Materjalide pinnakorrosiooni- ja kaitsetehnoloogiad karmides keskkondades: korrosioon ja kaitse mereatmosfääri tingimustes

Täiustatud materjalid moodustavad aluse ja tagatise tipptasemel seadmete (nt tuumaenergiasüsteemid, laevad, kanderaketid, satelliidid ja kosmosesõidukid) suure jõudluse, töökindluse, kerge disaini ja miniatuursuse saavutamiseks-. Suurte strateegiliste projektide-, sealhulgas mereehituse, kosmosejaamade, süva-kosmoseuuringute, raskete-tõstukite kanderakettide, suurte õhusõidukite, kosmose-maa-transpordisüsteemide ja tuumaenergia-põhikomponentide elluviimisel on üha enam vaja pika tööea jooksul töökindlaks toimimiseks ekstreemsetes tingimustes, nagu suur kiirus, kõrge temperatuur, kõrge rõhk, korrosiooni tekitavad kandjad, kiirgus, kiirgus, üha enam olulisi strateegilisi projekte-. Nendes karmides kasutustingimustes on materjalide korrosioon ja kulumine peamised rikkemehhanismid ning neist on saanud peamised kitsaskohad, mis piiravad tipptasemel seadmete väljatöötamist.

Viimastel aastatel on tehtud ulatuslikke rahvusvahelisi uuringuid neljas põhivaldkonnas: korrosioon ja kaitse, hõõrdumise vähendamine ja määrimine, kulumiskindlus ja pinna tugevdamine ning remont ja ümbertöötlemine. Uuringud on keskendunud korrosioonimehhanismidele ja kaitsetehnoloogiatele mereatmosfääris, süvamerekeskkonnas,{1}}külma platoo piirkondades ja tuumakiirguse keskkonnas. Paralleelselt on sellised tööstusharud nagu lennundus ja geoloogiline puurimine arenenud pika-eega tahke määrimise, kõrgel-temperatuuriga tahke määrimise ja pinnakõvendamise tehnoloogiad. Seadmete kasutusea pikendamiseks on rajatud ja laialdaselt uuritud ka ümbertöötlemise valdkond.

Selles artikliseerias vaadeldakse mitmest vaatenurgast materjalide pinnakaitsetehnoloogiate praegust rakendusolekut ja arengusuundi karmides keskkondades.

Alustame sellestkorrosiooni- ja kaitsetehnoloogia uuringud.

Korrosiooniprobleemid tekivad koos materjali disainiga ja on pikka aega mõjutanud kasutusiga. Kuna tipptasemel-seadmed arenevad edasi, on töökeskkonnad muutunud üha karmimaks, mis seab materjalikaitsele kõrgemaid nõudmisi. Sõjavarustust kui riigikaitse põhikomponenti iseloomustavad mitmekesised liigid, suured kogused, pikad säilitusajad ja keerukad tegevuskeskkonnad. Suuremahulised seadmed, nagu lennukid, laevad ja tuumaelektrijaamad, peavad tavaliselt karmides tingimustes pika aja jooksul usaldusväärselt töötama. Isegi ühe komponendi korrosioon võib põhjustada olulisi ohutusriske ja kahjustada süsteemi üldist jõudlust.

Looduskeskkonnast on merekeskkond eriti agressiivne korrosiooni suhtes. Tavalised oksiidkiled pakuvad meretingimustes piiratud kaitset. Mittetäieliku statistika kohaselt moodustavad mere korrosioonikaod ligikaudu ühe-kolmandiku kogu materjalide korrosioonikadudest, mis ületab tunduvalt muudes keskkondades tekkivaid korrosioonikadusid. Merekeskkonnas põhjustab korrosiooni mehaaniline korrosioon, elektrokeemiline korrosioon ja bioloogiline korrosioon. Vastavad kaitsestrateegiad jagunevad kolme põhikategooriasse: sobiv materjalivalik ja konstruktsioonikujundus, materjalide pinnakaitse ja katoodkaitse survestatud voolu või kaitseanoodide abil.

Lisaks nõuavad tähelepanelikku tähelepanu ka materjalide vananemine, tuuleerosioon ja abrasiivne kulumine polaar- ja kõrge{0}}kõrguse piirkondades, samuti kõrge-temperatuuri, kõrge-rõhu ja kiirgusega seotud probleemid tuumareaktorites.

Mereatmosfääri korrosiooni põhjustavad peamiselt õhukesed vedelad kiled, mis moodustuvad niiskes atmosfääris ning see on kõige levinum kuumades ja niisketes rannikualades. Kui happelised saasteained või soolaosakesed esinevad kõrgel-temperatuuril ja kõrge{2}niiskusega mereatmosfääris, kiireneb korrosioon veelgi. Sellised keskkonnad võivad põhjustada metallist aluspindade korrosiooni-, näiteks lokaalset korrosiooni kergrelvade salvedel, mis puutuvad kokku merekeskkonnaga. Need võivad põhjustada ka kaitsekatete rikkeid, näiteks katte vananemist, kilealust korrosiooni,{6}}villide teket ja koorumist laskemoona ladustamise ajal. Lisaks võivad mitte-metallilised materjalid, nagu kumm ja plast, nendes tingimustes deformeeruda, rabeduda, praguneda, paisuda ja hallitust tekitada.

Pinnakatte kaitse on praegu üks sõjavarustuse jaoks{0}}enim kasutatavaid ja tõhusamaid korrosioonivastaseid tehnoloogiaid. Kaitsekatete projekteerimisel ja valikul tuleb täielikult arvesse võtta erinevate seadmetüüpide spetsiifilisi töökeskkondi ning funktsionaalsed kattesüsteemid tuleks välja töötada vastavalt tegelikele nõuetele. Näiteks on näidatud, et magneesiumisulamite mikro-kaaroksüdatsioon bipolaarse impulsskontrolli abil parandab oluliselt katte korrosioonikindlust.

Uuringud on näidanud, et erinevate modulatsiooniperioodidega mitmekihilised Cr/GLC-katted, mis on kantud 316-liitrisele roostevabale terasele alalisvoolu magnetroni pihustamisega, võivad tehismerevees märkimisväärselt suurendada hõõrdumist ja kulumist. Sageli mereveega kokkupuutuvatele laevakonstruktsioonidele kantakse tavaliselt kaarpihustatud tsink- või alumiiniumkatted, mis tagavad suurepärase merevee korrosioonikindluse. Mikroobse adhesiooni ja korrosiooni vastu merevees on laevaehitustööstus kasutusele võtnud intelligentsed katted, millel on saastumisvastased ja antibakteriaalsed funktsioonid. Lisaks nendele tavapärastele pinnakatmistehnoloogiatele on märkimisväärset kasutuspotentsiaali näidanud ka muud lähenemisviisid,-nagu amorfse sulami elektrivabad katted ja nanoosakestega komposiitkatted{6}}.

Grafeen-põhinevad katted ja iseparanevad{1}}katted on viimastel aastatel muutunud mere korrosioonivastaste-katete uurimistöö peamisteks punktideks. Uuringud on näidanud, et grafeenkatted võivad märkimisväärselt parandada oksüdatsioonikindlust võrreldes tavaliste Cu / Ni substraatidega. Grafeenkatete uuringud keskenduvad peamiselt orgaanilistele ja anorgaanilistele kattesüsteemidele. Varajane töö näitas meetodeid grafeenkatete valmistamiseks, kasutades vahekeskkonnana polümetüülmetakrülaati, mille tulemuseks on oluliselt suurem korrosioonikindlus.

Grafeeni on kasutatud ka olemasolevate katete muutmiseks. Näiteks on tõestatud, et grafeeni lisamine veepõhistele epoksükatetele parandab katte üldist jõudlust võrreldes tavaliste epoksiidkorrosioonivastaste -katetega. Anorgaaniliste katete valdkonnas on järjest rohkem tähelepanu pööratud grafeeni modifitseerimisele. Uuringud näitavad, et grafeeni lisamine anorgaanilistele -korrosioonivastastele katetele võib saavutada kuni 1200-tunnise soolapihustuskindluse, kui katte kaal on vaid 100–150 mg/dm², mis näitab korrosioonikaitse olulist paranemist. Metallkroomi asendamine grafeeniga Dacrometi katetes on samuti andnud hea korrosioonikindluse, pakkudes samal ajal paremat keskkonnasõbralikkust.

Iseparanevad-korrosioonivastased-katted esindavad intelligentsete kaitsekatete esilekerkivat klassi, mis suudab teatud tingimustes pärast kahjustusi taastada korrosioonikindluse. Olemasolevad iseparanevad katted jaotatakse üldiselt autonoomseteks ja mitteautonoomseteks-süsteemideks. Autonoomsed iseparanevad katted kasutavad kahjustatud piirkondade parandamiseks tavaliselt kapseldatud kilet{7}}moodustajaid või korrosiooniinhibiitoreid. Uuringud on näidanud, et pindadevahelise polümerisatsiooni mehhanismid -nagu reaktsioonid isotsüanaatide ja vee vahel{10}}saavad tõhusalt täita defekte pärast katte kahjustamist. Teised uuringud on kinnitanud, et korrosiooniinhibiitorite, näiteks dodetsüülamiini lisamine alküüdvaigu katetesse võib korrosiooni oluliselt vähendada.

Mitte--autonoomsed iseparanevad{1}}katted toetuvad parandusmehhanismide käivitamiseks välistele stiimulitele, nagu temperatuur või valgus. Näiteks on välja töötatud ultraviolett-valguse-indutseeritud katioonsed polümerisatsioonisüsteemid, mis võimaldavad katte parandamist UV-kiirguse käes.