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Institucional

Martinez, Carola

Analysis of the Wear and Corrosion Resistance on Cu-Ni-Al Composites Reinforced with CeO2 Nanoparticles

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This study evaluates the wear and corrosion resistance of the Cu-50Ni-5Al alloy reinforced with CeO2 nanoparticles for potential use as anodes in molten carbonate fuel cells (MCFCs). Cu-50Ni-5Al alloys were synthesized, with and without the incorporation of 1% CeO2 nanoparticles, by the mechanical alloying method and spark plasma sintering (SPS). The samples were evaluated using a single scratch test with a cone-spherical diamond indenter under progressive normal loading conditions. A non-contact 3D surface profiler characterized the scratched surfaces to support the analysis. Progressive loading tests indicated a reduction of up to 50% in COF with 1% NPs, with specific values drop-ping from 0.48 in the unreinforced alloy to 0.25 in the CeO2-doped composite at 15 N of applied load. Furthermore, the introduction of CeO2 decreased scratch depths by 25%, indicating enhanced wear resistance. The electrochemical behavior of the samples was evaluated by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) in a molten carbonate medium under a H-2/N-2 atmosphere at 550 degrees C for 120 h. Subsequently, the corrosion products were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy coupled with energy dispersive spectroscopy (SEM-EDS), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results demonstrated that the CeO2-reinforced alloy exhibits superior electro-chemical stability in molten carbonate environments (Li2CO3-K2CO3) under an H-2/N-2 atmosphere at 550 degrees C for 120 h. A marked reduction in polarization resistance and a pronounced re-passivation effect were observed, suggesting enhanced anodic protection. This effect is attributed to the formation of aluminum and copper oxides in both compositions, together with the appearance of NiO as the predominant phase in the materials reinforced with nanoparticles in a hydrogen-reducing atmosphere. The addition of CeO2 nanoparticles significantly improves wear resistance and corrosion performance. Recognizing this effect is vital for creating strategies to enhance the material's durability in challenging environments like MCFC.Este estudio evalúa la resistencia al desgaste y a la corrosión de la aleación Cu-50Ni-5Al reforzada con nanopartículas de CeO2 para su posible uso como ánodos en celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC). Se sintetizaron aleaciones Cu-50Ni-5Al, con y sin la incorporación de un 1 % de nanopartículas de CeO2, mediante el método de aleación mecánica y sinterización por plasma de chispa (SPS). Las muestras se evaluaron mediante una prueba de rayado simple con un indentador de diamante cónico-esférico bajo condiciones de carga normal progresiva. Un perfilómetro de superficie 3D sin contacto caracterizó las superficies rayadas para apoyar el análisis. Las pruebas de carga progresiva indicaron una reducción de hasta un 50 % en el coeficiente de fricción (COF) con un 1 % de nanopartículas, con valores específicos que disminuyeron de 0,48 en la aleación sin refuerzo a 0,25 en el compuesto dopado con CeO2 a una carga aplicada de 15 N. Además, la introducción de CeO2 disminuyó las profundidades de rayado en un 25 %, lo que indica una mayor resistencia al desgaste. Se evaluó el comportamiento electroquímico de las muestras mediante espectroscopia de impedancia electroquímica (EIS) en un medio de carbonato fundido bajo atmósfera de H₂/N₂ a 550 °C durante 120 h. Posteriormente, se caracterizaron los productos de corrosión mediante difracción de rayos X (DRX), microscopía electrónica de barrido acoplada a espectroscopia de energía dispersiva (SEM-EDS) y espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS). Los resultados demostraron que la aleación reforzada con CeO₂ presenta una estabilidad electroquímica superior en entornos de carbonato fundido (Li₂CO₃-K₂CO₃) bajo atmósfera de H₂/N₂ a 550 °C durante 120 h. Se observó una marcada reducción en la resistencia a la polarización y un marcado efecto de re-pasivación, lo que sugiere una mayor protección anódica. Este efecto se atribuye a la formación de óxidos de aluminio y cobre en ambas composiciones, junto con la aparición de NiO como fase predominante en los materiales reforzados con nanopartículas en una atmósfera reductora de hidrógeno. La adición de nanopartículas de CeO2 mejora significativamente la resistencia al desgaste y el comportamiento frente a la corrosión. Reconocer este efecto es fundamental para desarrollar estrategias que mejoren la durabilidad del material en entornos exigentes como las celdas de combustible de carbonato fundido (MCFC).

artículo original

Cu-Ni-Al alloys

CeO2 nanoparticles

scratch test

corrosion

10.3390/ma18112438

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CARBONATE FUEL-CELL

PILE-UP

BEHAVIOR

PERFORMANCE

SURFACE

POWDER

NICKEL

CREEP

FRICTION

SYSTEMS

CARBONATE FUEL-CELL

PILE-UP

BEHAVIOR

PERFORMANCE

SURFACE

POWDER

NICKEL

CREEP

FRICTION

SYSTEMS

Electroquímica

Ingeniería de los Materiales

Físico-Química

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WOS:001506571700001

Analysis of the Wear and Corrosion Resistance on Cu-Ni-Al Composites Reinforced with CeO2 Nanoparticles

artículo original

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Chemistry, Physical

Materials Science, Multidisciplinary

Metallurgy & Metallurgical Engineering

Physics, Applied

Physics, Condensed Matter

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