Ruolo dello strato superficiale nanograinato sul comportamento alla corrosione della lega di alluminio 7075

npj Materiali Degradazione volume 6, Numero articolo: 62 (2022) Citare questo articolo

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Le strutture a gradiente nanometrico si sono rivelate una tecnica promettente per eludere il compromesso resistenza-duttilità nei metalli e nelle leghe. Pertanto, in questo lavoro, è stato studiato l’effetto del trattamento di attrito meccanico superficiale (SMAT) sulla microstruttura e sul comportamento alla corrosione della lega di alluminio ad alta resistenza. SMAT è stato eseguito a temperatura ambiente e in condizioni di flusso di azoto liquido (LN2) per generare due microstrutture di gradiente iniziale nettamente diverse. Sono stati eseguiti test di polarizzazione potenziodinamica, spettroscopia di impedenza elettrochimica e corrosione intergranulare. La caratterizzazione della pellicola superficiale dei campioni non trattati e trattati è stata eseguita utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X e le tecniche di spettroscopia di massa degli ioni secondari a tempo di volo. Il risultato rivela cambiamenti microstrutturali significativi nei campioni trattati con SMAT, come la formazione di precipitati e la dissoluzione delle fasi inerenti. Inoltre, è stato osservato un tasso di dissoluzione anodica ridotto con i campioni trattati con SMAT. Inoltre, la caratterizzazione del film superficiale ha rivelato un film di ossido più spesso con arricchimento di Cu e SiO2 nei campioni SMAT.

La nanostruttura a gradiente (GNS), una classe di materiali eterostruttura, ha guadagnato notevole attenzione nella comunità dei materiali grazie alla sua capacità di ottenere una combinazione di elevata resistenza e duttilità senza alterare la composizione complessiva della lega1,2,3,4. Queste proprietà derivano dal rinforzo e dall'incrudimento indotti dall'eterodeformazione mediante l'interazione sinergica tra zone dure e morbide5,6. I materiali GNS hanno anche mostrato miglioramenti promettenti nelle proprietà sensibili alla superficie come fatica, usura, corrosione-fatica e comportamento alla corrosione dei materiali7,8,9,10. Pur con numerosi vantaggi, l'applicabilità di questi materiali non ha raggiunto il suo pieno potenziale a causa delle limitazioni nella lavorazione di campioni sfusi con microstruttura controllata per le proprietà meccaniche6,10,11.

La struttura a gradiente nano-granito, come suggerisce il nome, è costituita da una struttura superficiale di grani nanocristallini la cui grandezza in termini di dimensioni aumenta gradualmente man mano che ci si allontana dalla superficie. In particolare, la nanocristallizzazione superficiale (SNC) con i nanograni in superficie può essere ottenuta attraverso varie tecniche di deformazione plastica grave come il trattamento di attrito meccanico superficiale (SMAT)12, la pallinatura a ultrasuoni13, la sabbiatura14, la pallinatura con shock laser (LSP)15 e la pallinatura rapida rotazioni multiple rolling16. Tra questi, SMAT ha dimostrato di essere efficiente nel produrre la dimensione dei grani più piccola possibile sulla superficie libera e un gradiente apprezzabile di diverse centinaia di micron nella maggior parte del campione. Questo gradiente si forma come risultato degli impatti hertziani dinamici dei mezzi di macinazione con la superficie libera del campione che inducono un valore di deformazione cumulativamente elevato. Generalmente, i mezzi di macinazione utilizzati durante lo SMAT sono composti da una composizione chimica diversa rispetto al campione sottostante da elaborare17. La fisica e la natura degli impatti si verificano milioni di volte introducendo così un modo per trasferire materiale. Ciò significa che gli impatti ripetuti ad alta velocità e l'aumento locale della temperatura forniscono un ambiente in cui i coefficienti di diffusione atomica e la reattività chimica vengono migliorati facilitando la creazione di leghe sulla superficie libera del campione. Se progettati correttamente, l'elevata reattività dello strato superficiale e la facile diffusione degli elementi leganti attraverso i confini dei grani dei nanograni forniscono un modo efficiente per creare un rivestimento resistente alla corrosione con una microstruttura favorevole12,18. Ad esempio, la temperatura alla quale viene effettuato lo SMAT è stata correlata al grado di raffinazione del grano che si verifica sulla superficie libera e alla profondità del gradiente formato19,20,21,22,23. Ciò è risultato vero anche per quanto riguarda il grado di contaminante e la sua miscelazione con il materiale di base. In particolare, SMAT a temperatura criogenica ha mostrato una maggiore riduzione della dimensione dei grani nel rame puro a causa di un cambiamento nella modalità di deformazione sottostante19. A parte la crio-SNC, le leghe preparate attraverso altri processi termomeccanici criogenici come la crio-laminazione24 e la crio-estrusione25 hanno mostrato resistenza e duttilità migliorate rispetto alle loro controparti trattate a temperatura ambiente. In gran parte, l’elaborazione SMAT è stata effettuata in ambito universitario su geometrie semplificate su piccola scala come le piastre piane. Tuttavia, versioni recentemente modificate delle apparecchiature di elaborazione SMAT che utilizzano vibrazioni acustiche rispetto al tradizionale scuotimento delle modifiche consentono di applicare SMAT a tubi/cilindri e persino a fili sottili9,26,27. Altre forme di realizzazione delle apparecchiature di elaborazione SMAT sono state impiegate utilizzando tecniche di lucidatura montate su macchine a controllo numerico computerizzato per consentire una flessibilità ancora maggiore, consentendo potenzialmente la lavorazione in situ delle parti2,28,29. Sebbene sistemi industriali come la tecnologia MELDTM30 siano stati sviluppati per affrontare parti più complesse e su larga scala, l’integrazione di tale tecnologia è ancora nelle fasi iniziali nelle applicazioni industriali.