The optimal conditions for deposition of zinc-nickel alloys onto stainless steel discs in alkaline solutions have been examined. In the past cadmium has been used because it shows good corrosion protection, but other methods are being examined due to the high toxicity and environmental threats posed by its use. Zinc has been found to provide good corrosion resistance, but the corrosion resistance is greatly increased when alloyed with nickel. The concentration of nickel in the deposit has long been a debated issue, but for basic solutions a nickel concentration of 8-15% appears optimal. However, deposition of zinc-nickel alloys from acidic solutions has average nickel concentrations of 12-15%. Alkaline conditions give a more uniform deposition layer, or better metal distribution, thereby a better corrosion resistance. Although TEA (triethanolamine) is most commonly used to complex the metals in solution, in this work I examined TEA along with other complexing agents. Although alkaline solutions have been examined, most research has been done in pH ≥ 12 solutions. However, there has been some work performed in the pH 9.3-9.5 range. This work examines different ligands in a pH 9.3-9.4 range. Direct potential plating and pulse potential plating methods are examined for optimal platings. The deposits were examined and characterized by XRD.

The use of stainless steel alloys in reinforced concrete structures has shown great success in mitigating corrosion in even the most severe of exposures. However, the use of high-strength stainless steels (HSSSs) for corrosion mitigation in prestressed concrete (PSC) structures has received limited attention. To address these deficiencies in knowledge, an experimental study was conducted to investigate the feasibility of using HSSSs for corrosion mitigation in PSC. The study examined mechanical behavior, corrosion resistance, and techniques for the production of HSSS prestressing strands. Stainless steel grades 304, 316, 2101, 2205, 2304, and 17-7 along with a 1080 prestressing steel control were included in the study. Tensile strengths of 1250 to 1550 MPa (181 to 225 ksi) were achieved in the cold-drawn HSSSs. 1000 hr stress relaxation of all candidate HSSSs was predicted to be between 6 and 8 % based on the results of 200 hr tests conducted at 70 % of the ultimate tensile strength. Residual stresses due to the cold drawing had a significant influence on stress vs. strain behavior and stress relaxation. Electrochemical corrosion testing found that in solutions simulating alkaline concrete, all HSSSs showed exceptional corrosion resistance at chloride (Cl-) concentrations from zero to 0.25 M. However, when exposed to solutions simulating carbonated concrete, corrosion resistance was reduced and the only HSSSs with acceptable corrosion resistance were duplex grades 2205 and 2304, with 2205 resistant to corrosion initiation at Cl- concentrations up to 1.0 M (twice that in seawater). Based on these results, duplex grades 2205 and 2304 were identified as optimal HSSSs and were included in additional studies which found that: (1) 2304 is susceptible to corrosion when tested in a stranded geometry, (2) 2205 and 2304 are not susceptible to stress corrosion cracking, and (3) 2205 and 2304 are susceptible to hydrogen embrittlement. Efforts focused on the production of 2205 and 2304 prestressing strands showed that they could be produced as strands using existing ASTM A416 prestressing strand production facilities. Due to the ferromagnetic properties of 2205 and 2304, a low-relaxation heat treatment was found to be a viable option to reduce stress relaxation and improve mechanical properties. The overall conclusion of the study was that HSSSs, especially duplex grades 2205 and 2304, show excellent promise to mitigate corrosion if utilized as prestressing reinforcement in PSC structures exposed to severe marine environments.

Made available in DSpace on 2014-10-09T12:54:28Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2014-10-09T14:07:42Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Este trabalho tem como objetivo principal investigar o comportamento frente à corrosão de aços inoxidáveis avançados em meios fisiológicos. Foram selecionados para o estudo quatro aços inoxidáveis visando avaliar o potencial destes para aplicações em implantes cirúrgicos: um aço superferrítico (DIN W. Nr. 1.4575), a Incoloy MA 956, contendo alumínio e óxido de ítrio, um aço austenítico DIN W. Nr. 1.4970 e um aço superaustenítico obtido por meio da adição de 0,87% de nitrogênio ao aço dúplex DIN W. Nr. 1.4460. Os três primeiros aços contêm baixo teor de níquel e suas películas protetoras são ricas em cromo, enquanto a Incoloy MA 956 é isenta de níquel, e rica em alumínio, o que influencia o seu filme passivo. Os materiais foram analisados usando técnicas de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE), polarização potenciodinâmica, técnica do eletrodo vibrante, microscopia eletroquímica de varredura, microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo, microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura. Os meios escolhidos para avaliação da resistência à corrosão foram a solução de Hanks, um meio de cultura e uma solução tamponada com fosfato. Os resultados de EIE foram interpretados usando circuitos elétricos equivalentes que simularam uma camada passiva dúplex em todos os materiais analisados. Todos os materiais analisados apresentaram resistência à corrosão superior à do aço inoxidável AISI 316L, correspondente ao ASTM F-138, que é o mais utilizado na fabricação de implantes metálicos. Também foi destacada a importância do tratamento de solubilização nos aços com alto teor de nitrogênio. O DIN W. Nr. 1.4970 foi considerado citotóxico e sua potencialidade para uso como biomaterial, rejeitada. O DIN W. Nr. 1.4575 e Incoloy MA 956 podem ser usados como biomateriais, mas somente em próteses odontológicas ou de fácil remoção, devido ao seu comportamento ferromagnético. O DIN W. Nr. 1.4460 com 0,87% de nitrogênio foi o que apresentou as condições mais apropriadas para uso como biomaterial, inclusive para próteses ortopédicas. / Tese (Doutoramento) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/CNEN-SP

Aluminum (Al) and its alloys are widely used in various technological applications, mainly due to the excellent thermal conductivity, non-magnetic, ecofriendly, easy formability and good recyclability. However due to the inferior corrosion resistance its applications are hampered in various engineering sectors. Besides, the corrosion related failures such as leakage of gas from pipeline, catastrophic breakdown of bridges and fire accidents in processing plants further puts the human life in jeopardy. Within the United States over $ 400 billion dollars per year are spent over research to understand and prevent the corrosion related failures. Recently, the development of transition metal(TM) aluminides (AlxTMy, where, TM = Mo, W, Ta, Nb, Cr, Zr and V) has received the global attention mainly due to high strength at elevated temperatures, light-weight, excellent corrosion and wear resistance. In light of this, surface modification via laser surface alloying (LSA) is a promising engineering approach to mitigate the corrosion and wear problems. In the present study the attempts are made to study the Al-Mo, Al-W, Al-Nb, and Al-Ta systems as a potential corrosion resistant coatings on aluminum. The refractory metal (Mo, W, Nb, Ta) precursor deposit was spray coated separately on aluminum substrate and was subsequently surface alloyed using a continuous wave diode-pumped ytterbium laser at varying laser energy densities. Microstructural analysis was conducted using scanning electron microscopy and further X-ray diffractometry was carried out to evaluate the various phases evolved during laser surface alloying. Corrosion resistance of laser alloyed coatings were evaluated using open circuit potential, cyclic potentiodynamic polarization, electrochemical impedance spectroscopy measurements were performed in 0.6 M NaCl solution (pH:6.9±0.2, 23˚C). Open circuit potential measurements indicate the more stable (steady state) potential values over long periods after laser surface alloying. Cyclic polarization results indicated reduction in the corrosion current density, enhancement in the polarization resistance, and increase in coating/protective efficiency with increase in laser energy density compared to untreated aluminum. Electrochemical impedance spectroscopy measurements also indicated an increase in charge transfer resistance after laser surface alloying of refractory metals on aluminum. Additionally, first principle calculations of thermodynamic, electronic and elastic properties of intermetallics evolved during LSA were also thoroughly investigated to correlate the corrosion performance of intermetallic coatings with these properties. The present study indicates that novel Al-Mo, Al-W, Al-Nb, and Al-Ta intermetallics has a great potential for light weight structural applications with enhanced corrosion resistance.

In the oil and gas industry, high corrosion resistance and hardness are needed to extend the lifetime of the coatings due to exposure to high stress and salt environments. Electrodeposition has become a favorable technique in synthesizing coatings because of low cost, convenience, and the ability to work at low temperatures. Electrodeposition of metal matrix composites has become popular for enhanced corrosion resistance and hardness in the oil and gas industry because of the major problems that persist with corrosion. Two major alloys of copper-nickel, 90-10 and 70-30, were evaluated for microbial corrosion protection in marine environments on a stainless steel substrate. Copper and copper alloys are commonly used in marine environments to resist biofouling of materials by inhibiting microbial growth. Literature surveying the electrodeposition of Cu-Ni incorporated with nano- to micro- particles to produce metal matrix composites has been reviewed. Also, a novel flow cell design for the enhanced deposition of metal matrix composites was examined to obtain the optimal oriented structure of the layered silicates in the metal matrix. With the addition of montmorillonite into the Ni and Cu-Ni matrix, an increase in strength, adhesion, wear and fracture toughness of the coating occurs, which leads to an increase corrosion resistance and longevity of the coating. These coatings were evaluated for composition and corrosion using many different types of instrumental and electrochemical techniques. The overall corrosion resistance and mechanical properties were improved with the composite films in comparison to the pure metals, which proves to be advantageous for many economic sectors including the oil and gas industry.

M. Tech. (Department of Metallurgical Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology. / Pure Ti, Nb, Zr, Al and V powders were used as starting materials. Ti, Ti-6Al-4V and Ti-34Nb-25Zr materials produced by SPS were compared on the basis of density, microstructure, biocompatibility, tensile strength and corrosion resistance. In this study, powder metallurgy (PM) processing route was used to fabricate the alloys. The processing route was mechanical alloying (MA) and spark plasma sintering (SPS). Commercially pure metallic powders (Ti, Nb, Zr, V and Al) of different morphological features and different formulations were prepared. Powder mixing for ternary alloys with Ti as the matrix were conducted in a turbula mixer at a speed of 49 rpm. Followed by mechanical alloying of Ti, Ti-6Al-4V and Ti-34Nb-25Zr in a high energy ball mill for 5h at 500rpm, with a ball to powder ratio of 10:1. Spark plasma sintering of Ti, Ti-6Al-4V and Ti-34Nb-25Zr biomedical alloys was conducted using a hybrid spark plasma sintering furnace at a sintering temperature, heating rate, holding time and pressure of 1200°C, 100°C/min, 10min and 50MPa, respectively. Ti-34Nb-25Zr was fabricated in two ways, fully densified and porous samples. The fully densified sample was fabricated at a sintering temperature, heating rate and holding time and pressure of 1200°C, 100°C/min, 10min and 50MPa, respectively. Whereas, porous Ti-34Nb-25Zr was fabricated using NaCl space holder at a sintering temperature, heating rate, holding time and pressure of 750°C, 50°C/min, 5min and 50MPa, respectively. This was done to compare the solid and porous alloy biocompatibility behaviour. Microstructures, elemental compositions. Phase constitution of the sintered specimens were examined using a field emission scanning electron microscope (FE-SEM) equipped with energy dispersive x-ray spectrometer (EDS) and an x-ray diffractometer (XRD). The microstructure of Ti-34Nb-25Zr had pores and precipitates of niobium. Relative density, micro-hardness, biocompatibility and corrosion test was also conducted on the metallographically polished cross sections of sintered specimens. Ti, Ti-6Al-4V and Ti-34Nb-25Zr alloys made from the irregularly shaped Ti powders and sintered on the hybrid sintering machine yielded higher densifications reaching up to 100 % relative densities. Hardness values ranging from 300-600Hv at a load of 0.5kg. The corrosion resistance of the alloys was higher in the range of 2-4 nA/cm2 exhibiting a passive behaviour in simulated body fluids, such as Hank’s, 0.9wt.% NaCl and eagles minimum essential + 10% fetal bovine serum (E-MEM+ 10% FBS). Biocompatibility tests were conducted (cytotoxicity by WST-1 with SaOS-2 human osteosarcoma cells, protein adsorption and surface wettability). Fibronectin adsorption was less for solid Ti and Ti-34Nb-25Zr (<2ng/mm) compared to Ti-34Nb-25Zr porous and Ti-6Al-4V (4 ng/mm). Albumin adsorption was the highest on Ti substrate (3 ng/mm) than on the fully densified and porous Ti-34Nb-25Zr surfaces followed by less adsorption on Ti-6Al-4V. Surface wettability of Ti and Ti-6Al-4V showed a high contact angle of between 93-98° compared to 86° for the Ti-34Nb-25Zr solid alloy, indicating that Ti-34Nb-Zr alloys exhibited hydrophilic behaviour. The surface wettability results correlated well to less fibronectin adsorption on Ti-34Nb-25Zr solid alloy and excellent adsorption for Ti-6Al-4V. Solid and porous Ti-34Nb-25Zr showed less cell proliferation (0.06 and 0.02% cell viability) which was possibly linked to fibronectin adsorption results. Biocompatibility behaviour of Ti-34Nb-25Zr solid and porous alloys was poorer than Ti (0.20% cell viability) and Ti-6Al-4V (0.23% cell viability). There was poor protein adsorption and cell proliferation on all the alloy substrates.

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T14:30:57Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-06-22T14:30:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Claudinei Pracidelli (cpracide@ipen.br) on 2016-06-22T14:30:57Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2016-06-22T14:30:57Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os aços inoxidáveis ferríticos são naturalmente ferromagnéticos, o que impossibilita sua utilização em próteses ortopédicas. Apesar disso, em algumas aplicações específicas, faz-se necessário o uso de um biomaterial ferromagnético, como nas próteses odontológicas e faciais com conectores magnéticos. Este trabalho apresenta o estudo da resistência à corrosão e citotoxicidade do aço inoxidável ferrítico AISI 444, para avaliar seu potencial de uso como um biomaterial. O aço AISI 444 possui baixo teor de níquel, teores extrabaixos de intersticiais (C e N) e é estabilizado com Ti e Nb. Como materiais de referência foram utilizados o aço inoxidável austenítico ISO 5832-1 (ASTM F-138), por ser o biomaterial metálico mais empregado na fabricação de próteses ortopédicas, e uma base ferromagnética do sistema de fixação de próteses odontológicas, feita em aço inoxidável ferrítico (NeoM). O ensaio de citotoxicidade in vitro, pelo método de incorporação do corante vermelho neutro, revelou que o aço inoxidável AISI 444 não apresentou citotoxicidade. O comportamento frente à corrosão foi estudado por meio de curvas de polarização anódica potenciodinâmicas e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE). O meio de ensaio foi uma solução salina tamponada de fosfato (PBS), em condição naturalmente aerada e em fresta, a temperatura de 37 ºC. Para simular a condição de fresta dos ensaios eletroquímicos foi desenvolvido um novo equipamento. As propriedades eletrônicas do filme passivo foram avaliadas pela técnica de Mott-Schottky. Em meio aerado, os resultados de EIE indicaram que todos os materiais se mostraram passivos. As curvas de polarização indicaram que a resistência à corrosão por pite do aço AISI 444 foi equivalente à do aço ISO 5832-1, porém superior à do NeoM. Pelos diagramas de Mott-Schottky, conclui-se que o filme óxido no aço AISI 444 possui menor concentração de dopantes que o aço NeoM. Isto sugere que o aço AISI 444 apresenta maior resistência à transferência de carga através do filme passivo. Em condição de fresta, as polarizações indicaram taxas de corrosão baixas para ambos os aços, porém superiores para o aço ISO 5832-1, em comparação ao aço AISI 444. As micrografias das superfícies dos aços, após polarização, revelaram um maior ataque corrosivo no aço ISO 5832-1 do que no aço AISI 444. O aço NeoM apresentou composição química fora da especificação da norma. Os baixos teores de Cr e de Mo, além das altas concentrações de sulfetos, foram as prováveis causas da menor resistência à corrosão do NeoM, indicada pelos ensaios eletroquímicos. O equipamento proposto para avaliação da resistência à corrosão, em condição de fresta, mostrou boa reprodutibilidade de resultados. O aço inoxidável AISI 444 apresentou alta potencialidade para uso como biomaterial, especialmente na fabricação de componentes protéticos com fixação magnética. / Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/T / Instituto de Pesquisas Energeticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-17T16:32:32Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-17T16:32:32Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / Os aços inoxidáveis duplex são largamente utilizados na fabricação de equipamentos para a indústria de óleo e gás, utilizados tanto no ambiente onshore quanto offshore. Sua grande limitação é que, com o aumento de temperatura, ocorre precipitação de fases indesejáveis, que reduzem drasticamente a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas desses materiais. Considerando o efeito deletério da soldagem a fusão nos aços inoxidáveis duplex, a soldagem por atrito com pino não-consumível (FSW) é amplamente considerada como alternativa aos processos convencionais. Como no FSW a união dos materiais ocorre no estado sólido, muitos dos problemas de soldabilidade associados às técnicas tradicionais de soldagem por fusão são evitados. Neste trabalho, amostras retiradas da zona misturada (ZM), das zonas afetadas pelo calor (ZTA e ZTMA) e do metal de base (MB) de chapas de aço inoxidável lean duplex LDX 2404&reg (UNS S82441) soldadas por atrito com pino não-consumível foram caracterizadas microestruturalmente e tiveram sua resistência à corrosão avaliada por meio de ensaios eletroquímicos. Os resultados obtidos nos ensaios eletroquímicos indicaram que as zonas afetadas pelo calor e a ZM se mantiveram tão resistentes à corrosão localizada quanto o MB. Permitiram concluir também que a excelente resistência à corrosão da liga está associada ao teor elevado de N. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

Submitted by Pedro Silva Filho (pfsilva@ipen.br) on 2017-11-21T11:56:39Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-21T11:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / O processo de soldagem por fricção e mistura (FSW) tem despertado grande interesse nos últimos anos e tornou-se uma alternativa para unir materiais de baixa soldabilidade, como as ligas de alumínio das séries 2XXX e 7XXX, as quais são empregadas na estrutura das aeronaves, por possuírem elevada relação resistência/peso. O processo FSW, todavia, causa mudanças microestruturais nos materiais soldados, particularmente na zona misturada (ZM) e nas zonas termicamente (ZTA) ou termomecanicamente (ZTMA) afetadas. Estas mudanças geralmente interferem no desempenho frente à corrosão das ligas soldadas. No presente estudo, a resistência à corrosão das ligas de alumínio 2024-T3 e 7475-T761, unidas pelo processo FSW foi investigada em solução 10 mM de NaCl. Ensaios de visualização em gel ágar-ágar e de imersão associados a técnicas microscópicas foram realizados para investigar o efeito do acoplamento galvânico na corrosão das diferentes regiões da junta soldada. Os resultados do ensaio de visualização em gel mostraram que, quando acopladas, a liga 2024 atua como cátodo e a 7475 como ânodo. Os ensaios de imersão revelaram acoplamento galvânico entre as ligas na zona misturada (ZM). A região mais afetada pela corrosão foi a ZTMA da liga 7475, com corrosão intergranular desde as primeiras horas de imersão. A influência do processo de soldagem na resistência à corrosão das duas ligas de alumínio foi investigada por ensaios eletroquímicos. Os ensaios eletroquímicos adotados foram medidas de potencial de circuito aberto (PCA) em função do tempo de exposição ao meio corrosivo, espectroscopia de impedância eletroquímica (EIE) e curvas de polarização potenciodinâmica. Os ensaios de polarização mostraram elevada atividade eletroquímica na zona de mistura indicada pelos altos valores de densidade de corrente em comparação com as demais zonas testadas. Os resultados de EIE globais mostraram que nas primeiras horas de exposição ao eletrólito o processo de corrosão foi predominantemente controlado pela liga 7475; todavia, com o tempo de exposição ao eletrólito, a corrosão passou a ser controlada pela liga 2024. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP