Corrosion studies on Cu-based alloys

Abstract

Cu-based alloys are widely applied in corrosive environments. The improvement of the alloys' corrosion resistance will significantly reduce energy consumption and overexploitation of resources. To increase the resistance of copper as less corrosion resistant alloy component, nine imidazole-based compounds with different functional groups were tested as potential corrosion inhibitors. Imidazole derivatives were chosen as a potential inhibitor for copper alloys due to its diverse performance on pure Cu. Besides, CuZn alloys, CuZr crystalline and amorphous alloys, and their pure metals were tested to explore the correlations between inhibition, structure and atomic species. The determination of the performance of corrosion inhibitors on metals is a complex problem due to the mixed influence of surface condition, inhibitor-surface interaction and environmental conditions. For CuZn alloys, the a-Cu phase Cu70Zn30 alloy and non-a-Cu phase Cu30Zn70 alloy were tested. CuZr alloys are the basis of a family of metallic glasses with large glass forming ability and remarkable mechanical properties. The corrosion response of as-produced crystalline and amorphous CuxZr(100-x )alloys (x = 40, 50, 64 at. %) was tested. All alloys were immersed in 3 wt.% NaCl aqueous solution without and with 1mM inhibitor concentration. Potentiodynamic polarization measurements, electrochemical impedance spectroscopy and long-term immersion tests followed by microscopy analysis and Raman spectroscopic analysis were carried out. Comparative analysis of pure Cu and Cu70Zn30 alloy shows that the same inhibitors are effective in both alloys. A similar behavior is found with pure Zn and Cu30Zn70 alloy. However, the inhibition power shows a different value, which should be attributed to the healing effect. Defects present in most of the polished samples accelerate the pitting on these locations. The healing effect will lead to a patch on those positions, which will slow down the local attacks. All the tested CuZr amorphous alloys exhibit a much better corrosion resistance than their crystalline counterparts in the presence and absence of inhibitors. The main factor controlling the corrosion resistance of the alloys appears to be the Zr-rich (or at least equiatomic) amorphous structure, the effect of the inhibitors being secondary. Results therefore show a complex relationship between inhibitor performance, microstructure and composition of CuZr alloys. SH-ImiH-4Ph shows potential to become a global a-Cu phase alloy inhibitor and SH-BimH-5NH2 shows potential for Zn-based and CuZr alloys. Electrochemical measurements, especially long-term measurements, display a significant correlation to immersion tests. The conducted research offers some understanding on the corrosion mechanism and resistance after inhibitor application. Previous surface oxidation, defects on the surface, and inhibitor functional group are found to be the most significant factors that influence inhibition. The healing effect is also responsible for the improved efficiency of some inhibitors.

Els aliatges de coure es fan servir freqüentment en entorns corrosius. La millora de la resistència a la corrosió reduiria notablement el consum d’energia i la sobreexplotació de recursos naturals. Nou derivats de l’imidazol amb diferents grups funcionals ha estat analitzats com a potencials inhibidors de la corrosió, per tal d’augmentar la resistència a la corrosió del Cu. S’escolliren derivats de l’imidazol a la vista de la seva resposta diferent com a inhibidors de la corrosió en Cu pur. Aquest inhibidors han estat aplicats sobre els metalls purs i sobre aliatges CuZn i CuZr cristal·lines i amorfes, per tal d’explorar les correlacions entre inhibició, estructura i espècies atòmiques. La determinació de l’eficiència d’inhibició en metalls és un problema complex a causa de la influència creuada entre les condicions a la superfície, la interacció inhibidor-superfície i les condicions ambientals. En aliatges CuZn s'han estudiat les composicions Cu70Zn30 (fase a-Cu) i Cu30Zn70 (fase no-a-Cu). Els aliatges CuZr són la base d'una família de vidres metàl·lics amb gran capacitat d’amortització i excel·lents propietats mecàniques. S'ha determinat la resistència a la corrosió d'aliatges cristal·lins i amorfs de composició CuxZr (100-x) (x = 40, 50, 64 at.%). Tots els aliatges van ser analitzades en dissolució aquosa contenint un 3% de NaCl en pes, sense i amb una concentració de 1mM de l'inhibidor. S'han efectuat mesures dinàmiques de polarització, espectroscòpia d'impedància electroquímica i immersió durant períodes prolongats seguida de microscòpia i espectroscòpia Raman. L'anàlisi comparativa mostra que els inhibidors efectius en Cu pur ho són també en Cu70Zn30. Un comportament similar apareix entre Zn i Cu30Zn70. No obstant això, el poder d'inhibició mostra un valor molt diferent, que s'atribueix a l'efecte de "cicatrització". Els defectes presents en la majoria de les mostres acceleren la corrosió localitzada (pitting) en aquests punts. L'efecte de cicatrització produeix "pegats" en les mateixes posicions, el que redueix la velocitat de l'atac localment. Els aliatges CuZr cristal·lins mostren una resistència a la corrosió molt més alta que els aliatges cristal·lins amb la mateixa composició, originalment i en presència d'inhibidors. El principal factor que controla la resistència a la corrosió dels aliatges és l'alta concentració de Zr (al menys equiatòmica) en l'estructura amorfa; l'efecte dels inhibidors resulta ser secundari. Els resultats mostren una relació complexa entre l'eficiència de l'inhibidor, la microestructura i la composició dels aliatges CuZr. SH-ImiH-4Ph mostra potencial per inhibir la corrosió en aliatges on la fase dominant és a-Cu, mentre que SH-BimH-5NH2 mostra potencial com a inhibidor en aliatges on el Zn és majoritari i en aliatges CuZr. Les mesures electroquímiques, especialment de llarga durada, mostren una bona correlació amb les anàlisis d'immersió. La recerca realitzada ofereix elements de comprensió del mecanisme de corrosió en presència d'inhibidors. L'oxidació pre-existent de la superfície, els defectes en la superfície i el grup funcional de l'inhibidor són els factors dominants en l'efectivitat dels inhibidors. L'efecte de cicatrització afecta també notablement el rendiment d'alguns inhibidors.