Los investigadores están utilizando nuevas técnicas experimentales como el procesamiento y extrusión asistidos por cizallamiento (ShAPE) y la soldadura por fricción y agitación para producir componentes metálicos que son más livianos, resistentes y precisos que nunca. Pero a medida que ingresamos a esas nuevas fronteras del trabajo de metales, es crucial comprender el rendimiento y las propiedades de los metales resultantes y los enlaces entre ellos.

La corrosión, un proceso por el cual los metales se degradan, puede plantear problemas graves con el tiempo, pero hasta ahora ha sido complicado visualizar y explicar exactamente cómo progresa la corrosión a través de un metal o una unión entre dos metales.

Ahora, investigadores del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) han desarrollado una nueva técnica para obtener una visión de alta resolución de cómo y por qué ocurre la corrosión. Su investigación se destacó en las ediciones de agosto de 2023 y octubre de 2023 de Scientific Reports. y en la edición de julio de 2022 de The Journal of Physical Chemistry.

El problema con 'cocinar y mirar' y otros métodos

"Uno de los principales desafíos cuando se trata de medir la corrosión es que se trata principalmente de 'cocinar y observar'", explicó Vineet Joshi, científico de materiales de PNNL. "Normalmente, los investigadores toman una muestra, la sumergen en el medio elegido y, después de un cierto período de tiempo, observan la corrosión, pero sólo después de que ya ha ocurrido. Luego, generan numerosas hipótesis para explicar la corrosión".

Este método tiene importantes desventajas. Solo medir en unos pocos intervalos de tiempo deja a los investigadores especular sobre cómo comenzó la corrosión y cómo se movió a través del metal, y retirar y reinsertar repetidamente la muestra puede llevar a resultados sesgados.

Otros métodos, como la técnica del electrodo vibratorio de barrido o la microscopía de celda electroquímica de barrido, implican sumergir la muestra y luego usar corriente para medir las propiedades electroquímicas dentro de las muestras, pero las anomalías de la superficie y otras irregularidades pueden interferir con los resultados.

Análisis de corrosión multimodal

En PNNL, los investigadores que trabajaban para comprender los resultados de procesos como la soldadura por fricción y agitación y ShAPE sabían que necesitaban desarrollar un mejor enfoque para monitorear la corrosión.

"Específicamente queríamos pasar de cocinar y observar y, en su lugar, observar sitios específicos de inicio de la corrosión para observar la corrosión en tiempo real", dijo Joshi. "Para abordar esto, creamos un novedoso sistema de análisis a macroescala llamado análisis de corrosión multimodal".

Mediante análisis de corrosión multimodal, los investigadores utilizan sensores, cámaras, electrodos y un tubo de recolección de hidrógeno para observar el progreso de la corrosión en atmósferas simples; comprender la naturaleza de las superficies mediante técnicas electroquímicas; e imágenes y recolección de gases de hidrógeno, que son un subproducto de la corrosión.

"Al combinar datos de estas modalidades simples y diversas en tiempo real, podemos abordar preguntas fundamentales sobre cómo se inicia y propaga la corrosión en los materiales", explicó Sridhar Niverty, científico de materiales del PNNL. "El aspecto de imágenes correlativas también nos informa sobre dónde investigar más a fondo nuestros materiales para saber por qué se corroen. La combinación sinérgica de estas técnicas produce mucha más información sobre el rendimiento de un material de lo que era posible hasta ahora".

Mirar las cosas desde una perspectiva macroescala proporcionó al equipo conocimientos únicos; sin embargo, el proceso de corrosión ocurre a una escala mucho más fina.

Microscopía de impedancia celular electroquímica de barrido

Entonces, para analizar la corrosión con aún más precisión, los científicos de PNNL desarrollaron una nueva técnica llamada microscopía de impedancia de celda electroquímica de barrido que ofrece resultados mucho más confiables y de alta resolución.

"En esta técnica, tenemos todo lo necesario para iniciar la corrosión en un tubo muy pequeño (o capilar tirado), incluido el electrolito, la referencia y el electrodo colector de corriente", afirmó Venkateshkumar Prabhakaran, ingeniero químico de PNNL.

"Al colocar la pequeña abertura de este capilar en la superficie, medimos propiedades electroquímicas localizadas y dependientes del tiempo sin recibir ninguna interferencia de las regiones cercanas. Eso nos ayuda a capturar puntos débiles y fuertes en la superficie propensos a la corrosión, que de otro modo se perderían cuando realizar mediciones a gran escala y formular estrategias de mitigación adecuadas."

Este nuevo enfoque se basa en una técnica anterior llamada microscopía celular electroquímica de barrido que surgió hace unos años. El equipo de PNNL evolucionó esa técnica con espectroscopía de impedancia electroquímica para medir la impedancia de baja frecuencia, que se correlaciona con la resistencia del metal y permite una visión microscópica de cómo cambia la resistencia con el tiempo.

"Agregar espectroscopia de impedancia a la técnica ha sido invaluable para comprender cómo cambia una superficie a través de una unión (o aleación) de metal al correlacionar las resistencias medidas con las características físicas del metal", dijo Lyndi Strange, química del PNNL. "Hemos validado nuestro método comparando las respuestas de impedancia masiva con las respuestas medidas mediante la nueva técnica, lo que muestra cómo ahora podemos aislar eventos de corrosión específicos en la superficie".

Aplicaciones para agitación por fricción y más

Este tipo de granularidad ofrece muchos beneficios en el mundo real, particularmente en PNNL, donde los investigadores están trabajando arduamente para producir y probar materiales livianos y uniones para aplicaciones de vehículos utilizando métodos novedosos como ShAPE y soldadura por fricción-agitación.

"Debido a sus capacidades únicas, la nueva técnica se está empleando para adquirir respuestas electroquímicas de diversas características microestructurales:granos, límites de granos, interfaces, segundas fases, precipitados, etc.", explicó Rajib Kalsar, científico de materiales del PNNL. "La obtención de propiedades electroquímicas individuales a nivel microscópico es beneficiosa para diseñar materiales estructurales altamente resistentes a la corrosión."

En el proceso de trazado por fricción y agitación, por ejemplo, se utiliza un pequeño dispositivo de corte para unir materiales con puntos de fusión drásticamente diferentes sin necesidad de sujetadores. Pero los investigadores necesitaban comprender cómo este nuevo método de unión afectaba la corrosión en la interfaz entre los dos metales; en un caso, una unión por fricción y agitación entre magnesio y acero, que es una unión crucial para producir vehículos livianos.

"Al emplear la técnica de escritura por fricción y agitación para juntas, observamos una tasa de corrosión ligeramente menor", dijo Joshi. "La disminución de las tasas de corrosión se puede atribuir a la aparición de vías específicas de alta resistencia en la interfaz durante el procesamiento. Estas vías condujeron a una reducción en la tasa de corrosión del magnesio".

"Estamos utilizando nuestra nueva técnica en este momento", añadió. "Si se comprenden muy bien estas interfaces de corrosión, se puede empezar a diseñar con precisión, en lugar de sobrediseñar o subdiseñar un componente".