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Investigation of a single pit generated with a flow microcell

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Academic year: 2021

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HAL Id: cea-02506808

https://hal-cea.archives-ouvertes.fr/cea-02506808 Submitted on 12 Mar 2020

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Investigation of a single pit generated with a flow microcell

S. Heurtault, R. Robin, F. Rouillard, V. Vivier

To cite this version:

S. Heurtault, R. Robin, F. Rouillard, V. Vivier. Investigation of a single pit generated with a flow microcell. EMCR-2015 - 11th International Symposium on Electrochemical Methods in Corrosion Research, May 2015, Troia, Portugal. �cea-02506808�

(2)

INVESTIGATION  OF  A  SINGLE  PIT  

GENERATED  WITH  A  FLOW  MICROCELL

Stéphane  Heurtault,  Raphaël  Robin,  Fabien  Rouillard,  Vincent  Vivier

 

     

LISE-­‐CNRS-­‐UMR  8235,  Université  Pierre  et  Marie  Curie,  Paris,  France  

LECNA  –  CEA,  DEN,  DPC,  SCCME,    Gif-­‐sur-­‐YveMe,  France    

 

(3)

-0.0002 0 0.0002 0.0004 0.0006 0.0008 0.001 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 E vs MSE / V I / A 1 mV /s

In

tr

od

u

c)

on

316L  stainless  steel     0.5  M  H2SO4    +  0.6  M    NaCl  

 

-­‐  Lead-­‐in-­‐pencil  technique  

E.D.  Parsons  and  al.,  J.  Phys.  Chem.  45  (1941)  1339  

-­‐  Single  pit  with  SECM-­‐like  techniques  

 

 

Wipf  et  al.  (SECM  –  trichloroacetate  reduc_on)    Fushimi  and  Seo  (Ion  gun  –  Ag/AgCl)  

 Portail  et  al.  (Ion  gun  –  Ag/AgCl  +  EQCM)  

 

-­‐  Pit  propaga_on  for  long  _me  

Lead-­‐in  pencil  technique  

Flow  microcell  

How  can  we  generate  a  single  pit  ?  

Stainless  steel  in  a  chloride  environment  

(4)

!

Ex

p

er

ime

n

ta

l  s

et

u

p

ΦExt :  500  mm   Φint  :  35  µm   Fow-­‐rate:  0.5  to  1000  μL/h  

Flow  microcell  descrip_on  

(5)

Ex

p

er

ime

n

ta

l  s

et

u

p

Capillary  posi_oning  

N.  Aouina,  F.  Balbauld-­‐Célérier,  F.  Huet,  S.  Joiret,  H.  Perrot,  F.  Rouillard,  V.  Vivier,  Corr.  Sci.,  62  (2012)  1-­‐4.  

Measure  of  the  electrolyte  resistance   varia_on  due  to  the  presence  of  the  

capillary  in  the  close  vicinity  of  the   stainless  steel  electrode  

Pit  ini_a_on  and  propaga_on  

Release  of  chloride  ion  with  a  capillary   (controlled  flow  rate)  –  measure  of   current  (or  poten_al)  as  a  func_on  of  

_me  

propaga_on  

phase  1   propaga_on  phase  2   induc_on  

(6)

Re

p

ro

d

u

ci

b

ili

ty

7  iden_cal  experiments  performed  in  0.5  mol/L  H2SO4  at  20°C   Flow  rate  :  5.4  μL/h     [Cl-­‐]  =  3  mol/L   E316L  =  0  V/MSE   0 10 20 30 40 50 60 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

I

316L

/ m

A

Time / min

!

(7)

In

flu

en

ce  of  t

h

e  elect

rod

e  p

ot

en

)

al

-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -100 -50 0 50 100 150 200 I 316L ( µ A ) E 316L (V/MSE) 0 1 2 3 4 5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 I 31 6 L / m A Time / h SE M   ob se rv a_ on s   ao er  1  h ou r  

E/I  curve  in  0.5  mol/L  H2SO4  solu_on    

(8)

In

flu

en

ce  of  t

h

e  elect

rod

e  p

ot

en

)

al

0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 0.3 V/MSE 0.5 V/MSE 0.4 V/MSE 0.2 V/MSE 0.1 V/MSE 0 V/MSE -0.2 V/MSE I 316L / m A Time / min -0.4 V/MSE 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 0 1 2 3 4 0 V/MSE I 316L / m A Time / h 0.4 V/MSE 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0 1 2 3 4 0.4 V/MSE I 316L / m A Time / h 0 V/MSE Experiments  performed  in  0.5  M  H2SO4  at  20°C  

Flow  rate  :  5.4  μL/h     [Cl-­‐]  =  3  M  

Ÿ  The  current  increases  with  poten_al  

(9)

In

flu

en

ce  of  t

h

e  flo

w  r

at

e

Experiments  performed  in  0.5  M  H2SO4  at  20°C   [Cl-­‐]  =  3  M  

Ÿ  The  “steady-­‐state”  current  increases  with  the  flow  rate   Ÿ  The  induc_on  _me  decreases  with  the  flow  rate  

Ÿ  Same  evolu_on  when  varying  the  Cl-­‐  concentra_on  

0 10 20 30 40 50 60 70 0 1 2 3 4 5 I 316L / m A Temps / min 0 10 20 30 40 50 60 0 1 2 3 4 5 6 0.3 V/MSE 0.5 V/MSE 0.4 V/MSE 0.2 V/MSE 0.1 V/MSE 0 V/MSE -0.2 V/MSE I 316L / m A Time / min -0.4 V/MSE

SEM  observa_ons  of  a  single  pit   generated  on  316L  steel    aoer  1  hour  of  propaga_on  

(10)

In

flu

en

ce  of  t

h

e  flo

w  r

at

e

Experiments  performed  in  0.5  M  H2SO4  at  20°C   [Cl-­‐]  =  3  M   0 1 2 3 4 5 6 7 8 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 I 316L / mA Temps / h 6 4.2 3 1,8 1,2 0,6 0 Débit Cl- / µL.h-1

It’s  possible  to  control  the  rate  of  the  pitng  by  changing  the  flow  rate  

à 

it’s  a  way  to  see  the  influence  of  the  amount  of  chloride  concentra_on  

varia_on  on  the  pitng  evolu_on    

à 

pit  can  restart  aoer  passiva_on  

(11)

In

flu

en

ce  of  t

h

e  ch

lorid

e  c

on

cen

tr

a)

on

Experiments  performed  in  0.5  M  H2SO4  at  20°C   [Cl-­‐]  =  1.2  M  

20  iden_cal  experiments   performed  as  a  func_on  of  _me  

0 2 4 6 8 10 12 14 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 I 316L / m A Time / h

3h  

11h30  

For  lower  chloride  concentra_on  (<1.5  mol/L  )   forma_on  of  a  pit  with  a  cover  whereas  for  higher   concentra_on,  an  open  pit  was  always  obtained  

(12)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

Experiments  performed  in  0.5  M  H2SO4  at  20°C  with  [Cl-­‐]  =  3  M  

Depth  and  diameter  were  obtained  from  op_cal  observa_ons:  aoer  1  h,  the  mean  radius   increases  with  poten_al  whereas  the  depth  remains  constant  (about  180  μm)  

  -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 300 450 600 750 900 1050 1200 R ad ius (µ m ) E 316L (V/MSE) 50 100 150 200 250 300 D ep th (µ m ) Aoer  1  h  

(13)

0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 500 600 700 800 900 1000 Ra di u s / µm

Flow Rate * [Cl-] / mmol.min-1

150 200 250 300 350 De pt h / µm

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

Flow  rate  and  concentra_on  play  the  same  role  on  pit  propaga_on  

Depth  and  diameter  were  obtained  from  op_cal  observa_ons:  aoer  2  h,  the  mean  radius   increases  with  poten_al  whereas  the  depth  remains  constant  (about  270  μm)  

 

(14)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 400

With pit cover

0 V/MSE 0 V/MSE 0.2 V/MSE 0.4 V/MSE t < 1h : 0 V/MSE t > 1h : 0.4 V/MSE Mean depth D ep th / µ m Time / h Applied potential

Without pit cover

Influence  of  both  the  dura_on  and  poten_al:  each  point  

corresponds  to  one  experiment  

(15)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

Influence  of  both  the  dura_on  and  poten_al:  each  point  

corresponds  to  one  experiment  

   

Change  in  poten_al  modify  the  pit  radius  

0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Applied potential 0 V/MSE 0.4 V/MSE t < 1h : 0 V/MSE t > 1h : 0.4 V/MSE Ra di us / µm Time / h

(16)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 100 200 300 400 500 600 1.2 M NaCl 3 M NaCl D ep th / µ m Time / h Cl- microcapillary concentration 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 200 400 600 800 1000 1200 3 M NaCl 1.2 M NaCl Cl- microcapillary concentration R ad ius / µ m Time / h

For  3  M  NaCl  solu_on  

p

= 126 +1.57 i t − 2700

0.54

for t > 45 min

r

= 250 + 26.36 i t −180

0.34

for t > 3 min

p

= 111+1.93i t − 2700

0.53

for t > 45 min

r

= 130 + 4.20 i t −180

0.53

for t > 3 min

For  1.2  M  NaCl  solu_on  

Fitng  of  the  experimental  results  

   

(17)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

Analysis  of  the  radius  and  depth  evolu_ons  

   

OpDcal  measurement  of  pit  

parameters  

fit  

Time  deriva_ve  

Law  p=f(t)  

Law  dp/dt=g(t)  

current  

J  =  ρnF/M  dp/dt  

bulk  

316L  SS  

j

wall  

j

boMom  

We  can  dis_nguish  two  contribu_on  

for  the  current  density  

(18)

Ev

o

lu

)

o

n

 o

f  

th

e  

p

it

 d

ime

n

si

o

n

0 1 2 3 4 5 0 100 200 300 0 V/MSE 0.4 V/MSE t < 1h : 0 V/MSE t > 1h : 0.4 V/MSE Applied potential J pi t w al ls / m A .cm -2 Time / h 0 1 2 3 4 5 0 50 100 150 200 J pi t bot tom / m A .cm -2 Time / h 0 V/MSE 0.4 V/MSE t < 1 h : 0V/MSE t > 1 h : 0.4 V/MSE Applied potential

Change  in  poten_al  (1h)  does  not  modifies   the  current  density  on  the  pit  boMom  

Evolu_on  of  the  pit  depth  as  √t    

à  Diffusion  control  of  pit  propaga_on  along   the  z-­‐direc_on  

Change  in  poten_al  (1h)  modifies  the   current  density  on  the  pit  wall  

   

à  Ohmic  control  of  the  pit  

propaga_on  along  the  radial  direc_on  

pit  wall  

(19)

Pr

o

pag

a)o

n  /

 re

p

as

si

va

)

o

n

Chronoamperometry  experiments:     the  microcapillary  was  removed  aoer  2   hours  or  3  hours  and  the  solu_on  bulk  was  

changed.  

(20)

Con

cl

u

si

on

s

-­‐  P

OSSIBILITY

 

TO

 

GENERATE

 

A

 

SINGLE

 

PIT

 

AT

 

A

 

GIVEN

 

LOCATION

 

AND

 

TO

 

SUSTAIN

 

ITS

 

PROPAGATION

 

FOR

 

LONG

 

TIME

 

-­‐  E

VOLUTION

 

OF

 

THE

 

PIT

 

DIMENSIONS

 

AS

 

A

 

FUNCTION

 

OF

 

DIFFERENT

 

PARAMETERS

 (

CHLORIDE

 

CONCENTRATION

,  

ELECTRODE

 

POTENTIAL

,  

TIME

…)  

-­‐  2  

DIFFERENT

 

RATES

 

OF

 

PIT

 

PROPAGATION

 

WERE

 

EVIDENCED

:  1  

FOR

 

PIT

 

BOTTOM

 

AND

 1  

FOR

 

PIT

 

WALL

 

(21)

A

ck

n

o

w

le

d

ge

me

n

ts

Thank  you  for  your  aMen_on

S.  Heurtault,  R.  Robin,  F.  Rouillard,  V.  Vivier

 

     

LISE-­‐CNRS-­‐UMR  8235,  Université  Pierre  et  Marie  Curie,  Paris,  France  

LECNA  –  CEA,  DEN,  DPC,  SCCME,    Gif-­‐sur-­‐YveMe,  France    

 

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