Corrosion properties of CuAl9Mn2/ER 321 composites formed by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of novel materials based on copper alloys and stainless steel, as well as the determination of the optimal parameters for its processing make it possible to expand the area of its implementation, increase efficiency and service life of tools and constructions. The load-bearing parts of marine equipment (bearing constructions, piston cylinders, pumps, valves, gears, rotary instruments, etc.), made of austenitic steels or aluminum bronze, are in direct contact with sea water, so the problem of increasing its corrosion resistance in the presence of strong oxidizing agents (Cl–, F– anions) is relevant. One of the advanced and actively researched methods for producing copper/steel composites is additive manufacturing that allow fabricating complex parts through layer-by-layer growth. In particular, the synthesis of composites based on aluminum bronze and steel can be realized by wire-feed electron beam additive manufacturing. In order to implement composite materials produced via additive technologies in a humid (marine) climate, it is necessary to ensure not only high strength, but also corrosion properties. The purpose of this work is to study the corrosion resistance of composites, based on aluminum bronze CuAl9Mn2 and stainless steel ER 321 produced by dual-wire-feed electron beam additive manufacturing. Research methods. Examination of the surface of CuAl9Mn2/ER 321 composites before and after corrosion tests was carried out by methods of voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy using a potentiostat-galvanostat. Results and discussion. Using a complex of electrochemical methods, it is revealed that the developed composites with a volume fraction of steel ≥ 25% demonstrate a significant decrease in anodic current densities and a simultaneous increase in charge transfer resistance. Composites with a steel content of 75 vol. % are characterized by the highest corrosion properties in 3.5 wt. % NaCl solution, which is referred to a reduction in corrosion rate by 9.5 times compared to aluminum bronze. It is shown that the main processes occurring on the surface of the composites (CuAl9Mn2 + ER 321) are anodic oxidation of copper and iron, leading to the formation of corrosion products — Cu2O and FeCl2.

About the authors

V. O. Semin

Email: viktor.semin.tsk@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-0410-3667
Ph.D. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, viktor.semin.tsk@gmail.com

A. O. Panfilov

Email: alexpl@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0001-8648-0743
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, alexpl@ispms.ru

V. R. Utyaganova

Email: veronika_ru@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0002-2303-8015
Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, veronika_ru@ispms.ru

A. V. Vorontsov

Email: vav@ispms.ru
ORCID iD: 0000-0002-4334-7616
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vav@ispms.ru

A. P. Zykova

Email: zykovaap@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8779-3784
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Sciences SB RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, zykovaap@mail.ru

References

  1. Sliding wear behavior and electrochemical properties of binder jet additively manufactured 316SS /bronze composites in marine environment / L. Wang, A.K. Tieu, S. Lu, S. Jamali, G. Hai, Q. Zhu, H.H. Nguyen, S. Cui // Tribology International. – 2021. – Vol. 156. – P. 106810. – doi: 10.1016/j.triboint.2020.106810.
  2. Ateya B.G., Ashour E.A., Sayed S.M. Corrosion of α-Al bronze in saline water // Journal of the Electrochemical Society. – 1994. – Vol. 141 (1). – P. 71. – doi: 10.1149/1.2054712.
  3. Copper and copper alloys / ed. by J.R. Davis; prepared under the direction of the ASM International Handbook Committee. – Materials Park, OH: ASM International, 2001. – 869 p.
  4. Blau P.J. Investigation of the nature of micro-indentation hardness gradients below sliding contacts in five copper alloys worn against 52100 steel // Journal of Materials Science. – 1984. – Vol. 19. – P. 1957–1968. – doi: 10.1007/BF00550266.
  5. Unlubricated rolling-sliding wear mechanisms of complex aluminium bronze against steel / Z. Shi, Y. Sun, A. Bloyce, T. Bell // Wear. – 1996. – Vol. 193 (2). – P. 235–241. – doi: 10.1016/0043-1648(95)06773-6.
  6. Kwarciak J., Bojarski Z., Morawiec H. Phase transformation in martensite of Cu-12.4% Al // Journal of Materials Science. – 1986. – Vol. 21. – P. 788–792. – doi: 10.1007/BF01117355.
  7. Adorno A.T., Guerreiro M.R., Benedetti A.V. Isothermal aging kinetics in the Cu–19 at.%Al alloy // Journal of Alloys and Compounds. – 2001. – Vol. 315 (1–2). – P. 150–157. – doi: 10.1016/S0925-8388(00)01268-8.
  8. Formation of microstructure and mechanical characteristics in electron beam additive manufacturing of aluminum bronze with an in-situ adjustment of the heat input / A.P. Zykova, A.O. Panfilov, A.V. Chumaevskii, A.V. Vorontsov, S.Yu. Nikonov, E.N. Moskvichev, D.A. Gurianov, N.L. Savchenko, S.Yu. Tarasov, E.A. Kolubaev // Russian Physics Journal. – 2022. – Vol. 65. – P. 811–817. – doi: 10.1007/s11182-022-02701-6.
  9. Preparation, mechanical properties and wear behaviours of novel aluminum bronze for dies / W.S. Li, Z.P. Wang, Y. Lu, Y. Gao, J.L. Xu // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. – 2006. – Vol. 16 (3). – P. 607–612. – doi: 10.1016/S1003-6326(06)60107-6.
  10. Wire-arc additive manufacturing of nickel aluminum bronze/stainless steel hybrid parts – Interfacial characterization, prospects, and problems / C. Dharmendra, S. Shakerin, G.D. Janaki Ram, M. Mohammadi // Materialia. – 2020. – Vol. 13. – P. 100834. – doi: 10.1016/j.mtla.2020.100834.
  11. Metallurgical process analysis and microstructure characterization of the bonding interface of QAl9-4 aluminum bronze and 304 stainless steel composite materials / L. Dong, W. Chen, L. Hou, Y. Liu, Q. Luo // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 238. – P. 325–332. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.07.041.
  12. Specific aspects of the transitional layer forming in the aluminium bronze – stainless steel functionally graded structures after laser metal deposition / K. Makarenko, O. Dubinin, P. Shornikov, I. Shishkovsky // Procedia CIRP. – 2020. – Vol. 94. – P. 346–351. – doi: 10.1016/j.procir.2020.09.143.
  13. In-situ dispersion hardened aluminum bronze/steel composites prepared using a double wire electron beam additive manufacturing / A. Zykova, A. Panfilov, A. Chumaevskii, A. Vorontsov, E. Moskvichev, S. Nikonov, D. Gurianov, N. Savchenko, E. Kolubaev, S. Tarasov // Progress in Additive Manufacturing. – 2023. – Vol. 8. – P. 1067–1082. – doi: 10.1007/s40964-022-00378-4.
  14. Microstructures and phases in electron beam additively manufactured Ti-Al-Mo-Zr-V/CuAl9Mn2 alloy / A. Zykova, A. Nikolaeva, A. Panfilov, A. Vorontsov, A. Nikonenko, A. Dobrovolsky, A. Chumaevskii, D. Gurianov, A. Filippov, N. Semenchuk, N. Savchenko, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials. – 2023. – Vol. 16 (12). – P. 4279. – doi: 10.3390/ma16124279.
  15. Aluminum Bronze/Udimet 500 composites prepared by electron-beam additive double-wire-feed manufacturing / A. Zykova, A. Chumaevskii, A. Panfilov, A. Vorontsov, A. Nikolaeva, K. Osipovich, A. Gusarova, V. Chebodaeva, S. Nikonov, D. Gurianov, A. Filippov, A. Dobrovolsky, E. Kolubaev, S. Tarasov // Materials. – 2022. – Vol. 15 (18). – P. 6270. – doi: 10.3390/ma15186270.
  16. Электронно-лучевое аддитивное производство композиционного сплава из нержавеющей стали и алюминиевой бронзы: микроструктура и механические характеристики / А.П. Зыкова, А.О. Панфилов, А.В. Чумаевский, А.В. Воронцов, С.Ю. Тарасов // Известия высших учебных заведений. Черная Металлургия. – 2023. – Т. 66 (2). – С. 197–205. – doi: 10.17073/0368-0797-2023-2-197-205.
  17. The microstructure, phase composition and tensile properties of austenitic stainless steel in a wire-feed electron beam melting combined with ultrasonic vibration / A. Vorontsov, S. Astafurov, E. Melnikov, V. Moskvina, E. Kolubaev, E. Astafurova // Materials Science and Engineering: A. – 2021. – Vol. 820. – P. 141519. – doi: 10.1016/j.msea.2021.141519.
  18. Ravichandran R., Nanjundan S., Rajendran N. Effect of benzotriazole derivatives on the corrosion and dezincification of brass in neutral chloride solution // Journal of Applied Electrochemistry. – 2004. – Vol. 34. – P. 1171–1176. – doi: 10.1007/s10800-004-1702-4.
  19. Standard potentials in aqueous solution / ed. by A.J. Bard, R. Parsons, J. Jordan. – New York: CRC Press, 1985. – 366 p.
  20. Stern M., Geary A.L. Electrochemical polarization: I. A theoretical analysis of the shape of polarization curves // Journal of the Electrochemical Society. – 1957. – Vol. 104. – P. 33–63. – doi: 10.1149/1.2428496.
  21. Alaneme K.K., Odoni B.U. Mechanical properties, wear and corrosion behavior of copper matrix composites reinforced with steel machining chips // Engineering Science and Technology, an International Journal. – 2016. – Vol. 19 (3). – P. 1593–1599. – doi: 10.1016/j.jestch.2016.04.006.
  22. Electrochemical study of the corrosion behavior of bronze under acetic acid-containing thin electrolyte layers / Y. Yan, W. Hua, S. Zhong, L. Zhang, L. Dai, H. Zhou, L. Wu, L. Cai // Materials Research Express. – 2019. – Vol. 6. – P. 0965b7. – doi: 10.1088/2053-1591/ab1545.
  23. Corrosion behavior of heat-treated nickel-aluminum bronze alloy in artificial seawater / A.V. Takaloo, M.R. Daroonparvar, M.M. Atabaki, K. Mokhtar // Materials Sciences and Applications. – 2011. – Vol. 2. – P. 1542–1555. – doi: 10.4236/msa.2011.211207.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».