Långvarigt skydd mot korrosion är viktigt för material som används för fordon och flygplan för att säkerställa strukturell integritet under extrema driftsförhållanden. Två kemiska förbehandlingsprocesser används ofta i industriella miljöer för att förbereda för beläggningsvidhäftning och skydda aluminiumlegeringsytor mot korrosion. Även om det är mycket reglerat, båda processerna använder stora mängder farliga föreningar med kända miljö- och hälsorisker.

Ett multidisciplinärt team av forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har tillämpat en laserinterferensstrukturering, eller LIS, teknik som gör betydande framsteg mot att eliminera behovet av dessa farliga kemikalier. Den nya tillämpningen av LIS-metoden svarar på en uppmaning från det amerikanska försvarsdepartementet till forskningsprojekt som utforskar icke-kemiska alternativ för korrosionsskydd i militära fordon och flygplanssystem.

Kromatomvandlingsbeläggning, eller CCC, använder sexvärt krom, ett känt cancerframkallande ämne, för att förhindra korrosion. Svavelsyraanodisering, SAA, använder svavelsyra, som allvarligt kan irritera hud och ögon, och vid inandning, kan leda till bestående lungskador. Miljontals liter använda kemiska lösningar slängs årligen som farligt avfall.

Militären opererar mer än 12, 000 flygplan, 10, 000 tankar, hundratals fartyg och en mängd andra fordon och vapensystem. DoD äger och driver hundratals industrianläggningar som tillverkar och reparerar dessa fordon och utrustning, spenderar mer än 20 miljarder dollar i korrosionsskydd årligen. Byråns strategiska miljöforsknings- och utvecklingsprogram, eller SERDP, planeras och genomförs med Department of Energy och Environmental Protection Agency, är "fokuserad på att utveckla alternativa tekniker för att eliminera material och processer som är av miljöhänsyn, sa Robin Nissan, programledare för SERDP och dess systerprogram, certifieringsprogrammet för miljösäkerhetsteknik.

"Våra försvarssystem kräver reparation och renovering, " sa han. "Våra program investerar i utvecklingen av alternativa processer som kan säkerställa robust prestanda, hållbara metoder och eliminera miljörisker."

I tre på varandra följande publikationer, ORNL materialforskare Adrian Sabau och ett team av kemister och tillverkningsforskare beskrev, demonstrerade och analyserade en LIS-teknik och jämförde dess prestanda med de traditionella lösningsmedelskrävande metoderna. Medförfattare till forskningen inkluderade ORNL:s Jiheon Jun, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard och Jian Chen.

Sabau – som är specialiserad på materialbearbetning som metallgjutning och stelning – och hans team hade nyligen avslutat ett projekt med LIS för limning i fordonstillämpningar. När han läste DoD:s uppmaning till forskning om icke-lösningsmedelsförberedelse, Sabau insåg att en liknande teknik också kunde vara effektiv för beläggningsvidhäftning.

I sina experiment, de behandlade aluminiumplåtar genom att dela upp den primära strålen från en pulsad nanosekundlaser i två strålar och fokusera dem på samma plats på provets yta. Denna process ruggade ytan med periodiska strukturer, förändrat ytkemin och mikrostrukturen under ytan.

"Inom laserbehandling, du påverkar mycket energi på den övre ytan, och vi måste förstå vad som händer med substratet. Är den skadad? Spricker det? Finns det några mikrostruktureffekter som inte är fördelaktiga för korrosionsskyddet?" sa Sabau.

Meyer, en fysikalisk kemist, och Leonard, en mikroskopist, bidragit till det karakteriseringsarbete som beskrivs i Optik och laserteknik . Meyer genomförde ytkemisk analys med röntgenfotoelektronspektroskopi, eller XPS.

"XPS är en materialkarakteriseringsteknik som kan bestämma vilka element som finns på ytan - de översta 5 till 8 nanometern - av fasta material, " sa Meyer. "Innan laserbehandling, XPS användes för att bestämma den kemiska sammansättningen av de mottagna aluminiumlegeringsplåtarna, som visade höga mängder kol. XPS användes igen för att avgöra om laserbehandlingen rengjorde ytan. Resultaten visade en betydande minskning av kolet och var ett av våra nyckelresultat. XPS, tillsammans med elektronmikroskopiresultat, hjälpte oss att förstå hur den naturliga oxiden förändrades genom laserbearbetning."

Sabau lade till, "När man tittar på karakterisering under ytan, vi hittade en fördelaktig aspekt som vi stötte på av en slump. I det översta lagret, vi såg upplösningen av kopparrika fällningar, där korrosion kan initiera."

Efter att en aluminiumplåt har rengjorts, ofta hindrar ytenergin att beläggningen fastnar ordentligt, ett känt problem i industriell ytbeläggning. Teamets nästa publikation, för International Journal of Adhesion and Adhesives , tittade på beläggningsvidhäftning och fann att LIS-metoden gav vidhäftning såväl som industristandard och lösningsmedelsintensiva CCC- och SAA-tekniker. Ett patent för beläggningsvidhäftning tilldelades 2021 baserat på denna LIS-teknik.

För adhesionsstudien, McClurg genomförde profilometri på materialen, en teknik som kartlägger ytkonturer och ger råhetsmätningar.

Den tredje tidningen, publiceras i Korrosion:Journal of Science and Engineering , beskrev de sista testerna som Sabaus team genomförde med en epoxiprimer som används av den amerikanska militären för flygplansvingar och kroppar.

Teknikern Mike Stephens slutförde den känsliga och tidskänsliga uppgiften att applicera spraybeläggningar av primers och topplacker enligt exakta DoD-specifikationer på legeringsplåtar som hade förberetts med olika behandlingar. Han exponerade sedan proverna för 2, 000 timmars saltspray för att undersöka korrosionsbeständigheten vid flera perioder. Jun ledde korrosionstestningen, undersöka hur de LIS-preparerade ytorna jämfört med konventionellt preparerade legeringssubstrat, både med och utan primer och topplack.

"Det laserstörningsbehandlade substratet uppvisade högre korrosionsbeständighet, sa Jun, som tillskrev resultatet till att kopparrika fällningar löstes upp. Dock, på proverna belagda med primer eller primer och topplack, LIS presterade inte lika bra som teknikerna för kemiska lösningsmedel, med vissa prover som visar blåsor inom 96 timmar efter exponering för saltspray. Dock, dessa blåsor var små och förblev stabila under hundratals timmars exponering.

Teamet testade en andra uppsättning prover som helt enkelt torkades av med aceton före appliceringen av primer, vilket resulterar i mycket liten korrosion, och bildandet av blåsor försenades med hundratals timmar.

Jun sa att ytterligare undersökningar för att optimera LIS skulle vara värt besväret.

"Vår forskningsmetod, kombinerar elektrokemiska mätningar i laboratorieskala och industriellt antagna ASTM [American Society for Testing Materials] saltspraytestning, was very successful and aided in-depth understanding of the effects of laser interference treatment, " han sa.

"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."