Résistance à la corrosion de nanopoudres de borures et carbures dans électrolytes nickel : influence de l'acidité, température et temps d'exposition

Résumé

Nous avons investigué le comportement de corrosion de nanopoudres de haute pureté (91,8–97,6 % phase principale, 32–78 nm taille moyenne) de borures et carbures de métaux des groupes IV–VIB, plus le carbure de silicium, dans des bains d'électrolyte nickel standards. La résistance à la corrosion était quantifiée en fonction du pH de l'électrolyte, température et durée d'exposition. Les résultats montrent que les nanopoudres de borures et carbures au sein de chaque groupe exhibent une résistance comparable, avec des périodes d'induction essentiellement infinies dans les milieux alcalins. Les nanopoudres de carbure de silicium, cependant, restent hautement résistantes à travers toutes les conditions acides testées.

Contexte

La performance des revêtements électrochimiques composites (REC) dépend de la stabilité à la corrosion de leurs poudres de renforcement. La dissolution indésirable des phases de durcissement (ex. borures) dans l'électrolyte peut compromettre l'intégrité du revêtement et limiter la sélection des matériaux. Les études antérieures ont souvent négligé la dissolution des poudres, menant à des affirmations trop optimistes sur le renforcement par dispersion dans les bains chromiques contenant du diborure de zirconium. Par conséquent, l'évaluation systématique de nanopoudres de composés réfractaires dans les électrolytes nickel est essentielle, surtout compte tenu de la rareté de données sur les borures et carbures nanostructurés. Ce travail se concentre sur la résistance à la corrosion de nanopoudres de borures et carbures de zirconium, titane, vanadium, chrome, molybdène et tungstène, ainsi que carbure de silicium, dans des bains nickel sous pH, température et temps d'exposition variables.

Méthodes

Les nanopoudres de borures et carbures étaient synthétisées via des voies plasmatochemicales et électrochimiques haute température ; les caractéristiques clés sont listées au Tableau 1. Les tests de corrosion employaient des formulations standards d'électrolyte nickel (voir Tableau 2). L'acidité de l'électrolyte était ajustée avec acide sulfurique concentré. La concentration de poudre était maintenue à 10 kg/m³. Avant test, les poudres subissaient un raffinage répété pour réduire les impuretés de graphite et bore à l'échelle nanométrique à 0,1–0,3 % (massique) et pour appliquer un stress thermique sous vide, prévenant ainsi l'agglomération. Les taux de dissolution étaient déterminés à partir de la perte de masse du résidu insoluble et des mesures de concentration ionique dans l'électrolyte utilisant une technique magnétométrique.

Résultats et discussion

Le comportement de corrosion des nanopoudres de borures et carbures est illustré en Figs. 1 et 2. Les deux groupes montrent une sensibilité similaire, principalement gouvernée par l'acidité de l'électrolyte. Dans les bains acides (pH = 2,0–3,0), une dissolution rapide se produit : après 3 h à 323 K, la dissolution de borure varie de 9,5 % à 15,6 % ; après 24 h, 31,0–38,2 % ; après 240 h, 75,1–89,9 %. Les carbures de type métallique affichent une résistance légèrement plus élevée, avec des niveaux de dissolution comparables atteints après 24, 120 et 360 h respectivement. L'élévation de température accélère constamment la corrosion, refléchissant des taux de réaction accrus entre les nanomatériaux et espèces acides.

Tous les nanomatériaux investigués ont expérimenté une augmentation prononcée de la surface spécifique pendant la dissolution — passant d'environ 2 000 m²/kg pré-traitement à ~10 000 m²/kg post-traitement — indiquant un mécanisme de dissolution en couches. Le carbure de silicium a maintenu de façon unique un degré de dissolution en dessous de 10 % à travers toute la gamme de pH et température étudiée.

La figure 3 présente les courbes de dissolution cinétique dérivées des changements de concentration ionique. Les périodes d'induction — définies comme le temps requis pour dissoudre 50 % de la masse initiale — étaient de 32–49 h pour borures et 68–88 h pour carbures à pH 2,5 ; 92–112 h et 138–167 h à pH 3,0 ; et effectivement infinies à pH 5,0. Comparé aux poudres à gros grains, le taux de dissolution des nanopoudres est 3–5 × plus élevé, soulignant un effet de taille prononcé.

En résumé, les nanopoudres de borure, carbure et carbure de silicium des métaux étudiés exhibent une résistance à la corrosion comparable dans les électrolytes nickel, largement dictée par l'acidité de l'électrolyte. Leurs taux de dissolution sont nettement plus élevés que les analogues à gros grains, une manifestation claire de l'effet à l'échelle nanométrique. Les nanopoudres de carbure de silicium restent exceptionnellement stables à travers presque toutes les valeurs de pH testées, les rendant appropriées pour une large gamme de procédés électrochimiques.

Conclusions

1. La résistance à la corrosion des nanopoudres de borure, carbure et carbure de silicium dans les électrolytes nickel dépend de l'acidité de l'électrolyte, température et durée d'exposition.
2. Dans les bains acides (pH = 2,0–3,0), les nanopoudres se dissolvent rapidement — atteignant 75–90 % après 240 h — et ce taux accélère avec la température.
3. Les nanopoudres de carbure de silicium montrent une stabilité exceptionnelle ; la dissolution n'excède jamais 12 % à travers pH 2,0–5,0 et températures 295–353 K.

Abréviations

REC

Revêtements électrochimiques composites