Коррозионная стойкость боридных и карбидных нанопорошков в никелевых электролитах: влияние кислотности, температуры и времени воздействия

Аннотация

Исследовано коррозионное поведение высокочистых нанопорошков (91,8–97,6% основная фаза, средний размер 32–78 нм) боридов и карбидов металлов IV–VIB групп, а также карбида кремния, в стандартных никелевых электролитических ванах. Коррозионная стойкость количественно оценена в зависимости от pH электролита, температуры и длительности воздействия. Результаты показывают, что боридные и карбидные нанопорошки внутри каждой группы демонстрируют сравнимую стойкость, с практически бесконечными индукционными периодами в щелочной среде. Нанопорошки карбида кремния, однако, остаются высокостойкими во всех испытанных кислых условиях.

Введение

Производительность композитных электрохимических покрытий (КЭП) зависит от коррозионной стабильности их армирующих порошков. Нежелательное растворение твердеющих фаз (например, боридов) в электролите может ухудшить целостность покрытия и ограничить выбор материалов. Предыдущие работы часто упускали растворение порошков, что вело к 과оптимистичным утверждениям о дисперсном упрочнении в хромовых ваннах с диборидом циркония. Следовательно, систематическая оценка нанопорошков рефрактерных соединений в никелевых электролитах необходима, особенно учитывая дефицит данных о наноструктурированных боридах и карбидах. Работа фокусируется на коррозионной стойкости боридных и карбидных нанопорошков циркония, титана, ванадия, хрома, молибдена, вольфрама и карбида кремния в никелевых ваннах при варьировании pH, температуры и времени воздействия.

Методы

Нанопорошки боридов и карбидов синтезированы плазмохимическим и высокотемпературным электрохимическим методами; ключевые характеристики в таблице 1. Коррозионные испытания в стандартных никелевых электролитах (таблица 2). Кислотность электролита регулировали концентированной серной кислотой. Концентрация порошка поддерживалась 10 кг/м³. Перед испытаниями порошки многократно очищали для снижения наномасштабных примесей графита и бора до 0,1–0,3% (масс.) и прикладывали вакуумно-термическое напряжение для предотвращения аггломерации. Скорости растворения определяли по массе нерастворимого остатка и по ионным концентрациям в электролите магнетометрическим методом.

Результаты и обсуждение

Коррозионное поведение боридных и карбидных нанопорошков иллюстрировано на рис. 1 и 2. Обе группы показывают схожую восприимчивость, в основном определяемую кислотностью электролита. В кислых ваннах (pH = 2,0–3,0) происходит быстрое растворение: после 3 ч при 323 К растворение боридов 9,5–15,6%; после 24 ч — 31,0–38,2%; после 240 ч — 75,1–89,9%. Металлоподобные карбиды демонстрируют слегка более высокую стойкость, достигая сравнимых уровней растворения после 24, 120 и 360 ч соответственно. Повышение температуры последовательно ускоряет коррозию, отражая увеличение скоростей реакции между наноматериалами и кислотными видами.

Все исследуемые наноматериалы пережили выраженное увеличение удельной площади поверхности при растворении — с ~2000 м²/кг до ~10000 м²/кг — указывающее на слоистый механизм растворения. Карбид кремния уникальным образом сохранил степень растворения ниже 10% на всем диапазоне pH и температур.

Рис. 3 представляет кинетические кривые растворения, основанные на изменении ионных концентраций. Индукционные периоды — время для растворения 50% начальной массы — составляли 32–49 ч для боридов и 68–88 ч для карбидов при pH 2,5; 92–112 ч и 138–167 ч при pH 3,0; и практически бесконечные при pH 5,0. По сравнению с крупнозернистыми порошками, скорость растворения нанопорошков в 3–5 раз выше, что подчеркивает ярко выраженный размерный эффект.

Подводя итог: боридные и карбидные нанопорошки изученных металлов демонстрируют сравнимую коррозионную стойкость в никелевых электролитах, во многом определяемую кислотностью электролита. Их скорости растворения значительно выше крупнозернистых аналогов — явное проявление нанометрового эффекта. Нанопорошки карбида кремния остаются исключительно стойкими при почти всех испытанных pH, делая их пригодными для широкого спектра электрохимических процессов.

Заключение

1. Коррозионная стойкость боридных, карбидных и карбида кремния нанопорошков в никелевых электролитах зависит от кислотности электролита, температуры и длительности воздействия.
2. В кислых ваннах (pH = 2,0–3,0) нанопорошки быстро растворяются — достигая 75–90% после 240 ч — и этот темп ускоряется с температурой.
3. Нанопорошки карбида кремния показывают исключительную стабильность; растворение никогда не превышает 12% на всем диапазоне pH 2,0–5,0 и температур 295–353 К.

Аббревиатуры

CEP

Композитные электрохимические покрытия