レーザー治療は自動車の工業用化学処理を削減する可能性を示す

車両や航空機に使用される材料には、極端な動作条件の中で構造の完全性を確保するために、腐食からの長期的な保護が不可欠です。コーティングの付着を準備し、アルミニウム合金の表面を腐食から保護するために、XNUMXつの化学的前処理プロセスが産業環境で広く使用されています。高度に規制されていますが、どちらのプロセスも、既知の環境および健康上のリスクを伴う大量の有害化合物を使用しています。

エネルギー省のオークリッジ国立研究所の科学者の学際的なチームは、これらの危険な化学物質の必要性を排除することに向けて大きな進歩を遂げるレーザー干渉構造化（LIS）技術を適用しました。 LIS法の新しいアプリケーションは、軍用車両および航空機システムの腐食防止のための非化学的代替案を調査する研究プロジェクトに対する米国国防総省からの要請に応えます。

クロメート化成皮膜（CCC）は、発がん性物質として知られている六価クロムを使用して腐食を抑制します。硫酸陽極酸化剤SAAは硫酸を使用しており、皮膚や目をひどく刺激する可能性があり、吸入すると永久的な肺の損傷を引き起こす可能性があります。数百万ガロンの使用済み化学溶液は、毎年有害廃棄物として処分されています。

エイドリアンサバウは、レーザー干渉構造化技術で前処理され、コーティングの接着性を示すプライマーコーティングされた試験片を保持しています。クレジット：Carlos Jones / ORNL、米国エネルギー省。特集記事–エイドリアンサバウ、CCSD、およびレーザー干渉構造化技術に関する彼の研究、13年2021月XNUMX日。最初はレーザー干渉構造化されたプライマーコーティングされた試験片を備えたサバウ。試料は優れたXカットコーティング接着性を示します。

軍は12,000機以上の航空機、10,000両の戦車、数百隻の船、その他多数の車両や兵器システムを運用しています。 DoDは、これらの車両や機器を製造および修理する何百もの産業施設を所有および運営しており、年間20億ドル以上を腐食防止に費やしています。エネルギー省と環境保護庁とともに計画され実行された同庁の戦略的環境研究開発プログラム（SERDP）は、「環境に懸念のある材料とプロセスを排除するための代替技術の開発に焦点を合わせている」と、プログラムのロビン・ニッサンは述べた。 SERDPとその姉妹プログラムである環境セキュリティ技術認定プログラムのマネージャー。

「私たちの防衛システムは修理と改修が必要です」と彼は言いました。「私たちのプログラムは、堅牢なパフォーマンス、持続可能な慣行を確保し、環境リスクを排除できる代替プロセスの開発に投資しています。」

XNUMXつの連続した出版物で、ORNL材料科学者のエイドリアンサバウと化学者および製造科学者のチームは、LIS技術を説明、実証、分析し、その性能を従来の溶媒集約型の方法と比較しました。この研究の共著者には、ORNLのJiheon Jun、Mike Stephens、Dana McClurg、Harry Meyer III、Donovan Leonard、JianChenが含まれていました。

Adrian Sabauは、レーザー干渉構造化システムのテストで設定をログに記録します。クレジット：Carlos Jones / ORNL、米国エネルギー省

金属鋳造や凝固などの材料加工を専門とするサバウと彼のチームは最近、自動車用途での接着用LIS。国防総省の非溶媒表面処理に関する研究の呼びかけを読んだとき、サバウは同様の技術がコーティングの接着にも効果的である可能性があることを認識しました。

彼らの実験では、パルスナノ秒レーザーの一次ビームをXNUMXつのビームに分割し、それらを試料表面の同じスポットに集束させることにより、アルミニウム合金シートを処理しました。このプロセスは、周期的な構造で表面を粗くし、表面の化学的性質と表面下の微細構造を変化させました。

「レーザー加工では、上面に多くのエネルギーを与えているので、基板に何が起こっているのかを理解する必要があります。破損していませんか？割れますか？腐食防止に有益ではない微細構造の影響はありますか？」サバウは言った。

プライマーでコーティングされた試験片は、レーザーシステムからのマークを示しています。クレジット：Carlos Jones / ORNL、米国エネルギー省

物理化学者のMeyerと顕微鏡検査医のLeonardが特性評価作業に貢献しましたで概説 光学とレーザー技術。 Meyerは、X線光電子分光法（XPS）を使用して表面化学分析を実施しました。

「XPSは、固体材料の表面（上位5〜8ナノメートル）にある元素を特定できる材料特性評価手法です」とMeyer氏は述べています。「レーザー加工の前に、XPSを使用して、大量の炭素を示した、受け取ったままのアルミニウム合金シートの化学組成を決定しました。 XPSを再度使用して、レーザー処理によって表面が洗浄されたかどうかを判断しました。結果は、炭素の大幅な削減を示し、私たちの重要な発見のXNUMXつでした。 XPSは、電子顕微鏡の結果とともに、レーザー処理によって自然酸化物がどのように変化したかを理解するのに役立ちました。」

サバウ氏は、次のように述べています。「地下の特性を調べたところ、偶然にぶつかった有益な側面が見つかりました。最上層では、腐食が始まる可能性のある銅に富む析出物の溶解が見られました。」

アルミニウム合金シートを洗浄した後、表面エネルギーによってコーティングが適切に付着しないことがよくあります。これは、工業用表面コーティングの既知の問題です。チームの次の出版物、用 接着および接着剤の国際ジャーナル, コーティングの接着性を調べたところ、LIS法が接着性に加えて、業界標準で溶剤を大量に消費するCCCおよびSAA技術を提供することがわかりました。このLIS技術に基づいて、2021年にコーティング接着の特許が取得されました。

接着性の研究のために、McClurgは材料の形状測定を実施しました。これは、表面の輪郭をマッピングし、粗さの測定を提供する手法です。

に掲載されたXNUMX番目の論文 腐食：科学と工学のジャーナルは、サバウのチームが米軍が飛行機の翼と胴体に使用したエポキシプライマーを使用して実施した最終テストの概要を説明しました。

技術者のMikeStephensは、さまざまな処理で準備された合金シートの厳密なDoD仕様に、プライマーとトップコートのスプレーコーティングを適用するという繊細で時間に敏感な作業を完了しました。次に、サンプルを2,000時間の塩水噴霧にさらして、複数の期間での耐食性を調べました。 Junは腐食試験を主導し、プライマーとトップコートの有無にかかわらず、LISで準備された表面が従来の方法で準備された合金基板とどのように比較されるかを調査しました。

「レーザー干渉処理された基板は、より高い耐食性を示しました」と、銅に富む析出物が溶解した結果であると考えたジュンは言いました。ただし、プライマーまたはプライマーとトップコートでコーティングされたサンプルでは、LISは化学溶剤技術ほどの性能を発揮せず、一部のサンプルでは塩水噴霧にさらされてから96時間以内に水ぶくれが見られました。しかし、それらの水ぶくれは小さく、数百時間の曝露を通して安定したままでした。

チームは、プライマーを塗布する前にアセトンで簡単に拭き取ったXNUMX番目のサンプルセットをテストしましたが、腐食はほとんどなく、ブリスターの形成は数百時間遅れました。

Junは、LISを最適化するためのさらなる調査は価値があると述べました。

「実験室規模の電気化学測定と工業的に採用されたASTM [米国材料試験協会]塩水噴霧試験を組み合わせた私たちの研究アプローチは非常に成功し、レーザー干渉処理の効果の深い理解に役立ちました」と彼は言いました。

「溶媒を使用せずに周囲温度で実施されたプロセスでは、ほとんどのサンプルが非常に良好に機能しました」とSabau氏は述べています。「この技術は、コーティングのための非化学的集中的な表面処理に向けた正しい方向への大きな一歩です。」

ORNLは、米国エネルギー省の科学局のUT-Battelleによって管理されています。これは、米国の物理科学における基礎研究の最大の支援者です。 DOEの科学局は、私たちの時代の最も差し迫った課題のいくつかに取り組むために取り組んでいます。詳細については、次のWebサイトをご覧ください。 energy.gov/科学.

記事の礼儀 ORNL.

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