Coroziunea la suprafață și tehnologiile de protecție pentru materiale în medii dure: coroziune și protecție în condiții atmosferice marine

Materialele avansate formează fundația și garanția pentru a obține performanțe înalte, fiabilitate ridicată, design ușor și miniaturizare în echipamente-de ultimă generație, cum ar fi sistemele de energie nucleară, nave, vehicule de lansare, sateliți și vehicule aerospațiale. Odată cu implementarea proiectelor strategice majore-inclusiv inginerie marină, stații spațiale, explorarea-spațială adâncă, vehicule de lansare grele-lift, avioane mari, sisteme de transport spațiu-terrestru și energie nucleară-componentele cheie sunt din ce în ce mai necesare pentru a funcționa în mod fiabil pe o durată lungă de viață în condiții extreme, cum ar fi viteză mare, temperatură ridicată, presiune ridicată, medii grele, radiații, presiune mare, medii grele, coroziune. În aceste condiții dure de funcționare, coroziunea materialului și uzura sunt principalele mecanisme de defecțiune și au devenit blocaje majore care limitează dezvoltarea echipamentelor de ultimă generație.

În ultimii ani, au fost efectuate cercetări internaționale extinse în patru domenii principale: coroziune și protecție, reducerea frecării și lubrifiere, rezistența la uzură și întărirea suprafeței și repararea și remanufacturarea. Studiile s-au concentrat pe mecanismele de coroziune și tehnologiile de protecție pentru atmosferele marine, mediile de adâncime-mare, regiunile reci de platouri și mediile cu radiații nucleare. În paralel, industrii precum forajele aerospațiale și geologice au avansat tehnologii de lubrifiere solidă cu durată lungă de viață-, lubrifiere solidă la temperatură înaltă- și de întărire a suprafeței. Pentru a prelungi durata de viață a echipamentelor, domeniul remanufacturării a fost, de asemenea, stabilit și cercetat pe scară largă.

Această serie de articole va analiza starea actuală de aplicare și tendințele de dezvoltare a tehnologiilor de protecție a suprafețelor materialelor în medii dure din mai multe perspective.

Începem cucercetarea coroziunii și tehnologiei de protecție.

Problemele de coroziune apar odată cu proiectarea materialului și au afectat de lungă durată de viață. Pe măsură ce echipamentele-de ultimă generație continuă să avanseze, mediile de operare au devenit din ce în ce mai severe, impunând cerințe mai mari pentru protecția materialelor. Echipamentul militar, ca componentă de bază a apărării naționale, se caracterizează prin diverse tipuri, cantități mari, perioade lungi de depozitare și medii de operare complexe. Echipamentele-la scară largă, cum ar fi aeronavele, navele și instalațiile de energie nucleară, sunt de obicei necesare pentru a funcționa în mod fiabil pe perioade lungi în condiții dure. Coroziunea chiar și a unei singure componente poate prezenta riscuri semnificative de siguranță și poate compromite performanța generală a sistemului.

Dintre mediile naturale, mediul marin este deosebit de agresiv din punct de vedere al coroziunii. Filmele convenționale de oxid oferă protecție limitată în condiții marine. Conform unor statistici incomplete, pierderile de coroziune marine reprezintă aproximativ o-treime din pierderile totale de coroziune ale materialelor, depășind cu mult cele din alte medii. În mediile marine, coroziunea este determinată de coroziunea mecanică, coroziunea electrochimică și coroziunea biologică. Strategiile de protecție corespunzătoare se încadrează în trei categorii principale: selecția adecvată a materialului și proiectarea structurală, protecția suprafeței materialelor și protecția catodică folosind curent imprimat sau anozi de sacrificiu.

În plus, îmbătrânirea materialului, eroziunea eoliană și uzura abrazivă în regiunile polare și de-altitudine mare, precum și provocările de-temperatură ridicată, presiune înaltă-și radiații în reactoarele nucleare necesită, de asemenea, o atenție deosebită.

Coroziunea atmosferică marine este cauzată în principal de peliculele subțiri de lichid formate în condiții atmosferice umede și este cea mai răspândită în regiunile de coastă calde și umede. Atunci când poluanții acizi sau particulele de sare sunt prezenți în atmosfere marine cu-temperatură ridicată, umiditate ridicată-, coroziunea este și mai accelerată. Astfel de medii pot duce la coroziunea substraturilor metalice-de exemplu, coroziunea localizată pe magazinele de arme ușoare expuse atmosferelor marine. Ele pot provoca, de asemenea, defecțiunea straturilor de protecție, cum ar fi îmbătrânirea acoperirii, coroziunea sub-peliculă, formarea de vezicule și decojirea în timpul depozitării muniției. În plus, materialele ne-metalice, cum ar fi cauciucul și materialele plastice, pot suferi deformare, fragilizare, crăpare, umflare și creșterea mucegaiului în aceste condiții.

Protecția acoperirii suprafeței este în prezent una dintre cele mai aplicate și eficiente tehnologii anticorozive pentru echipamentele militare. Proiectarea și selectarea acoperirilor de protecție trebuie să ia în considerare pe deplin mediile de operare specifice ale diferitelor tipuri de echipamente, iar sistemele de acoperire funcționale trebuie dezvoltate în conformitate cu cerințele reale. De exemplu, s-a demonstrat că oxidarea cu micro-arc a aliajelor de magneziu folosind controlul bipolar în impulsuri îmbunătățește semnificativ rezistența la coroziune a stratului de acoperire.

Studiile au demonstrat că acoperirile multistrat Cr/GLC cu diferite perioade de modulare depuse pe oțel inoxidabil 316L prin pulverizare cu magnetron DC pot îmbunătăți semnificativ frecarea și performanța la uzură în apa de mare artificială. Pentru structurile navelor expuse frecvent la apa de mare, acoperirile de zinc sau aluminiu pulverizate cu arc-arc sunt de obicei aplicate pentru a conferi o rezistență excelentă la coroziune apei de mare. Pentru a aborda aderența microbiană și coroziunea în apa de mare, industria construcțiilor navale a adoptat acoperiri inteligente cu funcții antifouling și antibacteriene. Dincolo de aceste tehnologii convenționale de acoperire a suprafețelor, alte abordări-cum ar fi acoperirile cu aliaje amorfe fără electroși și acoperirile compozite cu nanoparticule-au arătat, de asemenea, un potențial de aplicare semnificativ.

Acoperirile pe bază de grafen-și acoperirile cu auto-vindecare au devenit puncte importante de cercetare în domeniul acoperirilor anticorozive marine în ultimii ani. Cercetările au arătat că acoperirile cu grafen pot îmbunătăți semnificativ rezistența la oxidare în comparație cu substraturile convenționale Cu/Ni. Studiile privind acoperirile cu grafen se concentrează în primul rând pe sistemele de acoperire organice și anorganice. Lucrările timpurii au demonstrat metode de preparare a acoperirilor cu grafen folosind metacrilat de polimetil ca mediu intermediar, rezultând o rezistență la coroziune îmbunătățită substanțial.

Grafenul a fost, de asemenea, folosit pentru a modifica acoperirile existente. De exemplu, s-a demonstrat că adăugarea de grafen la acoperirile epoxidice pe bază de apă îmbunătățește performanța generală a acoperirii în comparație cu acoperirile epoxidice convenționale anticorozive. În domeniul acoperirilor anorganice, o atenție crescândă a fost acordată modificării grafenului. Cercetările indică faptul că adăugarea grafenului la acoperirile anorganice anticorozive poate obține o rezistență la pulverizarea cu sare de până la 1.200 de ore cu o greutate a stratului de numai 100–150 mg/dm², demonstrând o îmbunătățire semnificativă a protecției împotriva coroziunii. Înlocuirea cromului metalic cu grafen în acoperirile Dacromet a avut ca rezultat, de asemenea, o rezistență bună la coroziune, oferind în același timp o mai bună calitate a mediului.

Acoperirile anticorozive cu auto--vindecare-reprezintă o clasă emergentă de acoperiri de protecție inteligente care pot restabili rezistența la coroziune după deteriorare în condiții specifice. Acoperirile existente cu auto-vindecare sunt, în general, clasificate în sisteme autonome și ne-autonome. Acoperirile autonome cu auto--vindecare se bazează în mod obișnuit pe agenți formatori de pelicule-capsulate sau inhibitori de coroziune pentru a repara zonele deteriorate. Cercetările au arătat că mecanismele de polimerizare interfacială-cum ar fi reacțiile dintre izocianați și apă-pot umple eficient defectele după deteriorarea acoperirii. Alte studii au confirmat că încorporarea inhibitorilor de coroziune, cum ar fi dodecilamina, în acoperirile cu rășini alchidice poate reduce semnificativ coroziunea.

Acoperirile ne-autonome cu auto-vindecare se bazează pe stimuli externi, cum ar fi temperatura sau lumină, pentru a declanșa mecanismele de reparare. De exemplu, sistemele de polimerizare cationică indusă de-lumina-ultravioletei au fost dezvoltate pentru a permite repararea acoperirii sub expunere la UV.