度腐蚀电阻率。这些元素不仅用于合金钢,也主要是用于生产的高耐蚀性非晶/纳米晶合金溅射技术。的sputter-deposited Tungsten-transition金属(钛、锆、钽、Nb和Cr) (9- - - - - -13];Molybdenum-transition金属(钛、锆、Ta和Nb) [16,17]和Chromium-transition金属(钛、锆、铌和钽)(18,19)合金已经发现演示非常激进的媒体的高耐蚀性。在大多数的情况下,发现合金的耐腐蚀能力高于合金构成元素在非常积极的媒体包括集中HCl溶液。然而,Tungsten-Niobium合金显示更高的耐腐蚀甚至在不那么咄咄逼人的媒体(如10%氯化钠和10%氢氧化钠溶液)。这么高的主要原因腐蚀电阻率解释其他地方(9- - - - - -20.):这是由于被动电影的快速发展非晶/纳米晶体表面的合金。

快速淬火单相非晶/纳米晶体sputter-deposited钨钼合金(以后,钨合金)已经很多年了,因为他们感兴趣的主题展示非常高的耐蚀性以及许多小说的特性。已经报道,纳米晶体sputter-deposited钨合金显示高耐蚀性比钨和钼金属在12 m盐酸溶液(21- - - - - -23]。此外,这篇研究文章的合著者的初步结果对钝化行为凸显了钨合金在中性介质(0.5 m氯化钠溶液)25°C,打开空气(24]。因此,它是非常必要的报告的详细研究结果深入研究钨合金在中性介质中腐蚀行为的25°C,开放的空气。这项工作主要是针对调查的腐蚀/钝化行为sputter-deposited纳米晶体钨合金在中性介质更彻底。主要目标包括钨合金的电化学行为的研究有不同的成分和比例的最终估计其腐蚀速率和钝化行为在中性介质25°C,开放的空气。

实验

Sputter-deposited纳米晶体钨合金

所有sputter-deposited钨合金用于开展这项研究工作(表1Jagadeesh这位教授)直接收到合著者,巴特中央化学系,布汶大学、尼泊尔。溅射装置和条件和表征技术描述了其他地方(21,23]。这些合金的特点为:20 nm纳米晶体结构有明显的晶粒尺寸,厚度约1.5 - -2.0μm成分范围宽(原子百分比,以后。%)进行了总结表1。

表1。化学成分和明显sputter-deposited钨合金的晶粒尺寸。

腐蚀试验

所有的0.5 M氯化钠溶液中腐蚀测试进行准备在蒸馏水25°C,开放的空气。腐蚀试验之前,每个合金试样的表面,切成块面积十到二十五厘米²,机械抛光了水磨砂纸在环己烷毅力编号为1500,与丙酮冲洗,干燥风机。合金在0.5 M氯化钠浸泡时间的解决方案是98小时。腐蚀速率的估计是减肥方法,见方程4。

(4)

,ΔW =标本浸泡前后的重量差在0.5 M氯化钠溶液(减肥)。

d =合金试样的密度(克/厘米),

=面积合金标本(cm²),

t =浸(h)。

的体重测量合金试样进行两次或更多,平均腐蚀速率估计。

电化学测试

首先,提供的钨合金被切成小块10 - 15毫米长度和6 - 10毫米宽。合金表面的标本被如2.2节所述。合金标本被鳄鱼剪销与不锈钢的焊接。大约60 - 100毫米²区域的每个合金试样浸在电解质和执行的电化学测量。所有的测量都重复两次或更多。

合金的制备标本

首先,提供的钨合金被切成小块10 - 15毫米长度和6 - 10毫米宽。合金表面的标本被如2.2节所述。合金标本被鳄鱼剪销与不锈钢的焊接。大约60 - 100毫米²区域的每个合金试样浸在电解质和执行的电化学测量。所有的测量都重复两次或更多。

电解液和电极

对所有使用的电解质电化学测量是0.5 M氯化钠溶液,开放的空气和温度控制到25±1°C使用水浴。饱和甘汞电极(以后,SCE)和铂网分别用作参考和反电极。作为工作电极合金试样。本文给出的潜力都是相对于南加州爱迪生公司。

开路电位

开路电位(以下(OCP)的合金样品记录通过电位计25°C,开放的空气。电位计读数发现后立即在0.5 M氯化钠溶液浸泡每个合金试样2小时。所有的(OCP测量重复两次或更多。

恒电位极化

恒电位极化是由使用稳压器(dt - 2101,英格兰HI-TECK仪器)。稳压器阅读在每个固定潜力浸泡样品后立即到0.5 m氯化钠溶液作为工作电极大约一个小时。然后从浸区域电流密度计算的样本在不同的潜在价值。

结果和讨论

腐蚀速率的钨合金在中性介质

每个合金试样的腐蚀速率估计的减肥,见方程4,浸98小时后在0.5 M氯化钠溶液25°C,开放的空气。图2显示了钨合金的腐蚀速率的变化对莫%。sputter-deposited纯钨(的腐蚀速率。%钼和钼(= 0)。%莫约1.8×10 = 100)²毫米/ y和6×10²毫米/ y。这些数据也绘制连同其他钨合金的腐蚀速率,明白了图2进行比较。腐蚀速率的下降趋势。%的W表明W大大提高钼,钨合金的耐腐蚀能力包含9-52。%莫几乎三倍的腐蚀速率低于纯钼(。%莫= 100)和这些合金的腐蚀速率略低于纯钨(。%莫= 0)即使长时间沉浸在0.5 M氯化钠溶液25°C。有趣的是,整个研究了钨合金的耐蚀性显示较低的腐蚀速率比钼金属虽然会增加其耐腐蚀的钨。

被动电影的本质在合金表面形成高耐腐蚀性能起着至关重要的作用。钝化合金发生通过活跃的解散沉浸在初始阶段的解决方案。最初的高合金的化学反应导致的快速积累有益的化学物种表面钝化膜发达。这个账户的高耐腐蚀合金。因此,重要的是要澄清时间依赖性(即。钨腐蚀速率、腐蚀时间)。在这项工作中,我们测量了腐蚀速率W-9Mo, W-24Mo、W-52Mo和w - 83钼合金后,沉浸在0.5 M氯化钠溶液在不同的时间间隔图3。最初的腐蚀速率(2小时)W-9Mo合金温度略高于W-24Mo和W-52Mo合金。然而,浸泡约10小时以上后,腐蚀速率W-9Mo合金成为低于其他包含24 - 83钨合金。%莫。此外,所有的检查了钨合金的腐蚀速率变得稳定后浸约22到100小时。因此,合金的平均腐蚀速率增加。%莫所示图3。

钨合金的电化学测量方法

的电化学测量包括(OCP和恒电位极化sputter-deposited纳米晶体钨合金进行了在0.5 M氯化钠溶液25°C,开放的空气。的变化(ocp浸没时间的函数所示图4。所有的检查(ocp合金逐渐减少对更多的负方向与浸泡时间和10 - 15分钟后达到稳定状态。此外,所有的检查(ocp比钨合金是更高贵的方向。这些结果表明,形成更稳定的钝化膜表面的钨合金与合金中钼含量增加。

钨合金的阳极钝化可以解释为恒电位极化测量。我们测量恒电位极化只对两种合金:W-9Mo和w - 83,由于时间和资源的限制。阳极电流密度的变化W-9Mo合金在恒电位极化1小时在不同电位:600 mV, 800 mV和1000 mV在0.5 M氯化钠溶液25°C的函数极化时间所示图5。阳极电流密度随极化时间直到大约2分钟,然后再增加10分钟,几乎变得稳定,表明阳极钝化膜具有高防护的发展质量。同样,对w - 83钼合金阳极电流密度的变化在不同的潜力:恒电位极化1小时后0 mV, 200号、400号、800号和1000年0.5 mV氯化钠溶液25°C的函数极化时间所示图6。很明显,阳极电流密度的增加而增加的潜力,因为它是见过的图6。除了在0 mV (SCE),电流密度与极化时间没有任何明显的变化。在0 mV (SCE),电流密度随极化的增加而略有减小时间1分钟,几乎变得稳定。这细微的变化在电流密度1分钟的形成主要是由于0.5 M氯化钠溶性钼^{6 +}离子。然后,停止进一步的阳极溶解金属合金的被动行为。这种被动的结果形成一个高度附着和金属表面很薄的氧化膜,作为一个保护屏障,进一步腐蚀。这样的薄氧化发达sputter-deposited钨合金表面钝化膜可能是钼氢氧化物、MoO(哦)₃(25),因为它不溶于中性的解决方案(26]。

图7显示了恒电位极化曲线的w - 83钼合金极化后1小时在0.5 M氯化钠溶液25°C,开放的空气。在低电位,腐蚀速率测量阳极电流密度非常高。它会导致钝化膜的快速发展在w - 83钼合金表面。这种钝化膜变得更加稳定和腐蚀速率降至非常低的价值图7。调用对应的潜在的腐蚀电位E_相关系数也清楚地看到w - 83钼合金显示了主被动转变的潜在范围-200 mV (SCE)及其被动地区潜在范围非常狭窄。被动潜在E_ρ这被定义为潜在的一个电极发生改变从一个活跃的被动状态也显示。超钝化性上面清楚地看到潜在的-100 mV (SCE),作为由transpassive潜在E_ρt主要是由于0.5 M氯化钠溶性钼的形成^{6 +}离子。

结论

我们成功地调查的腐蚀行为sputter-deposited纳米晶体钨合金在中性溶液25°C,开放在空气中,通过一系列电化学测量包括减肥方法。我们发现一个增量的腐蚀速率和增加内容(钼钨合金。% Mo)。换句话说,钨合金的耐腐蚀能力增加而增加(在钨的内容。% W)。观察到W-9Mo合金,最初有更高的腐蚀速率比W-24Mo W-52Mo合金,有较低的腐蚀速率后延长浸。获得如此快速的钝化是由于积累有益的化学物种的钝化膜。所有检查的(ocp溅射沉积钨合金中发现更高贵的方向比钨。恒电位极化测量显示降低阳极电流密度随着极化时间为几分钟,然后增加,几乎变得稳定,表明阳极钝化膜的发展,钼氢氧化物、MoO(哦)₃、高防护质量。它可以非常明显的和翔实的如果我们能收集恒电位极化数据的六种不同的钨合金标本。由于时间和资源的限制,这一次,我们把恒电位极化测量只为W-9Mo和w - 83 - mo样本。我们观察到,molybdenum-rich w - 83钼合金显示主被动转型和transpassive解散。我们声称无论方法之后在这个研究工作是同样有效的腐蚀行为研究类型的sputter-deposited纳米晶体合金在酸性/碱性和中性的媒体。我们相信,我们的研究结果使一些生产方面的积极影响腐蚀电阻纳米晶体合金包括高速钢、钨钢刀具。相同类型的研究和分析在未来将是材料科学以及合金的福音制造业。

确认

如前所述在实验部分,本研究中使用的所有sputter-deposited钨合金标本Jagadeesh这位教授巴特拉伊提供的工作。教授巴特拉伊准备和描述这些合金在化学系工作期间,日本东北大学。电化学和减肥的测量进行了化学,在中央部门布汶大学,尼泊尔。Himendra Jha博士Atotech柏林,德国和拉贾教授Ram Pradhananga,尼泊尔布汶大学承认的建设性的评论这项研究文章。

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