Технології поверхневої корозії та захисту матеріалів у суворих умовах: корозія та захист у морських атмосферних умовах

Сучасні матеріали формують основу та гарантію для досягнення високої продуктивності, високої надійності, легкої конструкції та мініатюризації передового-обладнання, такого як ядерні енергетичні системи, кораблі, ракети-носії, супутники та аерокосмічні апарати. З реалізацією великих стратегічних проектів-зокрема морської техніки, космічних станцій, дослідження глибокого-космічного простору, важких-ракет-носіїв, великих літальних апаратів, космічних і наземних транспортних систем і ядерної енергії-зростає потреба в тому, щоб ключові компоненти надійно працювали протягом тривалого терміну служби в екстремальних умовах, таких як висока швидкість, висока температура, високий тиск, важкі навантаження, корозійні середовища та радіація. За таких суворих умов експлуатації корозія та зношування матеріалів є основними механізмами відмови, і вони стали основними вузькими місцями, що обмежують розробку висококласного-обладнання.

В останні роки були проведені великі міжнародні дослідження в чотирьох основних сферах: корозія та захист, зменшення тертя та змащування, зносостійкість та зміцнення поверхні, а також ремонт і відновлення. Дослідження зосереджені на механізмах корозії та технологіях захисту морської атмосфери, глибоководного-морського середовища, регіонів холодного плато та середовища ядерного випромінювання. Паралельно такі галузі, як аерокосмічне та геологічне буріння, розвинули технології довготривалого-твердого мастила, високотемпературного-твердого мастила та зміцнення поверхні. Для продовження терміну служби обладнання також була створена та широко досліджена сфера відновлення.

У цій серії статей буде розглянуто поточний стан застосування та тенденції розвитку технологій захисту поверхні матеріалів у суворих умовах з різних точок зору.

Ми починаємо здослідження технології захисту від корозії.

Проблеми з корозією виникають разом із конструкцією матеріалів і впливають на тривалий термін служби. У міру того як-обладнання високого класу продовжує розвиватися, робочі середовища стають дедалі суворішими, висуваючи все більші вимоги до захисту матеріалів. Військова техніка, як основний компонент національної оборони, характеризується різноманітністю типів, великою кількістю, тривалим періодом зберігання та складними умовами експлуатації. Велике-обладнання, як-от літаки, кораблі та атомні енергетичні установки, як правило, потрібне для надійної роботи протягом тривалого часу в суворих умовах. Корозія навіть одного компонента може становити серйозні ризики для безпеки та погіршити загальну продуктивність системи.

Серед природних середовищ морське середовище є особливо агресивним з точки зору корозії. Звичайні оксидні плівки забезпечують обмежений захист у морських умовах. Згідно з неповною статистикою, втрати від корозії в морських умовах становлять приблизно одну-третину загальних втрат матеріалів від корозії, значно перевищуючи втрати в інших середовищах. У морських умовах корозія спричинена механічною корозією, електрохімічною корозією та біологічною корозією. Відповідні стратегії захисту поділяються на три основні категорії: відповідний вибір матеріалу та конструкційний дизайн, захист поверхні матеріалів і катодний захист за допомогою струму або тимчасових анодів.

Крім того, пильної уваги потребують старіння матеріалу, вітрова ерозія та абразивне зношування в полярних і-високогірних регіонах, а також високі-температури, високий-тиск і радіаційні проблеми в ядерних реакторах.

Морська атмосферна корозія в основному спричинена тонкими рідкими плівками, що утворюються у вологих атмосферних умовах, і найбільш поширена в жарких і вологих прибережних регіонах. Коли кислотні забруднювачі або частки солі присутні в морській атмосфері з високою-температурою та високою{2}}вологістю, корозія ще більше прискорюється. Такі середовища можуть призвести до корозії металевих підкладок-наприклад, локалізованої корозії на магазинах легкої зброї, які піддаються впливу морської атмосфери. Вони також можуть спричинити руйнування захисних покриттів, наприклад старіння покриття, корозію під-плівки, утворення пухирів і відшарування під час зберігання боєприпасів. Крім того, не-металічні матеріали, такі як гума та пластмаси, можуть зазнавати деформації, крихкості, розтріскування, розбухання та утворення цвілі за цих умов.

Захист поверхневого покриття наразі є однією з найпоширеніших і найефективніших антикорозійних технологій військового обладнання. Проектування та вибір захисних покриттів повинні повністю враховувати конкретні робочі середовища різних типів обладнання, а системи функціональних покриттів повинні розроблятися відповідно до фактичних вимог. Наприклад, було показано, що мікро-дугове окислення магнієвих сплавів із використанням біполярного імпульсного керування значно покращує стійкість покриття до корозії.

Дослідження показали, що багатошарові покриття Cr/GLC з різними періодами модуляції, нанесені на нержавіючу сталь 316L за допомогою магнетронного напилення постійного струму, можуть помітно підвищити тертя та зносостійкість у штучній морській воді. Для суднових конструкцій, які часто піддаються впливу морської води, зазвичай наносять цинкове або алюмінієве покриття-напиленням, що забезпечує відмінну корозійну стійкість морської води. Для боротьби з мікробною адгезією та корозією в морській воді суднобудівна промисловість запровадила інтелектуальні покриття з функціями проти обростання та антибактеріальними функціями. Окрім цих звичайних технологій нанесення покриттів на поверхні, інші підходи-такі як покриття з аморфних сплавів без електроліту та композитні покриття з наночастинок-також продемонстрували значний потенціал застосування.

Покриття на основі-графену та покриття, що самовідновлюються, останніми роками стали основними дослідницькими точками для морських антикорозійних покриттів-. Дослідження показали, що графенові покриття можуть значно підвищити стійкість до окислення порівняно зі звичайними підкладками Cu/Ni. Дослідження графенових покриттів зосереджені насамперед на органічних і неорганічних системах покриттів. Рання робота продемонструвала методи отримання графенових покриттів з використанням поліметилметакрилату як проміжного середовища, що призвело до значного підвищення стійкості до корозії.

Графен також використовувався для модифікації існуючих покриттів. Наприклад, було показано, що додавання графену до епоксидних покриттів на водній основі покращує загальні характеристики покриття порівняно зі звичайними епоксидними анти{1}}корозійними покриттями. У сфері неорганічних покриттів все більша увага приділяється модифікації графену. Дослідження показують, що додавання графену до неорганічних анти-корозійних покриттів може досягти стійкості до сольового туману до 1200 годин із вагою покриття лише 100–150 мг/дм², демонструючи значне покращення захисту від корозії. Заміна металевого хрому на графен у покриттях Dacromet також призвела до хорошої корозійної стійкості, водночас покращивши екологічність.

Антикорозійні-покриття, що самовідновлюються, представляють новий клас інтелектуальних захисних покриттів, які можуть відновити стійкість до корозії після пошкодження за певних умов. Існуючі покриття, що самовідновлюються, зазвичай класифікуються на автономні та не-автономні системи. Автономні -покриття, що самовідновлюються, зазвичай покладаються на інкапсульовані плівко-реагенти або інгібітори корозії для відновлення пошкоджених ділянок. Дослідження показали, що механізми міжфазної полімеризації-такі як реакції між ізоціанатами та водою-можуть ефективно заповнювати дефекти після пошкодження покриття. Інші дослідження підтвердили, що введення інгібіторів корозії, таких як додециламін, у покриття з алкідної смоли може значно зменшити корозію.

Не-автономні-покриття залежать від зовнішніх подразників, таких як температура чи світло, щоб запустити механізми відновлення. Наприклад, розроблено системи катіонної полімеризації, викликаної ультрафіолетовим-світлом-, щоб забезпечити відновлення покриття під впливом УФ-променів.