Langdurige bescherming tegen corrosie is essentieel voor materialen die worden gebruikt voor voertuigen en vliegtuigen om structurele integriteit te garanderen te midden van extreme bedrijfsomstandigheden. Twee chemische voorbehandelingsprocessen worden veel gebruikt in industriële omgevingen om de hechting van coatings voor te bereiden en aluminiumlegeringen te beschermen tegen corrosie. Hoewel ze sterk gereguleerd zijn, gebruiken beide processen grote hoeveelheden gevaarlijke verbindingen met bekende milieu- en gezondheidsrisico's.
Een multidisciplinair team van wetenschappers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een laserinterferentiestructureringstechniek of LIS-techniek toegepast die aanzienlijke vooruitgang boekt bij het elimineren van de noodzaak van deze gevaarlijke chemicaliën. De nieuwe toepassing van de LIS-methode beantwoordt een oproep van het Amerikaanse ministerie van Defensie voor onderzoeksprojecten die niet-chemische alternatieven voor corrosiebescherming in militaire voertuigen en vliegtuigsystemen onderzoeken.
Chromaatconversiecoating, of CCC, gebruikt zeswaardig chroom, een bekend kankerverwekkend middel, om corrosie te remmen. Anodiseren met zwavelzuur, SAA, maakt gebruik van zwavelzuur, dat de huid en ogen ernstig kan irriteren en bij inademing kan leiden tot permanente longschade. Miljoenen liters gebruikte chemische oplossingen worden jaarlijks als gevaarlijk afval weggegooid.
Adrian Sabau heeft een met primer gecoat monster, dat is voorbehandeld met een laser-interferentie-structureringstechniek en dat de hechting van de coating vertoont. Credit: Carlos Jones/ORNL, US Department of Energy. Hoofdverhaal - Adrian Sabau, CCSD, en zijn onderzoek naar de techniek voor het structureren van laserinterferentie, 13 augustus 2021. Sabau met een met primer gecoat exemplaar, dat aanvankelijk was gestructureerd met laserinterferentie. Het monster vertoont een uitstekende hechting van de X-cut coating.
Het leger exploiteert meer dan 12,000 vliegtuigen, 10,000 tanks, honderden schepen en een groot aantal andere voertuigen en wapensystemen. DoD bezit en exploiteert honderden industriële faciliteiten die deze voertuigen en apparatuur produceren en repareren, en besteden jaarlijks meer dan $ 20 miljard aan corrosiebescherming. Het Strategic Environmental Research and Development Program van het bureau, of SERDP, gepland en uitgevoerd in samenwerking met het Department of Energy en de Environmental Protection Agency, is "gericht op het ontwikkelen van alternatieve technologieën om materialen en processen die van belang zijn voor het milieu te elimineren", zegt Robin Nissan, programmamanager. manager van SERDP en zijn zusterprogramma, het Environmental Security Technology Certification Program.
"Onze verdedigingssystemen moeten worden gerepareerd en opgeknapt", zei hij. "Onze programma's investeren in de ontwikkeling van alternatieve processen die kunnen zorgen voor robuuste prestaties, duurzame praktijken en het elimineren van milieurisico's."
In drie opeenvolgende publicaties hebben ORNL-materiaalwetenschapper Adrian Sabau en een team van chemici en productiewetenschappers een LIS-techniek beschreven, gedemonstreerd en geanalyseerd en de prestaties ervan vergeleken met de traditionele oplosmiddelintensieve methoden. Co-auteurs van het onderzoek waren ORNL's Jiheon Jun, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard en Jian Chen.
Adrian Sabau registreert instellingen in een test van het laserinterferentiestructureringssysteem. Krediet: Carlos Jones/ORNL, US Department of Energy
Sabau, die gespecialiseerd is in materiaalverwerking zoals metaalgieten en stollen, en zijn team hadden onlangs een project voltooid met behulp van LIS voor verlijming in automobieltoepassingen. Toen hij DoD's oproep voor onderzoek naar niet-oplosbare oppervlaktevoorbereiding las, erkende Sabau dat een vergelijkbare techniek ook effectief zou kunnen zijn voor het hechten van coatings.
In hun experimenten behandelden ze aluminiumlegeringsplaten door de primaire straal van een gepulseerde nanoseconde-laser in twee stralen te splitsen en deze op dezelfde plek op het monsteroppervlak te concentreren. Dit proces verruwde het oppervlak met periodieke structuren, veranderde de oppervlaktechemie en de microstructuur onder het oppervlak.
“Bij laserverwerking oefen je veel energie uit op het bovenoppervlak, en we moeten begrijpen wat er met het substraat gebeurt. Is het beschadigd? Kraakt het? Zijn er microstructuureffecten die niet gunstig zijn voor de corrosiebescherming?” zei Sabau.
Een monster met primercoating vertoont sporen van het lasersysteem. Krediet: Carlos Jones/ORNL, US Department of Energy
Meyer, een fysisch chemicus, en Leonard, een microscopist, hebben bijgedragen aan het karakteriseringswerk geschetst in Optica en lasertechnologie. Meyer voerde chemische oppervlakteanalyse uit met behulp van röntgenfoto-elektronspectroscopie of XPS.
"XPS is een materiaalkarakteriseringstechniek die kan bepalen welke elementen zich op het oppervlak bevinden - de top 5 tot 8 nanometer - van vaste materialen", zei Meyer. “Vóór de laserverwerking werd XPS gebruikt om de chemische samenstelling te bepalen van de zoals ontvangen aluminiumlegeringsplaten, die grote hoeveelheden koolstof vertoonden. XPS werd opnieuw gebruikt om te bepalen of de laserbewerking het oppervlak heeft gereinigd. De resultaten toonden een significante vermindering van de koolstof en was een van onze belangrijkste bevindingen. XPS, samen met de resultaten van elektronenmicroscopie, hielpen ons te begrijpen hoe het oorspronkelijke oxide werd veranderd door middel van laserverwerking."
Sabau voegde toe: "Bij het kijken naar de karakterisering van de ondergrond, vonden we een gunstig aspect waar we per ongeluk tegenaan liepen. In de toplaag zagen we het oplossen van koperrijke precipitaten, waar corrosie kan ontstaan.”
Nadat een plaat van een aluminiumlegering is gereinigd, verhindert de oppervlakte-energie vaak dat de coating goed blijft plakken, een bekend probleem bij industriële oppervlaktecoatings. De teams volgende publicatieVoor de International Journal of hechting en lijmen, keek naar de adhesie van de coating en ontdekte dat de LIS-methode hechting opleverde, evenals de industriestandaard en oplosmiddelintensieve CCC- en SAA-technieken. Op basis van deze LIS-techniek is in 2021 een patent verleend voor coatingadhesie.
Voor de adhesiestudie voerde McClurg profilometrie uit op de materialen, een techniek die oppervlaktecontouren in kaart brengt en ruwheidsmetingen levert.
Het derde artikel, gepubliceerd in Corrosie: The Journal of Science and Engineering, schetste de laatste tests die het team van Sabau heeft uitgevoerd met een epoxyprimer die door het Amerikaanse leger wordt gebruikt voor vliegtuigvleugels en -lichamen.
Technicus Mike Stephens voltooide de delicate en tijdgevoelige taak van het aanbrengen van spuitcoatings van primers en topcoats volgens veeleisende DoD-specificaties op legeringsplaten die waren voorbereid met verschillende behandelingen. Vervolgens stelde hij de monsters bloot aan 2,000 uur zoutnevel om de corrosieweerstand gedurende meerdere perioden te onderzoeken. Jun leidde de corrosietesten en onderzocht hoe de LIS-voorbereide oppervlakken vergeleken met conventioneel voorbereide legeringssubstraten, zowel met als zonder primer en een toplaag.
"Het met laserinterferentie behandelde substraat vertoonde een hogere corrosieweerstand", zei Jun, die het resultaat toeschreef aan het oplossen van koperrijke precipitaten. Op de monsters gecoat met primer of primer en topcoat presteerde LIS echter niet zo goed als de chemische oplosmiddeltechnieken, waarbij sommige monsters binnen 96 uur na blootstelling aan zoutnevel blaren vertoonden. Die blaren waren echter klein en bleven stabiel gedurende honderden uren blootstelling.
Het team testte een tweede set monsters die eenvoudig met aceton werden afgeveegd voordat de primer werd aangebracht, wat resulteerde in zeer weinig corrosie en de vorming van blaren werd met honderden uren vertraagd.
Jun zei dat verder onderzoek om LIS te optimaliseren de moeite waard zou zijn.
"Onze onderzoeksaanpak, die elektrochemische metingen op laboratoriumschaal combineert met industrieel toegepaste ASTM [American Society for Testing Materials] zoutsproeitesten, was zeer succesvol en hielp bij een diepgaand begrip van de effecten van laserinterferentiebehandeling," zei hij.
"Voor een proces dat werd uitgevoerd bij omgevingstemperatuur zonder oplosmiddelen, presteerden de meeste monsters buitengewoon goed", zei Sabau. “Deze techniek is een enorme stap in de goede richting naar een niet-chemisch intensieve oppervlaktevoorbereiding voor coatings.”
ORNL wordt beheerd door UT-Battelle voor het Department of Energy's Office of Science, de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten. DOE's Office of Science werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd. Ga voor meer informatie naar energie.gov/wetenschap.
Artikel met dank aan ORNL.
Waardeer je de originaliteit van CleanTechnica? Overweeg om een CleanTechnica-lid, ondersteuner, technicus of ambassadeur - of een beschermheer op Patreon.
PlatoAi. Web3 opnieuw uitgevonden. Gegevensintelligentie versterkt.
Klik hier om toegang te krijgen.