超声重力搅拌铸造Al/GO纳米复合材料的腐蚀和硬度行为

摘要

本研究的目的是利用浸泡腐蚀技术评估纳米氧化石墨烯增强铝(Al/GO)金属基复合材料在不同浸泡时间下的腐蚀行为。采用超声重力搅拌铸造工艺制备了Al/GO复合材料。采用扫描电子显微镜对Al/GO的腐蚀进行了研究。实验结果表明，随着浸泡时间的延长，腐蚀速率降低，重量损失增加。与浸泡Al/GO复合材料相比，非浸泡Al/GO复合材料具有更高的显微硬度值。

1.简介

铝基金属基复合材料(ammc)主要用于制造航空航天、汽车、国防和其他国内应用的各种工程部件，因为它们具有优越的机械性能、轻质和良好的尺寸稳定性。其中，LM 24铝合金因其优异的耐腐蚀性能、良好的切削性能、优异的成形性以及抗热撕裂性能，在工程上有着广泛的应用[1］．因此，LM 24铝允许使用二次工艺，如热挤压，轧制和锻造[2］．采用液相法和固相法制备了ammc。固态法用于制造几种形状的复合材料部件，不适合制造复杂形状的部件[3.］．因此，这种方法并没有在很多行业中使用;然而，传统的搅拌铸造方法被广泛应用于许多行业[4]因为搅拌铸造工艺简单，灵活性更强，而且陶瓷颗粒在高温下均匀分布在基体液中，在增强体与基体材料之间产生强烈的界面结合，具有更强的热力学稳定性[5］．然而，传统的搅拌铸造工艺不适合在基质液中混合纳米颗粒，因为其粒径变化、纳米团簇形成的一些实际问题以及纳米颗粒与基质相的润湿不足[6］．近年来，超声空化辅助搅拌铸造工艺取代了传统的搅拌铸造工艺，高强度的超声波将团簇颗粒破碎，均匀分布在基体液中[7- - - - - -9］．因此，超声搅拌铸造技术最适合于纳米复合材料的制备。

一般来说，铝在高温下是一种高度反应的材料[10并且具有很高的耐腐蚀性，因为表面存在的氧化层可以保护它不受环境的影响。这种氧化层在铝合金制造或高温下通过以下反应[11]: ．铝表面氧化层的厚度约为2.5 nm，在pH值为7.5的水介质中是稳定的。必威2490当铝合金暴露在不同的环境条件下，与盐水接触，以及在铝合金中加入陶瓷颗粒时，容易加速铝合金的腐蚀[12］．当pH值大于9.0的水介质或海水时，该氧化层溶解。因此，在铝基复合材料中同时加入SiCp、TiCp、B等微米级和纳米级陶瓷颗粒会产生腐蚀₄Cp、碳纳米管(CNT)、纳米纤维、石墨烯、氧化石墨烯和n-TiB₂［13，14］．Trowsdale等人。[15]， Han等人推荐了Al/SiCp和Al/B₄与未增强的合金相比，C在3.5 NaCl溶液中增加了点蚀的敏感性。Abu-Warda等人[16]报道了纳米tib的加入₂没有降低界面区域的耐蚀性或点蚀易感性。近年来，氧化石墨烯因其独特的结构和优异的力学性能，以及氧化石墨烯中氧的存在，增强了基体与增强材料之间的界面结合，在纳米增强材料中受到了广泛的关注[17］．此外，氧化石墨烯由于其化学惰性和不渗透特性，主要用作涂层材料[18］．到目前为止，研究人员大多只研究和评估了氧化石墨烯基复合材料的力学行为，只有少数作者专注于氧化石墨烯增强复合材料的腐蚀行为[19］．这一研究空白鼓励了研究人员对氧化石墨烯增强金属基复合材料的腐蚀行为进行研究。根据不同的制造方法，ammc会发生不同类型的腐蚀[20.]以及在环境温度水平下基体和增强体之间的物理和化学相互作用。增强率是决定金属基复合材料力学性能的重要因素。当增加铝基体中纳米氧化石墨烯颗粒的百分比时，铝基体中形成了更多的纳米团聚体。在复合材料中表现出更强的腐蚀。许多研究人员通过使用不同的腐蚀技术研究了各种腐蚀行为。根据腐蚀发生的部位可分为均匀腐蚀和局部腐蚀两类。由于环境条件的变化，复合材料表面发生均匀腐蚀[11]，局部腐蚀主要通过化学反应发生在复合材料的基体区和界面区。局部腐蚀为应力腐蚀[21，22]、点蚀[23]、缝隙腐蚀、电偶腐蚀[24]、晶间腐蚀[25］．

本研究的目的是评估Al/GO复合材料在不同时间暴露于环境温度水平下的腐蚀行为。采用超声搅拌铸造法制备了Al/GO样品，并采用浸渍腐蚀试验对样品的腐蚀行为进行了分析。浸泡腐蚀试验是分析复合材料腐蚀行为最可靠、最简单的方法。通过显微硬度测试对腐蚀试样的硬度强度进行了评价。

2.实验工作

在本研究中，采用了密度为2.68 g/cm的LM 24铝合金^3.因其具有优良的铸造特性而被用作基体材料。1.5%的纳米石墨烯颗粒(GO)被用作增强材料。石墨烯颗粒的平均大小为52纳米。lm24铝合金的化学成分见表1．将1000克LM 24铝合金置于坩埚中，以每分钟12℃的速度加热至700℃。将预热过的氧化石墨烯纳米颗粒加入熔液中。用机械搅拌器以400转/分的速度搅拌金属液10分钟，使纳米颗粒在金属液中均匀分布。在搅拌过程中，由于纳米颗粒的大小变化，在液体中形成了大量的纳米团簇。因此，将机械搅拌器从熔融金属中取出，将超声喇叭插入液态金属中至液态高度的三分之一处，目的是在液态金属中诱导超声波。超声波换能器的功率为2 kW，频率为20 kHz，加工温度维持在700℃。换能器喇叭在液态金属中产生超声波。这些产生的波在液体中传播，并产生机械振动。这些振动有助于分解纳米氧化石墨烯粒子簇，并将它们均匀地分布在液体基质中。 The composite slurry was poured into the preheated mild steel die and allowed to solidify. The casting sample of the Al/GO composite is shown in Figure1．Al/GO复合铸件的尺寸为 毫米^3.．腐蚀试验是用简单的浸泡试验进行的。Al/GO复合材料在3.5% NaCl溶液中浸泡24 h、48 h、72 h。腐蚀样品由复合材料制备，并由500砂板抛光。腐蚀样品的尺寸为长10mm，宽10mm，厚5mm。采用称量仪测量了Al/GO复合材料的重量。称重机的精度为0.001克。样品浸泡在250ml 3.5% NaCl电解质溶液中。时间结束后，从溶液中取出试样，用丙酮清洗，然后计算质量损失。数字2显示了Al/GO复合材料的腐蚀和不腐蚀性能。用扫描电镜观察了样品表面的结构变化。通过显微硬度试验测定了腐蚀表面强度。

3.结果与讨论

3.1.结构分析

Al/纳米氧化石墨烯复合材料的SEM显微形貌如图所示3.．纳米氧化石墨烯颗粒在铝基材料中的分布基本均匀。在优化的制备条件下，采用超声搅拌铸造工艺，获得了颗粒分布均匀、界面键强的结果。Al/GO复合材料试样的腐蚀表面如图所示4．SEM显微照片清楚地表明，在浸泡条件下，铝层在NaCl溶液中溶解，破坏了表面形貌。数字5结果表明，由于接触时间的延长，表面出现了损伤。在初始浸泡时间内，未观察到更多的表面损伤，如图所示4．在浸泡期间，纳米石墨烯氧化物中的碳与铝反应，在界面区域形成碳化铝。史密斯等人。[26]报道了纳米氧化石墨烯在六方结构中有一个碳元素。采用线扫描选择法在界面区域进行EDS分析。该分析证实了界面区域存在碳元素，如图所示6．碳化铝反应的发生方式如下: ．金属间元素存在的氧化铝碳化物(Al₄C_3.)，在界面区域形成的腐蚀在钢筋内部和周围引起局部腐蚀。预计在Al基体和纳米石墨烯氧化物增强之间的界面区域将会增加对腐蚀的敏感性。在较长的浸泡时间下，金属间元素在NaCl溶液中被稀释，并开始了Al基体与氧化石墨烯颗粒之间的脱粘。表面及界面区域形成界面微裂纹，如图所示7．这是a /GO复合材料脱粘和腐蚀形成的有利机制。

3.2.Al/GO复合材料的失重和吸水性能

用高精度称重仪测量浸泡期结束后Al/GO复合材料样品的失重情况。铝合金和Al/GO试样的失重情况如图所示8．由于界面区金属间化合物的稀释和复合材料表面的劣化，Al/GO复合材料比铝合金有更大的失重。重量测量表明，由于复合材料的表面腐蚀、氧化层溶解和点蚀，重量损失随时间的增加而增加。

NaCl吸附量计算公式如下[27]: ．数字9显示了浸泡时间段的吸收曲线。复合材料的NaCl吸收是通过扩散过程进行的。NaCl通过表面微裂纹扩散到复合材料基体和界面区。表面微裂纹在复合材料的制备过程中形成，并被氧化层覆盖[28］．Al/GO试样中微裂纹的存在如图所示7．当与NaCl溶液接触时，由于氧化层的溶解，表面出现了微裂纹。因此，NaCl吸收率随浸泡时间的增加而增加。

3.3.Al/GO复合材料的腐蚀行为

复合材料的腐蚀速率计算公式为[29]: ，在哪里是暴露样品的失重，单位为克，试样的密度是g/cm吗^3.，暴露样品的面积是厘米吗²,是以小时为单位的曝光时间。Al/GO复合材料的腐蚀速率如图所示10．铝合金和Al/GO复合材料的腐蚀速率趋势相似，但由于基体中缺乏纳米增强，铝合金的腐蚀速率较Al/GO样品低。浸泡初期，由于氯离子吸附在Al/GO复合材料表面，腐蚀速率较高，这是样品局部腐蚀攻击的第一阶段。局部腐蚀形成和表面损伤如图所示4而且5．之前的研究者Falcon等人。[30.]报道了复合材料的表面腐蚀和点蚀是通过以下步骤发生的:(a)氯离子在氧化物表面的吸附和扩散，(ii)羟氯铝盐的形成，(iii)氧化物的溶解。随着浸泡时间的增加，氯化物溶液通过表面存在的微裂纹扩散到复合材料中。复合材料试样表面微裂纹的存在情况如图所示7．微量的氯化物溶液扩散到Al基体的界面区和其他边界区，引发了复合材料内部的腐蚀。因此，腐蚀速率随浸泡时间的增加而减小。复合试样中观察到的腐蚀坑如图所示11．根据优先腐蚀区域、氯离子的吸附和扩散以及浸泡时间的不同，腐蚀坑呈杯状、半球形、平壁或不规则形状[31］．在Al基体与氧化石墨烯颗粒的界面区域发现了不规则形状的腐蚀坑。如图所示11．这些腐蚀坑是弱钝化或热力学不稳定的。因此，界面区域可以作为凹坑形成的成核位点。实验结果表明，复合材料的腐蚀速率主要与浸渍时间、氯离子、界面面积和表面条件有关。

3.4.硬度强度对Al/GO复合材料的影响

研究了未腐蚀表面和腐蚀表面的硬度强度对复合材料样品的影响以及Al基体与氧化石墨烯纳米颗粒界面区域的影响。在不同浸水时间的腐蚀分析前后分别进行了显微硬度测定实验。在固定距离间隔的不同位置测量试样的显微硬度值。数字12显示了不同的表面形貌条件和纳米氧化石墨烯颗粒在Al基体中的分布对硬度的影响。但是，对不同浸泡时间的不同样品进行比较发现，由于表面氧化层的存在以及纳米颗粒分布的均匀性，未浸泡样品的显微硬度值高于腐蚀样品。纳米颗粒与Al基体结合良好，如图所示1．在加载过程中，纳米氧化石墨烯颗粒的存在限制了铝基体的变形。因此，非浸泡试样具有较高的硬度强度。初始浸泡时间(24小时)，由于氯离子在Al/GO样品中的吸附，导致表面损伤和腐蚀。因此，与未浸泡样品相比，这些样品的显微硬度逐渐降低。当浸泡时间从24小时增加时。到72小时。，the chloride solutions diffused in the Al matrix and the interfacial region between the Al matrix and GO particles through the preexisting microcracks. During prolonged immersion periods, the aluminium salts became diluted and created corrosion pits in the Al matrix region as shown in Figure9．在压头载荷作用下，Al/GO试样的塑性变形较大，由于Al基体区域存在腐蚀坑，Al基体位错更容易移动。显微硬度分析表明，复合材料的硬度强度取决于基体与增强体之间的表面形貌和界面结合。

3.5.Al/GO复合材料的拉伸性能

Al/GO复合材料的性能主要取决于纳米颗粒在基体中的分布。有必要了解粒子在基体中的分布，以便关联prmmc的性质。拉伸试验是在一个平面形状的试样上进行的，根据ASTM标准(E-8模型)试验方法进行。

数字13为Al/GO复合材料极限抗拉强度的变化规律。与铝合金相比，Al/GO复合材料具有更高的抗拉强度。复合材料的整体强度受石墨烯纳米颗粒在Al基体中的分布影响。

4.结论

研究了不同浸泡时间对Al/GO复合材料的腐蚀行为。从实验工作中可以推断出以下结果:(1）通过扫描电镜分析，纳米氧化石墨烯颗粒均匀分布在Al基体中(采用超声搅拌铸造法)。（2）Al/GO复合材料由于表面的腐蚀和NaCl离子在表面的吸附，导致了更严重的表面劣化。在Al基体区和界面区观察到大量的腐蚀坑（3）随着浸泡时间的增加，金属间化合物和氧化铝层在3.5% NaCl溶液中溶解（4）3.5%的NaCl溶液通过表面裂纹扩散到复合材料中。吸水率百分比随浸泡时间的增加而增加（5）与Al/GO复合材料相比，铝合金具有较小的腐蚀。合金的腐蚀速率随着浸泡时间的增加而减小。浸渍试验表明，复合材料表面和界面区域的腐蚀主要依赖于NaCl溶液在优先腐蚀区域和时间段内的吸附和扩散(6）显微硬度测试结果表明，非Al/GO复合材料比腐蚀Al/GO复合材料具有更高的强度硬度。腐蚀后的表面在界面区有较多的表面损伤和腐蚀坑。因此，它在强度上产生了较低的硬度(7）拉伸试验表明，纳米氧化石墨烯增强复合材料比未增强的铝合金具有更高的强度。纳米氧化石墨烯颗粒的存在提高了铝基复合材料的力学强度

数据可用性

没有数据支持这项研究。

利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突。

参考文献

1. P. Vijian, V. P. **am，“基于遗传算法的LM24铝合金挤压铸造工艺参数建模与多目标优化，”材料加工技术杂志，第186卷，no。1-3页，第82-86页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
2. C. S. Ramesh和M. Safiulla，“热挤压Al6061基复合材料的磨损行为”，穿，第263卷，no。第1-6页，2007。视图:出版商的网站|谷歌学者
3. G. B. Jang, M. D. Hur和S. S. Kang，“粉末冶金在汽车零部件替代工艺发展的研究”，材料加工技术杂志，第100卷，no。1-3页，第110-115页，2000。视图:出版商的网站|谷歌学者
4. S. B. Prabu, L. Karunamoorthy, S. Kathiresan，和B. Mohan，“搅拌速度和搅拌时间对铸造金属基复合材料中颗粒分布的影响”，材料加工技术杂志，第171卷，no。2, pp. 268-273, 2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
5. J. Hashim, L. Looney和M. S. J. Hashmi，“金属基复合材料:搅拌铸造法的生产”，材料加工技术杂志，卷92-93，页1-7,1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
6. J. Hashim, L. Looney和M. S. J. Hashmi，“铸造金属基复合材料的颗粒分布——第一部分”，材料加工技术杂志，第123卷，no。2，页251-257,2002。视图:出版商的网站|谷歌学者
7. a·h·伊德里西和a·h。I. Mourad，“传统搅拌铸造与超声辅助搅拌铸造工艺:AMCs的力学和物理特性”合金与化合物杂志2019年，中国科学院学报，vol. 805, pp. 502-508。视图:出版商的网站|谷歌学者
8. M. Malaki, W. Xu, K. A. Kasar等，“先进的金属基纳米复合材料”，金属，第9卷，no。3，第330页，2019年。视图:出版商的网站|谷歌学者
9. D. K. Koli, G. Agnihotri，和R. Purohit，“超声辅助搅拌铸造对al6061 -纳米Al2O3复合材料力学性能的影响，”今日材料:会议记录，第2卷，no。4-5，页3017-3026,2015。视图:出版商的网站|谷歌学者
10. B. Bobic, S. Mitrovic, M. Babic，和J. Bobic，“铝和锌铝合金基金属基复合材料的腐蚀，”工业摩擦学“，， vol. 31, pp. 44-54, 2009。视图:谷歌学者
11. P. S. S. Ratna Kumar, S. J. Alexis和D. S. R. Smart，“纳米粘土对AA7075的均匀腐蚀行为”，今日材料:会议记录，第4卷，no。8，页9013-9019,2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
12. Z. Szklarska-Smialowska，“铝的点蚀”，腐蚀科学，第41卷，no。9，第1743-1767页，1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
13. M. Albiter, J. B. Contreras, M. Salazar，和J. G. Gonzalez-Rodriguez，“无压熔体渗透强化TiC铝基复合材料的腐蚀行为，”应用电化学杂志，第36卷，no。3, pp. 303-308, 2006。视图:出版商的网站|谷歌学者
14. H. Asgharzadeh和M. Sedigh，“少层石墨烯和氧化石墨烯增强铝基复合材料的合成和力学性能”，合金与化合物杂志， vol. 728, pp. 47-62, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
15. A. J. Trowsdale, B. Noble, S. J. Harris, I. S. R. Gibbins, G. E. Thompson和G. C. Wood，“碳化硅增强对铝点蚀行为的影响”，腐蚀科学，第38卷，no。2，第177-191页，1996。视图:出版商的网站|谷歌学者
16. N. Abu-Warda, M. D. Lopez, M. D. Escalera-Rodriguez, E. Otero，和M. V. Utrilla，“tib2纳米颗粒增强机械合金A6005铝合金复合材料的腐蚀行为，”材料与腐蚀，第71卷，no。3, pp. 382-391, 2020。视图:出版商的网站|谷歌学者
17. M. Hedayatian, K. Vahedi, A. Nezamabadi，和A. Momeni，“al6061 -氧化石墨烯纳米复合材料的微观结构和力学行为，”金属与材料国际，第26卷，no。6，第760-772页，2020年。视图:出版商的网站|谷歌学者
18. M. Y. Rekha, A. Kamboj，和C. Srivastava，“snzn -氧化石墨烯复合涂层的电化学行为”，固体薄膜， vol. 636, pp. 593-601, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
19. 李俊杰，张海华，孙飞，周海华，赵丽丽，宋宇，“氧化石墨烯对水性醇酸树脂涂层耐腐蚀性能的多尺度影响，”材料研究杂志，第34卷，no。6，页950-958,2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
20. F. Walsh, G. Ottewill，和D. Barker，“金属的腐蚀和保护:2。腐蚀类型和保护方法。”国际货币基金组织的交易， vol. 71, pp. 117-120, 2017。视图:出版商的网站|谷歌学者
21. L. S. Kuburi, M. Dauda, S. A. Yaro和M. Abdulwahab，“海洋级铝基复合材料的微观结构和抗应力腐蚀开裂(SCC)的研究，”力学与机械工程， vol. 21, pp. 833-841, 2017。视图:谷歌学者
22. 尹正哲，刘飞，宋东东，何胜，林俊，余峰，“不同表面条件下Mg-Al-Zn合金锻造应力腐蚀开裂研究”，化学杂志《中国科学院学报》2018年第4期，第8页。视图:出版商的网站|谷歌学者
23. I. Gurrappa和V. V. Bhanu Prasad，“铝基金属基复合材料的腐蚀特性”，材料科学与技术， vol. 22, pp. 115-124, 2013。视图:出版商的网站|谷歌学者
24. H. M. Zakaria，“Al/SiC金属基复合材料的微观结构和腐蚀行为，”Ain Shams工程杂志，第5卷，no。3, pp. 831-838, 2014。视图:出版商的网站|谷歌学者
25. J. F. McIntyre和T. S. Dow，“硝酸盐阴离子存在下铝合金暴露在人工海水中的晶间腐蚀行为”，腐蚀，第48卷，no。4, pp. 309-319, 1992。视图:出版商的网站|谷歌学者
26. A. T. Smith, A. M. LaChance, S. Zeng, B. Liu和L. Sun，“氧化石墨烯/还原氧化石墨烯及其纳米复合材料的合成、性能和应用”，纳米材料科学，第1卷，no。1，页31 - 47,2019。视图:出版商的网站|谷歌学者
27. M. Hussain和K. Niihara，“Al对CFRC吸水率的控制及其对层间剪切强度的影响₂O_3.分散。”材料科学与工程第272卷，no。2，页264-268,1999。视图:出版商的网站|谷歌学者
28. B. bobiic, J. Bajat, I. bobiic，和B. jegdiic，“腐蚀对复合铸造ZA27/SiC表面形貌和微观结构的影响_p氯化钠溶液中的复合材料中国有色金属学报，第26卷，no。6，页1512-1521,2016。视图:出版商的网站|谷歌学者
29. R. A. Freeman和D. C. Silverman，“技术说明:浸入式测试中的误差传播”，腐蚀，第48卷，no。6，第463-466页，1992。视图:出版商的网站|谷歌学者
30. L. A. Falcon, E. B. Bedolla, J. Lemus, C. Leon, I. Rosales，和J. G. Gonzalez-Rodriguez，“Mg-Al/TiC复合材料在NaCl溶液中的腐蚀行为，”国际腐蚀杂志《中华人民大学学报》2011年第4期，共7页。视图:出版商的网站|谷歌学者
31. K. V. Akpanyung和R. T. Loto，“点蚀腐蚀评价:综述”，物理学杂志:会议系列， vol. 1378，第022088条，2019。视图:出版商的网站|谷歌学者

betway赞助

betway赞助版权所有©2021 S. Narayanan et al。这是一篇开放获取的文章，在创作共用署名许可协议它允许在任何媒介上不受限制地使用、传播和复制，前提是正确地引用原始作品。