Corrosie, een proces waarbij metalen worden afgebroken, kan in de loop van de tijd voor ernstige problemen zorgen, maar tot nu toe was het lastig om precies te visualiseren en uit te leggen hoe corrosie zich door een metaal of een binding tussen twee metalen voortzet.

Nu hebben onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) een nieuwe techniek ontwikkeld om met hoge resolutie te kunnen zien hoe en waarom corrosie plaatsvindt. Hun onderzoek werd belicht in de nummers van Scientific Reports van augustus 2023 en oktober 2023 en in het julinummer van The Journal of Physical Chemistry.

Het probleem met 'cook-and-look' en andere methoden

"Een van de grootste uitdagingen bij het meten van corrosie is dat het vooral 'cook-and-look' is", legt Vineet Joshi uit, materiaalwetenschapper bij PNNL. "Doorgaans nemen onderzoekers een monster, dompelen het onder in het door hen gekozen medium en observeren na een bepaalde periode de corrosie, maar pas nadat deze heeft plaatsgevonden. Vervolgens genereren ze talloze hypothesen om de corrosie te verklaren."

Deze methode heeft grote nadelen. Door slechts met een paar tijdsintervallen te meten, kunnen onderzoekers speculeren over hoe de corrosie begon en zich door het metaal bewoog. Het herhaaldelijk verwijderen en opnieuw inbrengen van het monster kan tot vertekende resultaten leiden.

Andere methoden, zoals de scanning-vibratie-elektrodetechniek of scanning-elektrochemische celmicroscopie, houden in dat het monster wordt ondergedompeld en vervolgens stroom wordt gebruikt om de elektrochemische eigenschappen in de monsters te meten, maar oppervlakteafwijkingen en andere onregelmatigheden kunnen de resultaten verstoren.

Multimodale corrosieanalyse

Bij PNNL wisten de onderzoekers die de resultaten van processen als wrijvingsroerlassen en ShAPE probeerden te begrijpen, dat ze een betere aanpak moesten ontwikkelen voor het monitoren van corrosie.

"We wilden specifiek overstappen van koken en kijken en in plaats daarvan kijken naar specifieke initiatielocaties van corrosie om de corrosie in realtime te observeren", zei Joshi. "Om dit aan te pakken, hebben we een nieuw analysesysteem op macroschaal gecreëerd, genaamd multimodale corrosieanalyse."

Door middel van multimodale corrosieanalyse gebruiken de onderzoekers sensoren, camera's, elektroden en een waterstofopvangbuis om de voortgang van corrosie in eenvoudige atmosferen te observeren; de aard van de oppervlakken begrijpen met behulp van elektrochemische technieken; en waterstofgassen, die een bijproduct zijn van corrosie, in beeld brengen en verzamelen.

"Door gegevens van deze eenvoudige en diverse modaliteiten in realtime te combineren, kunnen we fundamentele vragen beantwoorden over hoe corrosie in materialen ontstaat en zich voortplant", legt Sridhar Niverty, materiaalwetenschapper bij PNNL, uit. "Het correlatieve beeldvormingsaspect informeert ons ook over waar we onze materialen verder kunnen onderzoeken om te leren waarom ze corroderen. De synergetische combinatie van deze technieken levert aanzienlijk meer informatie op over de prestaties van een materiaal dan tot nu toe mogelijk was."

Door de zaken vanuit een macroschaalperspectief te bekijken, kreeg het team unieke inzichten; het corrosieproces vindt echter op een veel fijnere schaal plaats.

Scannen van elektrochemische celimpedantiemicroscopie

Om corrosie met nog meer precisie te analyseren, hebben wetenschappers van PNNL een nieuwe techniek ontwikkeld, genaamd scanning-elektrochemische celimpedantiemicroscopie, die veel betrouwbaardere resultaten met een hoge resolutie biedt.

"Met deze techniek hebben we alles wat nodig is om de corrosie in een heel klein buisje (of getrokken capillair) op gang te brengen, inclusief de elektrolyt-, referentie- en stroomverzamelelektrode", zegt Venkateshkumar Prabhakaran, een chemisch ingenieur bij PNNL.

“Door de kleine opening van dit capillair op het oppervlak te plaatsen, meten we gelokaliseerde en tijdsafhankelijke elektrochemische eigenschappen zonder enige interferentie van nabijgelegen regio’s. Dat helpt ons zwakke en sterke plekken op het oppervlak vast te leggen die gevoelig zijn voor corrosie, die anders verloren gaan als het uitvoeren van grootschalige metingen en het formuleren van geschikte mitigatiestrategieën."

Deze nieuwe aanpak bouwt voort op een eerdere techniek, scanning-elektrochemische celmicroscopie genaamd, die een paar jaar geleden opkwam. Het PNNL-team heeft deze techniek ontwikkeld met elektrochemische impedantiespectroscopie om de laagfrequente impedantie te meten, die correleert met de weerstand van het metaal en een microscopisch beeld geeft van hoe de weerstand in de loop van de tijd verandert.

"Het toevoegen van impedantiespectroscopie aan de techniek is van onschatbare waarde geweest om te begrijpen hoe een oppervlak verandert over een metalen verbinding (of legering) door gemeten weerstanden te correleren met de fysieke kenmerken van het metaal", zegt Lyndi Strange, een scheikundige bij PNNL. "We hebben onze methode gevalideerd door bulkimpedantiereacties te vergelijken met reacties gemeten via de nieuwe techniek, wat laat zien hoe we nu specifieke corrosiegebeurtenissen aan het oppervlak kunnen isoleren."

Toepassingen voor wrijvingsroer en meer

Dit soort granulariteit heeft veel praktische voordelen, vooral bij PNNL, waar onderzoekers hard werken aan het produceren en testen van lichtgewicht materialen en verbindingen voor voertuigtoepassingen met behulp van nieuwe methoden zoals ShAPE en wrijvingsroerlassen.

"Vanwege zijn unieke mogelijkheden wordt de nieuwe techniek gebruikt om elektrochemische reacties te verkrijgen van verschillende microstructurele kenmerken:korrels, korrelgrenzen, grensvlakken, tweede fasen, neerslagen, enzovoort", legt Rajib Kalsar, materiaalwetenschapper bij PNNL, uit. "Het verkrijgen van individuele elektrochemische eigenschappen op microscopisch niveau is gunstig voor het ontwerpen van zeer corrosiebestendige structurele materialen."

Bij het wrijvingsroer-schrijfproces wordt bijvoorbeeld een klein snijapparaat gebruikt om materialen met drastisch verschillende smeltpunten te verbinden zonder dat er bevestigingsmiddelen nodig zijn. Maar onderzoekers moesten begrijpen hoe deze nieuwe verbindingsmethode de corrosie op het grensvlak tussen de twee metalen beïnvloedde – in één geval een wrijvingsroerverbinding tussen magnesium en staal, wat een cruciale verbinding is voor de productie van lichtgewicht voertuigen.

"Bij het gebruik van de wrijvingsroertechniek voor verbindingen hebben we een iets lagere corrosiesnelheid waargenomen", zei Joshi. "De afname van de corrosiesnelheid kan worden toegeschreven aan de opkomst van specifieke routes met hoge weerstand op het grensvlak tijdens de verwerking. Deze routes leidden tot een vermindering van de corrosiesnelheid van magnesium."

"We gebruiken onze nieuwe techniek nu links en rechts", voegde hij eraan toe. "Als je deze interfaces voor corrosie heel goed begrijpt, kun je nauwkeurig beginnen te ontwerpen, in plaats van een onderdeel te over- of te weinig te ontwerpen."

Meer informatie: Sridhar Niverty et al., Corrosie onderzoeken met behulp van een eenvoudig en veelzijdig in situ multimodaal corrosiemeetsysteem, Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42249-0

Venkateshkumar Prabhakaran et al., Onderzoek naar elektrochemische corrosie op het grensvlak van Mg-legering en staal met behulp van scanning-elektrochemische celimpedantiemicroscopie (SECCIM), Wetenschappelijke rapporten (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39961-2

Venkateshkumar Prabhakaran et al, Gelokaliseerde corrosie op metalen oppervlakken begrijpen met behulp van scanning-elektrochemische celimpedantiemicroscopie (SECCIM), The Journal of Physical Chemistry C (2022). DOI:10.1021/acs.jpcc.2c03807

Geleverd door Pacific Northwest National Laboratory