Технологии поверхностной коррозии и защиты материалов в суровых условиях: коррозия и защита в условиях морской атмосферы

Передовые материалы составляют основу и гарантируют достижение высокой производительности, высокой надежности, облегченной конструкции и миниатюризации в новейшем-оборудовании, таком как атомные энергетические системы, корабли, ракеты-носители, спутники и аэрокосмические аппараты. При реализации крупных стратегических проектов,-включая морскую технику, космические станции, исследование дальнего-космоса, тяжелые-ракеты-носители, большие самолеты, космически-наземные транспортные системы и ядерную энергетику,-ключевые компоненты все чаще требуют надежной работы в течение длительного срока службы в экстремальных условиях, таких как высокая скорость, высокая температура, высокое давление, большие нагрузки, агрессивные среды и радиация. В таких суровых условиях эксплуатации коррозия и износ материалов являются основными механизмами отказа и становятся основными узкими местами, ограничивающими разработку высокотехнологичного оборудования.

В последние годы были проведены обширные международные исследования в четырех основных областях: коррозия и защита, снижение трения и смазка, износостойкость и упрочнение поверхности, а также ремонт и восстановление. Исследования были сосредоточены на механизмах коррозии и технологиях защиты морской атмосферы, глубоководных-морских сред, регионов холодных плато и сред ядерной радиации. Параллельно в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность и геологическое бурение, используются передовые технологии-твердой смазки с длительным сроком службы, высоко-твердой смазки при высоких температурах и технологии поверхностного упрочнения. Для продления срока службы оборудования также была создана и широко исследована область восстановления.

В этой серии статей будут рассмотрены текущий статус применения и тенденции развития технологий защиты поверхности материалов в суровых условиях с разных точек зрения.

Мы начинаем сисследование технологий коррозии и защиты.

Проблемы коррозии возникают вместе с конструкцией материалов и уже давно влияют на срок службы. По мере совершенствования-высокотехнологичного оборудования условия эксплуатации становятся все более суровыми, что предъявляет более высокие требования к защите материалов. Военная техника как основной компонент национальной обороны характеризуется разнообразием типов, большими количествами, длительными сроками хранения и сложными условиями эксплуатации. Крупномасштабное-оборудование, такое как самолеты, корабли и атомные электростанции, обычно должно надежно работать в течение длительного времени в суровых условиях. Коррозия даже одного компонента может представлять значительную угрозу безопасности и поставить под угрозу общую производительность системы.

Среди природных сред морская среда особенно агрессивна в плане коррозии. Обычные оксидные пленки обеспечивают ограниченную защиту в морских условиях. По неполным статистическим данным, потери от морской коррозии составляют примерно одну-треть общих потерь материалов от коррозии, что значительно превышает потери в других средах. В морских условиях коррозия обусловлена ​​механической коррозией, электрохимической коррозией и биологической коррозией. Соответствующие стратегии защиты делятся на три основные категории: соответствующий выбор материалов и структурный дизайн, защита поверхности материалов и катодная защита с использованием приложенного тока или протекторных анодов.

Кроме того, пристального внимания требуют старение материалов, ветровая эрозия и абразивный износ в полярных и-высотных регионах, а также проблемы, связанные с высокими-температурами, высоким-давлением и радиацией в ядерных реакторах.

Морская атмосферная коррозия в основном вызвана тонкими пленками жидкости, образующимися во влажных атмосферных условиях, и наиболее распространена в жарких и влажных прибрежных регионах. Когда кислотные загрязнители или частицы соли присутствуют в морской атмосфере с высокой-температурой и-влажностью, коррозия еще больше ускоряется. Такие среды могут привести к коррозии металлических поверхностей,-например, к локальной коррозии магазинов легкого оружия, подвергающихся воздействию морской атмосферы. Они также могут стать причиной выхода из строя защитных покрытий, например старения покрытия, коррозии под-пленкой, образования пузырей и отслаивания во время хранения боеприпасов. Более того, не-неметаллические материалы, такие как резина и пластмассы, в этих условиях могут подвергаться деформации, охрупчиванию, растрескиванию, набуханию и образованию плесени.

Защита поверхности покрытия в настоящее время является одной из наиболее широко применяемых и эффективных технологий защиты от-коррозии военной техники. Проектирование и выбор защитных покрытий должны полностью учитывать конкретные условия эксплуатации различных типов оборудования, а функциональные системы покрытий должны разрабатываться в соответствии с реальными требованиями. Например, было показано, что микро-дуговое оксидирование магниевых сплавов с использованием биполярного импульсного управления значительно улучшает коррозионную стойкость покрытия.

Исследования показали, что многослойные покрытия Cr/GLC с различными периодами модуляции, нанесенные на нержавеющую сталь 316L методом магнетронного распыления постоянного тока, могут заметно улучшить характеристики трения и износа в искусственной морской воде. На судовые конструкции, часто подвергающиеся воздействию морской воды, обычно наносятся цинковые или алюминиевые покрытия, наносимые дуговым-напылением, для придания превосходной стойкости к коррозии в морской воде. Для решения проблемы микробной адгезии и коррозии в морской воде судостроительная промышленность внедрила интеллектуальные покрытия с противообрастающими и антибактериальными функциями. Помимо этих традиционных технологий нанесения покрытий, другие подходы,-такие как химические покрытия из аморфных сплавов и композитные покрытия из наночастиц-также продемонстрировали значительный потенциал применения.

Покрытия на основе графена-и самовосстанавливающиеся-покрытия в последние годы стали основными объектами исследований в области морских анти-коррозионных покрытий. Исследования показали, что графеновые покрытия могут значительно улучшить стойкость к окислению по сравнению с обычными подложками Cu/Ni. Исследования графеновых покрытий в первую очередь сосредоточены на органических и неорганических системах покрытий. Ранние работы продемонстрировали методы приготовления графеновых покрытий с использованием полиметилметакрилата в качестве промежуточной среды, что привело к существенному повышению коррозионной стойкости.

Графен также использовался для модификации существующих покрытий. Например, было показано, что добавление графена в эпоксидные покрытия на водной основе улучшает общие характеристики покрытия по сравнению с обычными эпоксидными анти-коррозионными покрытиями. В области неорганических покрытий все большее внимание уделяется модификации графена. Исследования показывают, что добавление графена в неорганические анти-коррозионные покрытия позволяет добиться стойкости к солевому туману до 1200 часов при весе покрытия всего 100–150 мг/дм², что демонстрирует значительное улучшение защиты от коррозии. Замена металлического хрома графеном в покрытиях Dacromet также привела к хорошей коррозионной стойкости и повышению экологической безопасности.

Самовосстанавливающиеся анти-коррозионные покрытия представляют собой новый класс интеллектуальных защитных покрытий, которые могут восстанавливать коррозионную стойкость после повреждения в определенных условиях. Существующие самовосстанавливающиеся покрытия обычно делятся на автономные и не-автономные системы. Автономные самовосстанавливающиеся покрытия-обычно основаны на инкапсулированных пленкообразователях-или ингибиторах коррозии для восстановления поврежденных участков. Исследования показали, что механизмы межфазной полимеризации,-такие как реакции между изоцианатами и водой-могут эффективно заполнять дефекты после повреждения покрытия. Другие исследования подтвердили, что включение в покрытия из алкидных смол ингибиторов коррозии, таких как додециламин, может значительно снизить коррозию.

Не-автономные самовосстанавливающиеся-покрытия полагаются на внешние раздражители, такие как температура или свет, которые запускают механизмы восстановления. Например, были разработаны системы катионной полимеризации, индуцированные ультрафиолетовым-светом-, позволяющие восстанавливать покрытия под воздействием УФ-излучения.