Compreender a corrosão para permitir metais de próxima geração

O novo método de monitoramento de corrosão do PNNL oferece maior resolução e melhor confiabilidade. Crédito:Melanie Hess-Robinson | Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

Os pesquisadores estão usando técnicas novas e experimentais, como Processamento e Extrusão Assistidos por Cisalhamento (ShAPE) e soldagem por fricção para produzir componentes metálicos que são mais leves, mais fortes e mais precisos do que nunca. Mas à medida que entramos nessas novas fronteiras da metalurgia, é crucial compreender o desempenho e as propriedades dos metais resultantes e as ligações entre eles.

A corrosão – um processo pelo qual os metais se degradam – pode representar sérios problemas ao longo do tempo, mas até agora tem sido difícil visualizar e explicar exatamente como a corrosão progride através de um metal ou de uma ligação entre dois metais.

Agora, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) desenvolveram uma nova técnica para obter uma visão em alta resolução de como – e por que – a corrosão acontece. A pesquisa deles foi destacada nas edições de agosto de 2023 e outubro de 2023 da Scientific Reports e na edição de julho de 2022 do The Journal of Physical Chemistry.

O problema com 'cook-and-look' e outros métodos

"Um dos principais desafios quando se trata de medir a corrosão é que ela é principalmente 'cozinhar e observar'", explicou Vineet Joshi, cientista de materiais do PNNL. "Normalmente, os pesquisadores pegam uma amostra, mergulham-na no meio escolhido e, após um certo período de tempo, observam a corrosão - mas somente depois que ela ocorreu. Então, eles geram inúmeras hipóteses para explicar a corrosão."

Este método tem grandes desvantagens. Medir apenas em alguns intervalos de tempo deixa os pesquisadores especulando sobre como a corrosão começou e se moveu através do metal – e remover e reinserir repetidamente a amostra pode levar a resultados distorcidos.

Outros métodos, como a técnica de varredura do eletrodo vibratório ou a microscopia de varredura de células eletroquímicas, envolvem a imersão da amostra e o uso de corrente para medir as propriedades eletroquímicas dentro das amostras - mas anormalidades superficiais e outras irregularidades podem interferir nos resultados.

Análise de corrosão multimodal

No PNNL, os pesquisadores que trabalham para compreender os resultados de processos como soldagem por fricção e mistura e ShAPE sabiam que precisavam desenvolver uma abordagem melhor para monitorar a corrosão.

“Queríamos especificamente fazer a transição de cozinhar e observar e, em vez disso, observar locais específicos de início de corrosão para observar a corrosão em tempo real”, disse Joshi. "Para resolver isso, criamos um novo sistema de análise em macroescala chamado análise de corrosão multimodal."

Por meio da análise de corrosão multimodal, os pesquisadores utilizam sensores, câmeras, eletrodos e um tubo coletor de hidrogênio para observar o progresso da corrosão em atmosferas simples; compreender a natureza das superfícies através de técnicas eletroquímicas; e criar imagens e coletar gases de hidrogênio, que são um subproduto da corrosão.

“Ao combinar dados dessas modalidades simples e diversas em tempo real, podemos abordar questões fundamentais sobre como a corrosão se inicia e se propaga nos materiais”, explicou Sridhar Niverty, cientista de materiais do PNNL. "O aspecto da imagem correlativa também nos informa sobre onde investigar mais detalhadamente nossos materiais para saber por que eles corroem. A combinação sinérgica dessas técnicas produz significativamente mais informações sobre o desempenho de um material do que era possível até agora."

Olhar as coisas da perspectiva da macroescala proporcionou à equipe insights únicos; entretanto, o processo de corrosão ocorre em uma escala muito mais fina.

Microscopia de varredura por impedância de células eletroquímicas

Assim, para analisar a corrosão com ainda mais precisão, os cientistas do PNNL desenvolveram uma nova técnica chamada microscopia de varredura de impedância de células eletroquímicas, que oferece resultados muito mais confiáveis e de alta resolução.

"Nesta técnica, temos tudo o que é necessário para iniciar a corrosão em um tubo muito pequeno - ou capilar puxado - incluindo o eletrólito, a referência e o eletrodo coletor de corrente", disse Venkateshkumar Prabhakaran, engenheiro químico do PNNL.

"Ao pousar a pequena abertura deste capilar na superfície, medimos propriedades eletroquímicas localizadas e dependentes do tempo sem obter qualquer interferência de regiões próximas. Isso nos ajuda a capturar pontos fracos e fortes na superfície propensos à corrosão, que de outra forma seriam perdidos quando fazendo a medição em grande escala e formulando estratégias de mitigação adequadas."

Esta nova abordagem baseia-se em uma técnica anterior chamada microscopia de varredura eletroquímica de células, que surgiu há alguns anos. A equipe do PNNL desenvolveu essa técnica com espectroscopia de impedância eletroquímica para medir a impedância de baixa frequência, que se correlaciona com a resistência do metal e permite uma visão microscópica de como a resistência muda ao longo do tempo.

"Adicionar espectroscopia de impedância à técnica tem sido inestimável para entender como uma superfície muda através da junta metálica (ou liga), correlacionando as resistências medidas com as características físicas do metal", disse Lyndi Strange, química do PNNL. "Validamos nosso método comparando as respostas de impedância em massa com as respostas medidas por meio da nova técnica, que mostra como podemos agora isolar eventos específicos de corrosão na superfície."

Aplicativos para agitação por fricção e muito mais

Há muitos benefícios reais nesse tipo de granularidade, especialmente no PNNL, onde os pesquisadores estão trabalhando duro para produzir e testar materiais e juntas leves para aplicações em veículos usando métodos novos como ShAPE e soldagem por fricção.

"Devido às suas capacidades únicas, a nova técnica está sendo empregada para adquirir respostas eletroquímicas de várias características microestruturais:grãos, limites de grãos, interfaces, segundas fases, precipitados e assim por diante", explicou Rajib Kalsar, cientista de materiais do PNNL. "A obtenção de propriedades eletroquímicas individuais em nível microscópico é benéfica para o projeto de materiais estruturais com alta resistência à corrosão."

No processo de fricção e agitação, por exemplo, um pequeno dispositivo de corte é usado para unir materiais com pontos de fusão drasticamente diferentes, sem a necessidade de fixadores. Mas os investigadores precisavam de compreender como este novo método de união afetava a corrosão na interface entre os dois metais – num caso, uma ligação por fricção entre o magnésio e o aço, que é uma ligação crucial para a produção de veículos leves.

"Ao empregar a técnica de fricção e agitação para juntas, observamos uma taxa de corrosão ligeiramente menor", disse Joshi. "O declínio nas taxas de corrosão pode ser atribuído ao surgimento de vias específicas de alta resistência na interface durante o processamento. Essas vias levaram a uma redução na taxa de corrosão do magnésio."

“Estamos usando nossa nova técnica a torto e a direito agora”, acrescentou. "Se você entende muito bem essas interfaces para corrosão, pode começar a projetar com precisão, em vez de projetar demais ou subprojetar um componente."

Mais informações: Sridhar Niverty et al, Sondagem de corrosão usando um sistema de medição de corrosão multimodal in situ simples e versátil, Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-42249-0
Venkateshkumar Prabhakaran et al, Investigando a corrosão eletroquímica na interface da junta liga-aço de Mg usando microscopia de impedância de célula eletroquímica de varredura (SECCIM), Relatórios Científicos (2023). DOI:10.1038/s41598-023-39961-2

Venkateshkumar Prabhakaran et al, Understanding Localized Corrosion on Metal Surfaces Using Scanning Electrochemical Cell Impedance Microscopy (SECCIM), The Journal of Physical Chemistry C (2022). DOI:10.1021/acs.jpcc.2c03807

Fornecido pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico

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