Tehnologije površinske korozije in zaščite za materiale v težkih okoljih: korozija in zaščita v morskih atmosferskih pogojih

Napredni materiali tvorijo osnovo in zagotovilo za doseganje visoke zmogljivosti, visoke zanesljivosti, lahke zasnove in miniaturizacije v vrhunski-opremi, kot so jedrski energetski sistemi, ladje, nosilne rakete, sateliti in vesoljska vozila. Z izvajanjem velikih strateških projektov-vključno s pomorskim inženiringom, vesoljskimi postajami, raziskovanjem globokega-vesolja, težkimi{4}}nosilnimi raketami, velikimi letali, transportnimi sistemi vesolje-zemlja in jedrsko energijo-je vse bolj potrebno, da ključne komponente zanesljivo delujejo v dolgih življenjskih dobah v ekstremnih pogojih, kot so visoka hitrost, visoka temperatura, visok pritisk, velike obremenitve, jedki mediji in sevanje. V teh težkih delovnih pogojih sta korozija in obraba materiala glavna mehanizma odpovedi in sta postala glavna ozka grla, ki omejujejo razvoj vrhunske-opreme.

V zadnjih letih so bile opravljene obsežne mednarodne raziskave na štirih glavnih področjih: korozija in zaščita, zmanjšanje trenja in mazanje, odpornost proti obrabi in površinska krepitev ter popravilo in predelava. Študije so se osredotočale na korozijske mehanizme in zaščitne tehnologije za morsko atmosfero, globok{1}}morska okolja, regije hladnih planot in okolja z jedrskim sevanjem. Vzporedno so industrije, kot sta vesoljsko in geološko vrtanje, razvile dolgo{3}}življenjsko trdno mazanje, visoko-temperaturno trdno mazanje in tehnologije površinskega utrjevanja. Za podaljšanje življenjske dobe opreme je bilo uveljavljeno in široko raziskano tudi področje predelave.

Ta serija člankov bo pregledala trenutno stanje uporabe in razvojne trende tehnologij za zaščito površin materialov v težkih okoljih z več vidikov.

Začnemo zraziskave korozijske in zaščitne tehnologije.

Težave s korozijo se pojavijo skupaj z zasnovo materiala in dolgo vplivajo na življenjsko dobo. Ker-oprema višjega cenovnega razreda še naprej napreduje, so delovna okolja postala vse strožja in postavljajo višje zahteve glede zaščite materiala. Za vojaško opremo kot osrednjo komponento nacionalne obrambe so značilne različne vrste, velike količine, dolga obdobja skladiščenja in zapletena delovna okolja. Velika-oprema, kot so letala, ladje in jedrske elektrarne, običajno zahteva zanesljivo delovanje v dolgih obdobjih v težkih pogojih. Korozija celo ene komponente lahko predstavlja veliko varnostno tveganje in ogrozi delovanje celotnega sistema.

Med naravnimi okolji je korozijsko še posebej agresivno morsko okolje. Običajni oksidni filmi zagotavljajo omejeno zaščito v morskih razmerah. Po nepopolnih statističnih podatkih izgube zaradi korozije v morju predstavljajo približno eno-tretjino skupnih izgub materiala zaradi korozije, kar močno presega tiste v drugih okoljih. V pomorskih okoljih korozijo poganjajo mehanska korozija, elektrokemična korozija in biološka korozija. Ustrezne zaščitne strategije spadajo v tri glavne kategorije: ustrezna izbira materiala in strukturna zasnova, površinska zaščita materialov in katodna zaščita z uporabo vtisnjenega toka ali žrtvenih anod.

Poleg tega je treba skrbno paziti na staranje materiala, vetrno erozijo in abrazivno obrabo v polarnih in-gorskih območjih, pa tudi na visoke-temperature, visok-tlak in izzive zaradi sevanja v jedrskih reaktorjih.

Morsko atmosfersko korozijo povzročajo predvsem tanki tekoči filmi, ki nastanejo v vlažnih atmosferskih razmerah in je najbolj razširjena v vročih in vlažnih obalnih regijah. Ko so kisla onesnaževala ali delci soli prisotni v morskem ozračju z visoko-temperaturo in visoko-vlažnostjo, se korozija še pospeši. Takšna okolja lahko povzročijo korozijo kovinskih podlag-na primer lokalizirano korozijo nabojnikov lahkega orožja, ki so izpostavljeni morskemu ozračju. Povzročijo lahko tudi odpoved zaščitnih premazov, kot je staranje premaza, korozija pod-filma, nastajanje mehurčkov in luščenje med shranjevanjem streliva. Poleg tega se lahko nekovinski materiali, kot sta guma in plastika, pod temi pogoji deformirajo, postanejo krhki, razpokajo, nabreknejo in rastejo plesni.

Zaščita površinskih premazov je trenutno ena najpogosteje uporabljenih in učinkovitih proti{0}}korozijskih tehnologij za vojaško opremo. Zasnova in izbira zaščitnih premazov morata v celoti upoštevati specifična delovna okolja različnih vrst opreme, sisteme funkcionalnih premazov pa je treba razviti v skladu z dejanskimi zahtevami. Na primer, pokazalo se je, da mikro{3}}oksidacija magnezijevih zlitin z bipolarnim impulznim krmiljenjem znatno izboljša korozijsko odpornost prevleke.

Študije so pokazale, da lahko večplastne Cr/GLC prevleke z različnimi modulacijskimi obdobji, nanesene na nerjavno jeklo 316L z DC magnetronskim naprševanjem, znatno izboljšajo trenje in obrabo v umetni morski vodi. Za konstrukcije ladij, ki so pogosto izpostavljene morski vodi, se navadno uporabljajo obločno razpršeni cinkovi ali aluminijevi premazi, ki dajejo odlično odpornost proti koroziji z morsko vodo. Ladjedelniška industrija je za reševanje adhezije mikrobov in korozije v morski vodi sprejela inteligentne premaze z antivegetativnimi in antibakterijskimi funkcijami. Poleg teh običajnih tehnologij površinskih premazov so tudi drugi pristopi-, kot so brezelektrični premazi iz amorfnih zlitin in kompozitni premazi iz nanodelcev-, pokazali velik potencial uporabe.

Premazi-na osnovi grafena in samoobnovitveni premazi so v zadnjih letih postali glavna raziskovalna žarišča na-pomorskih protikorozijskih premazih. Raziskave so pokazale, da lahko grafenske prevleke znatno izboljšajo odpornost proti oksidaciji v primerjavi z običajnimi Cu/Ni substrati. Študije o prevlekah iz grafena se osredotočajo predvsem na sisteme organskih in anorganskih prevlek. Zgodnje delo je pokazalo metode za pripravo grafenskih prevlek z uporabo polimetil metakrilata kot vmesnega medija, kar je povzročilo bistveno večjo odpornost proti koroziji.

Grafen je bil uporabljen tudi za spreminjanje obstoječih premazov. Na primer, dokazano je, da dodajanje grafena epoksi premazom na vodni osnovi izboljša splošno učinkovitost premaza v primerjavi z običajnimi epoksi proti{1}}korozijskimi premazi. Na področju anorganskih premazov se vedno več pozornosti posveča modifikaciji grafena. Raziskave kažejo, da je z dodajanjem grafena anorganskim proti-korozijskim premazom mogoče doseči odpornost na slano prho do 1200 ur s težo premaza le 100–150 mg/dm², kar dokazuje znatno izboljšanje zaščite pred korozijo. Zamenjava kovinskega kroma z grafenom v prevlekah Dacromet je prav tako prinesla dobro odpornost proti koroziji, hkrati pa izboljšano prijaznost do okolja.

Samo{0}}proti{1}}korozijski premazi predstavljajo nastajajoči razred inteligentnih zaščitnih premazov, ki lahko obnovijo odpornost proti koroziji po poškodbi pod določenimi pogoji. Obstoječe samozdravilne-premaze na splošno delimo na avtonomne in ne-avtonomne sisteme. Avtonomni samozdravilni-premazi se za popravilo poškodovanih območij običajno zanašajo na inkapsulirana sredstva za-tvorjenje filma ali zaviralce korozije. Raziskave so pokazale, da lahko polimerizacijski mehanizmi na površini-, kot so reakcije med izocianati in vodo-, učinkovito zapolnijo napake po poškodbi premaza. Druge študije so potrdile, da lahko vključitev zaviralcev korozije, kot je dodecilamin, v premaze iz alkidne smole znatno zmanjša korozijo.

Ne-samo{1}}samozdravilni premazi so odvisni od zunanjih dražljajev, kot sta temperatura ali svetloba, da sprožijo popravljalne mehanizme. Na primer, sistemi kationske polimerizacije, povzročeni z ultravijolično-svetlobo-, so bili razviti za omogočanje popravila prevleke pod izpostavljenostjo UV.