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 sterk gereguleerd, beide processen gebruiken 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 laserinterferentiestructurering toegepast, of LIS, techniek die aanzienlijke vooruitgang boekt in de richting van 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.

Chromaat conversie coating, of CCC, gebruikt zeswaardig chroom, een bekend kankerverwekkend, corrosie tegen te gaan. zwavelzuur anodiseren, SAA, gebruikt zwavelzuur, die de huid en ogen ernstig kunnen irriteren, en bij inademing, kan leiden tot blijvende longschade. Miljoenen liters gebruikte chemische oplossingen worden jaarlijks als gevaarlijk afval weggegooid.

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 vervaardigen en repareren, jaarlijks meer dan $ 20 miljard uitgeven aan corrosiebescherming. Het Strategisch Milieuonderzoek en Ontwikkelingsprogramma van het agentschap, of SERDP, gepland en uitgevoerd met het ministerie van Energie 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, " zei Robin Nissan, programmamanager van SERDP en zijn zusterprogramma, het Environmental Security Technology Certification Program.

"Onze verdedigingssystemen hebben reparatie en renovatie nodig, " zei hij. "Onze programma's investeren in de ontwikkeling van alternatieve processen die robuuste prestaties kunnen garanderen, duurzame praktijken en elimineren van milieurisico's."

In drie opeenvolgende publicaties ORNL-materiaalwetenschapper Adrian Sabau en een team van chemici en productiewetenschappers beschreven:demonstreerde en analyseerde een LIS-techniek en vergeleek de prestaties ervan met de traditionele oplosmiddelintensieve methoden. Co-auteurs van het onderzoek waren onder meer Jiheon Jun van ORNL, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meijer III, Donovan Leonard en Jian Chen.

Sabau - die gespecialiseerd is in materiaalverwerking zoals metaalgieten en stollen - en zijn team hadden onlangs een project voltooid waarbij LIS werd gebruikt voor verlijming in automobieltoepassingen. Toen hij DoD's oproep voor onderzoek naar niet-oplosbare oppervlaktevoorbereiding las, Sabau erkende dat een vergelijkbare techniek ook effectief zou kunnen zijn voor de hechting van coatings.

In hun experimenten, ze behandelden 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 ondergrondse microstructuur.

"Bij laserbewerking je beïnvloedt veel energie 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 bescherming tegen corrosie?" zei Sabau.

Meijer, een fysisch chemicus, en Leonard, een microscopist, bijgedragen aan het karakteriseringswerk dat wordt beschreven in Optica en lasertechnologie . Meyer voerde chemische oppervlakteanalyse uit met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie, of XPS.

"XPS is een materiaalkarakteriseringstechniek die kan bepalen welke elementen zich op het oppervlak bevinden - de bovenste 5 tot 8 nanometer - van vaste materialen, " zei Meyer. "Vóór laserverwerking, XPS werd gebruikt om de chemische samenstelling van de als ontvangen aluminiumlegeringsplaten te bepalen, 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 elektronenmicroscopieresultaten, hielp ons te begrijpen hoe het oorspronkelijke oxide werd veranderd door laserverwerking."

Sabau heeft toegevoegd, "Als we kijken naar de karakterisering van de ondergrond, we vonden een gunstig aspect dat we per ongeluk tegenkwamen. In de bovenste laag, we zagen het oplossen van koperrijke precipitaten, waar corrosie kan ontstaan."

Nadat een plaat van een aluminiumlegering is schoongemaakt, vaak verhindert de oppervlakte-energie dat de coating goed blijft plakken, een bekend probleem bij industriële oppervlaktecoatings. volgende publicatie van het team, voor de International Journal of Adhesion and Adhesives , 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 het adhesieonderzoek McClurg voerde profilometrie uit op de materialen, een techniek die oppervlaktecontouren in kaart brengt en ruwheidsmetingen levert.

Het derde blad, gepubliceerd in Corrosie:The Journal of Science and Engineering , schetste de laatste tests die het team van Sabau uitvoerde met een epoxyprimer die door het Amerikaanse leger werd gebruikt voor vliegtuigvleugels en -lichamen.

Technicus Mike Stephens voltooide de delicate en tijdgevoelige taak van het aanbrengen van spraycoatings 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 in meerdere perioden te onderzoeken. Jun leidde de corrosietesten, onderzoeken hoe de LIS-voorbereide oppervlakken in vergelijking met conventioneel voorbereide legeringssubstraten, zowel met als zonder primer en een topcoat.

"Het met laserinterferentie behandelde substraat vertoonde een hogere corrosieweerstand, " zei Jun, die het resultaat toeschreef aan het oplossen van koperrijke precipitaten. Echter, op de monsters gecoat met primer of primer en topcoat, LIS presteerde niet zo goed als de chemische oplosmiddeltechnieken, met enkele monsters die blaren vertoonden binnen 96 uur na blootstelling aan zoutnevel. Echter, die blaren waren klein en bleven stabiel gedurende honderden uren blootstelling.

Het team testte een tweede set monsters die eenvoudigweg met aceton werden afgeveegd voordat de primer werd aangebracht. wat resulteert in zeer weinig corrosie, en de vorming van blaren werd honderden uren vertraagd.

Jun zei dat verder onderzoek om LIS te optimaliseren de moeite waard zou zijn.

"Onze onderzoeksaanpak, combining lab-scale electrochemical measurements and industrially adopted ASTM [American Society for Testing Materials] salt spray testing, was very successful and aided in-depth understanding of the effects of laser interference treatment, " hij zei.

"For a process that was conducted at ambient temperature without solvents, most of the samples performed extremely well, " Sabau said. "This technique is a huge step in the right direction towards nonchemical intensive surface preparation for coatings."