アルミニウム 7075 合金の腐食挙動に対する傾斜ナノグレイン表面層の役割

Sep 11, 2023

npj 材料劣化 第 6 巻、記事番号: 62 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

勾配ナノ粒子構造は、金属や合金における強度と延性のトレードオフを回避するための有望な技術です。 したがって、この研究では、高強度アルミニウム合金の微細構造と腐食挙動に対する表面機械的摩耗処理 (SMAT) の影響を調査しました。 SMAT は室温および液体窒素 (LN2) フロー条件で実行され、2 つの明確に異なる初期勾配微細構造が生成されました。 動電位分極、電気化学的インピーダンス分光法、および粒界腐食試験が実施されました。 未処理および処理済みサンプルの表面膜の特性評価は、X 線光電子分光法および飛行時間型二次イオン質量分析技術を使用して実行されました。 結果は、沈殿物の形成や固有相の溶解など、SMAT 処理サンプルにおける重大な微細構造変化を明らかにしました。 さらに、SMAT 処理サンプルでは陽極溶解速度の低下が観察されました。 さらに、表面膜の特性評価により、SMAT サンプルでは Cu と SiO2 が豊富な厚い酸化膜が明らかになりました。

ヘテロ構造材料の一種である勾配ナノ構造（GNS）は、全体の合金組成を変えることなく高強度と延性の組み合わせを実現できるため、材料コミュニティで大きな注目を集めています1、2、3、4。 これらの特性は、ハードゾーンとソフトゾーンの間の相乗的相互作用による、ヘテロ変形による強化とひずみ硬化に由来します5,6。 また、GNS 材料は、材料の疲労、摩耗、腐食疲労、腐食挙動などの表面に敏感な特性の改善が期待できることも示しています7、8、9、10。 いくつかの利点があるにもかかわらず、機械的特性のための微細構造が制御されたバルクサンプルの処理には限界があるため、これらの材料の適用性はその可能性を最大限に発揮することはできません6、10、11。

名前が示すように、勾配ナノ粒子構造は、表面から離れるにつれてサイズが徐々に大きくなるナノ結晶粒子の表面構造で構成されています。 特に、表面にナノ粒子を有する表面ナノ結晶化 (SNC) は、表面機械的摩耗処理 (SMAT)12、超音波ショットピーニング 13、サンドブラスト 14、レーザーショックピーニング (LSP)15、高速加工などのさまざまな厳しい塑性変形技術によって実現できます。複数の回転ローリング16。 これらの中で、SMAT は、自由表面で可能な限り最小の粒子サイズを生成し、サンプルの大部分に数百ミクロンの深さでかなりの勾配を生成するのに効率的であることが証明されています。 この勾配は、ミリングメディアとサンプルの自由表面との動的ヘルツ衝撃の結果として形成され、累積的に高いひずみ値を引き起こします。 一般に、SMAT 中に使用されるミリングメディアは、処理される下層のサンプルとは異なる化学物質で構成されています 17。 衝撃の物理学と性質は何百万回も発生するため、物質を転送する方法が導入されます。 つまり、反復的な高速衝撃と局所的な温度上昇により、原子の拡散係数と化学反応性が強化され、サンプルの自由表面での合金の生成が促進される環境が提供されます。 適切に設計されていれば、表面層の高い反応性とナノ粒子の粒界を通る合金元素の容易な拡散により、好ましい微細構造を備えた耐食性コーティングを作成する効率的な方法が提供されます12,18。 たとえば、SMAT が実行される温度は、自由表面で発生する結晶粒微細化の程度および形成される勾配の深さと相関しています 19、20、21、22、23。 これは、汚染物質の程度と基材との混合に関しても当てはまることが判明しています。 特に、極低温での SMAT では、基礎となる変形モードの変化により、純銅の粒径がより大きく減少することが示されています 19。 クライオ SNC とは別に、クライオ圧延 24 やクライオ押出 25 などの他の極低温熱機械加工処理によって製造された合金は、室温で処理された対応物と比較して強度と延性が向上しています。 主に、SMAT 処理は大学の環境で、平板などの小規模な単純化された形状に対して実行されてきました。 しかし、従来の変化の振動ではなく音響振動を利用する最近改良されたバージョンの SMAT 処理装置により、SMAT をチューブ/シリンダー、さらには細いワイヤに適用できるようになりました 9,26,27。 SMAT 加工装置の他の実施形態では、コンピュータ数値制御機械に取り付けられたバニシング技術を使用して、さらに高い柔軟性を実現し、部品の現場での加工が可能になる可能性があります 2、28、29。 MELDTM テクノロジー 30 などの産業システムは、より大規模でより複雑な部品に取り組むために開発されてきましたが、このようなテクノロジーの統合は産業用途においてはまだ初期段階にあります。