Determinación de la solubilidad de hidrógeno en TiO2 formado sobre Ti6Al4V a partir del concepto de impedancia de warburg

Abstract

Se obtuvieron películas anódicas porosas de TiO2 sobre una aleación Ti6Al4V mediante crecimiento galvanostático para densidades de corriente de 10, 20 y 35 mA/cm2 en una solución de H3PO4. La morfología superficial de las películas fue analizada mediante SEM y AFM. Un aumento en la densidad de corriente genera superficies más homogéneas y poros más redondeados y de menor tamaño. La caracterización composicional realizada mediante EDS, mostró especies fosfatadas incorporadas a la película porosa, influencia por la cantidad de fósforo sobre el voltaje de rompimiento dieléctrico y su efecto como inhibidor en la disolución del óxido. La solubilidad del hidrógeno se determinó mediante EIS, en una solución de NaOH, obteniendo modelos de circuitos eléctricos equivalentes que representan la fenomenología del proceso. El coeficiente de difusión de hidrógeno, se calculó para cada densidad de corriente a partir de la impedancia de Warburg simulada, encontrando valores entre 10-21 y 10-20. Los resultados mostraron que un mayor espesor de película depositada conlleva a una mayor solubilidad de hidrógeno y menor permeabilidad; indicando que hay atrapamiento de hidrógeno en el recubrimiento, incluso, si no hay suficiente hidrógeno para formar hidruros, estas cantidades pueden causar deterioro del recubrimiento y una posterior falla del material.

Abstract: Anodic porous films of TiO2 were obtained on a Ti6Al4V alloy by galvanostatic growth for values of current densities of 10, 20 and 35 mA/cm2 in a solution 0.3 M H3PO4. The surface morphology of the films was analyzed by SEM and AFM. An increase in current density generates more homogeneous surface and more rounded and smaller pores. The compositional characterization was performed by EDS, where phosphate species was observed incorporated into the porous film, as well as the influence of phosphorus on the dielectric breakdown voltage and its effect in inhibiting the dissolution of the oxide. To determine the solubility of hydrogen, electrochemical impedance spectroscopy, EIE, were tested in 0.5M NaOH solution, which was simulate an equivalent electrical circuits representing the phenomenology of the process. Then, the hydrogen diffusion coefficient was calculated for each value of current density. The values are within the range of 10-21 and 10-20. The results showed that a thicker deposited film leads to higher solubility of hydrogen and lower permeability. This indicates that trapping of hydrogen is present in the coating, even if there is not enough hydrogen to form hydrides, these amounts can cause deterioration of the coating and subsequent material failure.