Laserbehandling viser potentiale for at reducere industriel kemisk behandling af køretøjer

Langvarig beskyttelse mod korrosion er afgørende for materialer, der bruges til køretøjer og fly for at sikre strukturel integritet under ekstreme driftsforhold. To kemiske forbehandlingsprocesser anvendes i vid udstrækning i industrielle omgivelser til at forberede belægningsadhæsion og beskytte aluminiumslegeringsoverflader mod korrosion. Selvom det er stærkt reguleret, begge processer bruger store mængder af farlige forbindelser med kendte miljø- og sundhedsrisici.

Et tværfagligt team af forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har anvendt en laserinterferensstrukturering, eller LIS, teknik, der gør betydelige fremskridt i retning af at eliminere behovet for disse farlige kemikalier. Den nye anvendelse af LIS-metoden besvarer et opkald fra det amerikanske forsvarsministerium til forskningsprojekter, der udforsker ikke-kemiske alternativer til korrosionsbeskyttelse i militære køretøjer og flysystemer.

Kromatomdannelsesbelægning, eller CCC, bruger hexavalent krom, et kendt kræftfremkaldende stof, at hæmme korrosion. svovlsyre anodisering, SAA, bruger svovlsyre, som kan irritere hud og øjne alvorligt, og ved indånding, kan føre til permanent lungeskade. Millioner af liter brugte kemiske opløsninger bortskaffes årligt som farligt affald.

Militæret opererer mere end 12, 000 fly, 10, 000 tanke, hundredvis af skibe og et væld af andre køretøjer og våbensystemer. DoD ejer og driver hundredvis af industrielle faciliteter, der fremstiller og reparerer disse køretøjer og udstyr, bruger mere end 20 milliarder dollars i korrosionsbeskyttelse årligt. Agenturets strategiske miljøforsknings- og udviklingsprogram, eller SERDP, planlagt og udført med Department of Energy og Environmental Protection Agency, er "fokuseret på at udvikle alternative teknologier for at eliminere materialer og processer, der er af miljømæssig interesse, " sagde Robin Nissan, programleder for SERDP og dets søsterprogram, miljøsikkerhedsteknologicertificeringsprogrammet.

"Vores forsvarssystemer kræver reparation og renovering, " sagde han. "Vores programmer investerer i udviklingen af ​​alternative processer, der kan sikre robust ydeevne, bæredygtig praksis og eliminer miljørisici."

I tre på hinanden følgende publikationer, ORNL-materialeforsker Adrian Sabau og et team af kemikere og fremstillingsforskere beskrev, demonstrerede og analyserede en LIS-teknik og sammenlignede dens ydeevne med de traditionelle opløsningsmiddelintensive metoder. Medforfattere til forskningen inkluderede ORNL's Jiheon Jun, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard og Jian Chen.

Sabau - som har specialiseret sig i materialebearbejdning såsom metalstøbning og størkning - og hans team havde for nylig afsluttet et projekt med brug af LIS til limning i bilindustrien. Da han læste DoD's opfordring til forskning i ikke-opløsningsmiddel overfladeforberedelse, Sabau erkendte, at en lignende teknik også kunne være effektiv til belægningsadhæsion.

I deres eksperimenter, de behandlede aluminiumslegeringsplader ved at opdele den primære stråle fra en pulserende nanosekundlaser i to stråler og fokusere dem på det samme sted på prøvens overflade. Denne proces gjorde overfladen ru med periodiske strukturer, ændrede overfladekemi og mikrostruktur under overfladen.

"I laserbehandling, du påvirker masser af energi på den øverste overflade, og vi skal forstå, hvad der sker med underlaget. Er den beskadiget? Knækker det? Er der nogen mikrostruktureffekter, der ikke er gavnlige for korrosionsbeskyttelse?" sagde Sabau.

Meyer, en fysisk kemiker, og Leonard, en mikroskopist, bidraget til karakteriseringsarbejdet beskrevet i Optik og laserteknologi . Meyer udførte overfladekemisk analyse ved hjælp af røntgenfotoelektronspektroskopi, eller XPS.

"XPS er en materialekarakteriseringsteknik, der kan bestemme, hvilke elementer der er på overfladen - de øverste 5 til 8 nanometer - af faste materialer, " sagde Meyer. "Før laserbehandling, XPS blev brugt til at bestemme den kemiske sammensætning af de modtagne aluminiumslegeringsplader, som viste høje mængder kulstof. XPS blev brugt igen til at bestemme, om laserbehandlingen rensede overfladen. Resultaterne viste en betydelig reduktion af kulstoffet og var et af vores nøgleresultater. XPS, sammen med elektronmikroskopiresultater, hjalp os med at forstå, hvordan det native oxid blev ændret gennem laserbehandling."

Sabau tilføjede, "Når man ser på karakterisering af undergrunden, vi fandt et gavnligt aspekt, som vi stødte ind i ved et uheld. I det øverste lag, vi så opløsningen af ​​kobberrige bundfald, hvor korrosion kan initiere."

Efter at en aluminiumslegeringsplade er rengjort, ofte forhindrer overfladeenergien, at belægningen klæber ordentligt, et kendt problem i industrielle overfladebelægninger. Holdets næste udgivelse, for International Journal of Adhesion and Adhesives , kiggede på belægningsadhæsion og fandt ud af, at LIS-metoden gav vedhæftning såvel som industristandarden og opløsningsmiddelintensive CCC- og SAA-teknikker. Et patent på belægningsadhæsion blev tildelt i 2021 baseret på denne LIS-teknik.

Til adhæsionsundersøgelsen, McClurg udførte profilometri på materialerne, en teknik, der kortlægger overfladekonturer og giver ruhedsmålinger.

Det tredje papir, udgivet i Korrosion:Journal of Science and Engineering , skitserede de sidste test, som Sabaus team udførte med en epoxyprimer, der blev brugt af det amerikanske militær til flyvinger og -kroppe.

Tekniker Mike Stephens fuldførte den delikate og tidsfølsomme opgave med at påføre spraybelægninger af primere og topcoatinger til krævende DoD-specifikationer på legeringsplader, der var blevet forberedt med forskellige behandlinger. Han udsatte derefter prøverne for 2, 000 timers saltspray for at undersøge korrosionsbestandighed i flere perioder. Jun ledede korrosionstestningen, at undersøge, hvordan de LIS-forberedte overflader sammenlignet med konventionelt fremstillede legeringssubstrater, både med og uden primer og topcoat.

"Det laserinterferensbehandlede substrat udviste højere korrosionsbestandighed, " sagde Jun, som tilskrev resultatet til opløsning af kobberrige bundfald. Imidlertid, på prøver belagt med primer eller primer og topcoat, LIS fungerede ikke så godt som de kemiske opløsningsmiddelteknikker, med nogle prøver, der viser blærer inden for 96 timer efter eksponering for saltspray. Imidlertid, disse blærer var små og forblev stabile gennem hundredvis af timers eksponering.

The team tested a second set of samples that were simply wiped down with acetone prior to the application of primer, resulting in very little corrosion, and the formation of blisters was delayed by hundreds of hours.

Jun said further investigation to optimize LIS would be worthwhile.

"Our research approach, 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, " han sagde.

"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."