Oberflächenpotentialverteilungen durch galvanostatische 3-D-Rastermessungen

Reckers, Stephan; Beiss, Paul

doi:580

Oberflächenpotentialverteilungen durch galvanostatische 3-D-Rastermessungen

Reckers, Stephan (Author)

2002 & 2003

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Stephan Reckers

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangV, 143 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Prüfungsjahr: 2002. - Publikationsjahr: 2003

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beiss, Paul (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-06-26

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-5808
DOI: 10.18154/RWTH-CONV-120617
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/58782/files/58782.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; elektrochemische Zelle (frei) ; wässrige Korrosion (frei) ; Rastersondenmessung (frei) ; Lasertriangulationssensoren (frei) ; Topographie (frei) ; Potential-Abstand-Kurve (frei) ; lokale Auflösung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die Zielsetzung der vorliegenden Arbeit ist die Messung elektrochemischer Potentialverläufe an technischen Oberflächen mit makroskopisch dreidimensionaler Topographie, wie sie unter Einsatzbedingungen vorliegen. Dabei ist die Haupteinflussgröße auf das Potential der Messabstand zwischen Sonde und Oberfläche, der an allen Messpunkten gleich sein soll. Ein Literaturüberblick zeigt, dass bei berührungsloser Abstandskontrolle mit Ausnahme der SVET-Messtechnik nur Methoden zur Verfügung stehen, die an zweidimensionalen Proben operieren. Für solche Messungen ist eine Probenpräparation nötig, die die Oberfläche verändert und den Potentialmesswert beeinflusst. Das hier vorgestellte Rastermessverfahren SCAn (Scanning Corrosion Analysis) erlaubt die Aufnahme von Potentialverteilungen an verformten Oberflächen mit konstantem Messabstand. Es läuft in zwei Messschritten ab: Zuerst wird die Topographie der Untersuchungsfläche opto-elektronisch aufgenommen. Die so ermittelten Daten dienen im nachfolgenden elektrochemischen Potentialmessvorgang zur Abstandskontrolle der Kapillarmesssonde während der Rasterung der Oberfläche. Die getrennten Messschritte erfordern eine Relokalisierung von Oberflächendatensatz und Potentialmessfeld, die die Auflösung von Oberflächendefekten und -veränderungen begrenzt. Parameterstudien an ebenen Kupferproben dienten der Ermittlung der Haupteinflussgrößen auf eine galvanostatische Potentialmessung. Dabei konnten die Auswirkung des Messabstandes in Zusammenhang mit der Kapillargeometrie und der Einfluss des Polarisationsstromes der Messzelle auf Potentialverläufe demonstriert werden. Diese werden zusätzlich durch mikrogeometrische Oberflächenveränderungen wie z.B. an Schweißnähten gestört. 3D-Messungen wurden an Schweißverbindungen von Schiffsbaustählen durchgeführt. Dafür wurde ein Messplatz aufgebaut, der aus einem galvanostatisch betriebenen Messzellen-Steuergerät mit zugehöriger Software, einer dreiaxialen Positioniereinheit, der elektrochemischen Messzelle, einem Lasermesssystem und einem Computer besteht. Der Computer übernimmt die Messplatzsteuerung und die Datenverarbeitung, wozu ein Softwarepaket in der grafischen Programmiersprache LABView entwickelt wurde. Die modulare Struktur der Messplatzsoftware ermöglicht problemlos die Erweiterung des Programms durch neue Funktionen und damit einen Ausbau des Messplatzes für weitere elektrochemische Messverfahren. Die Ergebnisse der Schweißnahtuntersuchungen erlauben eine Abschätzung, ob die Korrosionsneigung derartiger Bauteilbereiche stärker von Gefügeveränderungen wie z.B. in WEZ oder von der chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe beeinflusst ist. Darüber hinaus zeigt ein Vergleich der Ergebnisse mit den Auswertungen der Parameterstudien an 2D-Kupferproben, dass die Abhängigkeit der Potentialverteilungen vom Arbeitsabstand auf die realen Verhältnisse von technischen Oberflächen übertragbar ist. Eine verbesserte Ausstattung des SCAn-Messplatzes kann eine höhere Stabilität der elektronischen Geräte und eine größere Wiederholgenauigkeit der mechanischen Verfahreinrichtung gewährleisten. Insbesondere liegt das Entwicklungspotential des SCAn-Verfahrens in der mikromechanischen Herstellung von Kapillarspitzen, die in anderen Messmethoden eingesetzt werden und zusammen mit der hohen Präzision von Linearführungen eine hohe Auflösung an dreidimensionalen Oberflächen erwarten lassen. Ein Vorteil des Messprinzips und des zugehörigen Messplatzaufbaus liegt in dem Ablauf des Verfahrens in zwei Schritten. Durch die zeitliche, räumliche und gerätetechnische Entkoppelung der Topographie- von der Messwertaufnahme für Potentialverteilungen ist es möglich, auch etablierte Sondenmesstechniken wie die Rasterkelvinsonde (SKP) oder die Raster-Bezugselektroden-Technik (SRET) in dem zweiten Verfahrensschritt zu installieren. Durch den modularen Aufbau kann die Messplatz-Software problemlos an eine veränderte Ausstattung angepasst werden. Eine 3D-SKP- oder 3D-SRET-Messung ist somit möglich.

Objective of the present work is the measurement of electrochemical potential data on real surfaces in their state under operating conditions. During such a potential measurement a constant distance between the probe and the surface is the main parameter. A literature overview shows that only the Scanning Vibrating Electrode Technique (SVET) is suited for 3D scanning procedures, all others are restricted to plane surface applications. Yet, if a specimen has to be prepared for a 2D measurement, the surface of interest is changed and the recorded potential data are affected. The development of the measurement technique SCAn (Scanning Corrosion Analysis) is described here which allows to establish the potential map at deformed surfaces with a constant measurement distance. The procedure is executed in two steps: First, the topography of the surface of interest is measured by means of an opto-electronic device. Subsequently the scanning probe detects the potential distribution controlled by the stored surface data to attain a con-stant working distance between the probe tip and the specimen. Because of the measurement procedure in two steps, a relocalisation of the topographical data and the potential distribution is required. This is the main restriction for the detection of very small surface irregularities. During pilot tests with plane copper samples the main parameters of galvanostatic potential measurements were figured out. The measurement distance, which depends on the geometry of the probe, mainly affects the surface potential, and also the influence of the polarisation current of the electrochemical cell on the potential profiles is demonstrated. The line scans were additionally disturbed by microgeometric changes of the surface which may occur e.g. at weld seams. 3D potential distributions were taken from weld joints of micro-alloyed steels preferentially used in the shipbuilding industry. A measuring bed was set up for 3D SCAn comprising a controler for electrochemical cell measurements with the related software, a three axis manipulator, an electrochemical cell, a laser device and a computer. The computer controls the scanning procedures and the data handling by an especially developed software package written in LABView. Its modular structure offers the opportunity to expand the measurement software and to apply new or modified scanning techniques with the measuring bed. The 3D potential distributions around weld seams permit to distinguish the effect of changes of microstructure in the heat affected zones and the effect of the chemical composition of the applied filler materials. The strong influence of the measurement distance on the potential values, which was already detected by 2D potential profiles with copper materials, has been confirmed with potential scanning studies of technical surfaces. For future investigations, an improved measurement equipment can lead to a higher stability of the electronic periphery and an accurate reproducibility of the 3D-manipulator. Additionally, a micromechanically manufactured probe is highly appreciated. These measurement components are well known from other mapping techniques and enable a better mechanical and electrochemical resolution at 3D surfaces. One advantage of the measurement principle and the present assembly is the procedure performance in two steps. The topographical data scanning runs completely independent of the electrochemical potential record. Therefore the installation of an established scanning procedure like the Scanning Kelvin Probe (SKP) or the Scanning Reference Electrode Technique (SRET) is feasible. The modular structure of the measurement software can easily be adapted to a modified scanning equipment; a 3D-SKP or 3D-SRET measurement can be performed.

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