Technologie korozji powierzchniowej i ochrony materiałów w trudnych warunkach: Korozja i ochrona w morskich warunkach atmosferycznych

Zaawansowane materiały stanowią podstawę i gwarancję osiągnięcia wysokiej wydajności, wysokiej niezawodności, lekkiej konstrukcji i miniaturyzacji w-najnowocześniejszym sprzęcie, takim jak systemy energii jądrowej, statki, rakiety nośne, satelity i pojazdy kosmiczne. Wraz z wdrażaniem głównych projektów strategicznych,-w tym inżynierii morskiej, stacji kosmicznych,-badań głębokiego kosmosu,-pojazdów nośnych o dużym udźwigu, dużych samolotów, systemów transportu kosmicznego naziemnego i energetyki jądrowej,- coraz częściej wymagane jest, aby kluczowe komponenty działały niezawodnie przez długi okres użytkowania w ekstremalnych warunkach, takich jak duża prędkość, wysoka temperatura, wysokie ciśnienie, duże obciążenia, media korozyjne i promieniowanie. W tak trudnych warunkach pracy korozja i zużycie materiałów są głównymi mechanizmami awarii i stały się głównymi wąskimi gardłami ograniczającymi rozwój-wysokiej klasy sprzętu.

W ostatnich latach przeprowadzono szeroko zakrojone międzynarodowe badania w czterech głównych obszarach: korozja i ochrona, redukcja tarcia i smarowanie, odporność na zużycie i wzmacnianie powierzchni oraz naprawy i regeneracja. Badania skupiały się na mechanizmach korozji i technologiach ochrony atmosfer morskich, środowisk głębinowych-, regionów zimnych płaskowyżów i środowisk promieniowania jądrowego. Równolegle w branżach takich jak lotnictwo i wiertnictwo geologiczne udoskonalono technologie smarowania stałego-o długiej żywotności, smarowania ciała stałego w wysokiej-temperaturze oraz technologie utwardzania powierzchniowego. Aby wydłużyć żywotność sprzętu, opracowano i szeroko zbadano również dziedzinę regeneracji.

W tej serii artykułów dokonamy przeglądu aktualnego stanu zastosowań i trendów rozwojowych technologii ochrony powierzchni materiałów w trudnych warunkach z wielu perspektyw.

Zaczynamy odbadania technologii antykorozyjnych i zabezpieczeń.

Problemy z korozją pojawiają się wraz z konstrukcją materiału i od dawna wpływają na żywotność. W miarę ciągłego rozwoju-wysokiej klasy sprzętu środowiska operacyjne stają się coraz trudniejsze, co stawia wyższe wymagania w zakresie ochrony materiałów. Sprzęt wojskowy, jako podstawowy element obrony narodowej, charakteryzuje się różnorodnością typów, dużymi ilościami, długimi okresami przechowywania i złożonym środowiskiem operacyjnym. Do niezawodnego działania przez długi czas w trudnych warunkach zazwyczaj wymagany jest sprzęt wielkogabarytowy,-taki jak samoloty, statki i obiekty energetyki jądrowej. Korozja nawet pojedynczego elementu może stwarzać poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa i pogarszać ogólną wydajność systemu.

Spośród środowisk naturalnych środowisko morskie jest szczególnie agresywne pod względem korozji. Konwencjonalne folie tlenkowe zapewniają ograniczoną ochronę w warunkach morskich. Według niekompletnych statystyk straty korozyjne w morzu stanowią około-trzeciej całkowitej straty korozyjnej materiałów, znacznie przekraczając straty w innych środowiskach. W warunkach morskich korozja jest spowodowana korozją mechaniczną, korozją elektrochemiczną i korozją biologiczną. Odpowiednie strategie ochrony można podzielić na trzy główne kategorie: odpowiedni dobór materiałów i projekt konstrukcyjny, ochrona powierzchni materiałów i ochrona katodowa za pomocą anod pod wrażeniem lub protektorowych.

Ponadto szczególnej uwagi wymagają starzenie się materiałów, erozja wietrzna i zużycie ścierne w regionach polarnych i-na dużych wysokościach, a także wyzwania związane z wysoką-temperaturą, wysokim-ciśnieniem i promieniowaniem w reaktorach jądrowych.

Korozja atmosferyczna w środowisku morskim jest spowodowana głównie przez cienkie warstwy cieczy utworzone w wilgotnych warunkach atmosferycznych i występuje najczęściej w gorących i wilgotnych regionach przybrzeżnych. Gdy w atmosferze morskiej o wysokiej-temperaturze i-wilgotności występują kwaśne zanieczyszczenia lub cząstki soli, korozja ulega dalszemu przyspieszeniu. Takie środowiska mogą prowadzić do korozji podłoży metalowych-na przykład miejscowej korozji magazynków broni lekkiej wystawionych na działanie atmosfery morskiej. Mogą również powodować uszkodzenia powłok ochronnych, takie jak starzenie się powłoki,-korozja podwarstwa, powstawanie pęcherzy i łuszczenie się podczas przechowywania amunicji. Co więcej, w takich warunkach materiały niemetalowe, takie jak guma i tworzywa sztuczne, mogą ulegać odkształceniu, kruchości, pękaniu, pęcznieniu i rozwojowi pleśni.

Zabezpieczanie powłok powierzchniowych jest obecnie jedną z najpowszechniej stosowanych i skutecznych technologii antykorozyjnych-sprzętu wojskowego. Projekt i wybór powłok ochronnych muszą w pełni uwzględniać specyficzne środowiska pracy różnych typów urządzeń, a funkcjonalne systemy powłok powinny być opracowywane zgodnie z rzeczywistymi wymaganiami. Na przykład wykazano, że utlenianie stopów magnezu-mikrołukiem przy użyciu dwubiegunowego sterowania pulsacyjnego znacznie poprawia odporność powłoki na korozję.

Badania wykazały, że wielowarstwowe powłoki Cr/GLC o różnych okresach modulacji naniesione na stal nierdzewną 316L metodą rozpylania magnetronowego DC mogą znacząco zwiększyć tarcie i zużycie w sztucznej wodzie morskiej. W przypadku konstrukcji statków często narażonych na działanie wody morskiej powszechnie stosuje się-łukowe powłoki cynkowe lub aluminiowe, aby zapewnić doskonałą odporność na korozję pod wpływem wody morskiej. Aby zaradzić adhezji i korozji drobnoustrojów w wodzie morskiej, przemysł stoczniowy przyjął inteligentne powłoki o właściwościach przeciwporostowych i przeciwbakteryjnych. Oprócz konwencjonalnych technologii powlekania powierzchni, inne podejścia,-takie jak bezprądowe powłoki ze stopów amorficznych i powłoki kompozytowe nanocząstkowe-również wykazały znaczny potencjał zastosowania.

Powłoki-na bazie grafenu i powłoki samo-naprawiające się stały się w ostatnich latach głównymi obszarami badań nad powłokami antykorozyjnymi-dla statków. Badania wykazały, że powłoki grafenowe mogą znacznie poprawić odporność na utlenianie w porównaniu z konwencjonalnymi podłożami Cu/Ni. Badania powłok grafenowych koncentrują się przede wszystkim na organicznych i nieorganicznych systemach powłokowych. Wczesne prace wykazały metody wytwarzania powłok grafenowych przy użyciu polimetakrylanu metylu jako ośrodka pośredniego, co skutkuje znacznie zwiększoną odpornością na korozję.

Grafen wykorzystano także do modyfikacji istniejących powłok. Na przykład wykazano, że dodanie grafenu do wodorozcieńczalnych powłok epoksydowych poprawia ogólną wydajność powłoki w porównaniu z konwencjonalnymi epoksydowymi powłokami antykorozyjnymi-. W dziedzinie powłok nieorganicznych coraz większą uwagę poświęca się modyfikacji grafenu. Badania wskazują, że dodanie grafenu do nieorganicznych-powłok antykorozyjnych pozwala uzyskać odporność na mgłę solną do 1200 godzin przy masie powłoki wynoszącej zaledwie 100–150 mg/dm², co wskazuje na znaczną poprawę ochrony przed korozją. Zastąpienie metalicznego chromu grafenem w powłokach Dacromet również spowodowało dobrą odporność na korozję, oferując jednocześnie lepszą przyjazność dla środowiska.

Samo-samonaprawiające się-powłoki antykorozyjne stanowią nową klasę inteligentnych powłok ochronnych, które w określonych warunkach mogą przywrócić odporność na korozję po uszkodzeniu. Istniejące powłoki samonaprawiające się- ogólnie dzieli się na systemy autonomiczne i nie-nieautonomiczne. Autonomiczne, samonaprawiające się powłoki zazwyczaj opierają się na kapsułkowanych środkach-błonotwórczych lub inhibitorach korozji, które naprawiają uszkodzone obszary. Badania wykazały, że mechanizmy polimeryzacji międzyfazowej,-takie jak reakcje między izocyjanianami i wodą,-mogą skutecznie wypełniać defekty po uszkodzeniu powłoki. Inne badania potwierdziły, że dodanie inhibitorów korozji, takich jak dodecyloamina, do powłok z żywicy alkidowej może znacznie zmniejszyć korozję.

Nie-autonomiczne, samonaprawiające się-powłoki opierają się na bodźcach zewnętrznych, takich jak temperatura lub światło, aby uruchomić mechanizmy naprawcze. Na przykład opracowano systemy polimeryzacji kationowej indukowanej-światłem ultrafioletowym-, aby umożliwić naprawę powłok pod wpływem promieni UV.