Le scientifique de l'ORNL, Adrian Sabau, décrit les composants d'un système de structuration par interférence laser qui a été utilisé pour traiter les tôles en alliage d'aluminium pour la protection contre la corrosion. Crédit :Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
Une protection durable contre la corrosion est essentielle pour les matériaux utilisés pour les véhicules et les avions afin de garantir l'intégrité structurelle dans des conditions de fonctionnement extrêmes. Deux procédés de prétraitement chimique sont largement utilisés dans les milieux industriels pour préparer l'adhérence du revêtement et protéger les surfaces en alliage d'aluminium contre la corrosion. Bien que très réglementé, les deux procédés utilisent de grandes quantités de composés dangereux avec des risques connus pour l'environnement et la santé.
Une équipe multidisciplinaire de scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a appliqué une structuration par interférence laser, ou LIS, technique qui fait des progrès significatifs vers l'élimination du besoin de ces produits chimiques dangereux. La nouvelle application de la méthode LIS répond à un appel du département américain de la Défense pour des projets de recherche qui explorent des alternatives non chimiques pour la protection contre la corrosion dans les véhicules militaires et les systèmes d'avions.
Revêtement de conversion au chromate, ou CCC, utilise du chrome hexavalent, un cancérigène connu, pour inhiber la corrosion. Anodisation à l'acide sulfurique, SAA, utilise de l'acide sulfurique, qui peut irriter gravement la peau et les yeux, et lorsqu'il est inhalé, peut entraîner des lésions pulmonaires permanentes. Des millions de gallons de solutions chimiques usagées sont éliminés chaque année en tant que déchets dangereux.
L'armée exploite plus de 12, 000 avions, dix, 000 réservoirs, des centaines de navires et une multitude d'autres véhicules et systèmes d'armes. Le DoD possède et exploite des centaines d'installations industrielles qui fabriquent et réparent ces véhicules et équipements, dépensant plus de 20 milliards de dollars en protection contre la corrosion chaque année. Le programme stratégique de recherche et de développement environnemental de l'agence, ou SERDP, planifié et exécuté avec le ministère de l'Énergie et l'Agence de protection de l'environnement, est "axé sur le développement de technologies alternatives pour éliminer les matériaux et les processus qui sont préoccupants pour l'environnement, " a déclaré Robin Nissan, responsable de programme du SERDP et de son programme frère, le programme de certification des technologies de sécurité environnementale.
"Nos systèmes de défense nécessitent des réparations et des rénovations, ", a-t-il déclaré. "Nos programmes investissent dans le développement de procédés alternatifs qui peuvent garantir des performances robustes, pratiques durables et éliminer les risques environnementaux."
Dans trois publications successives, Le scientifique des matériaux de l'ORNL Adrian Sabau et une équipe de chimistes et de scientifiques de la fabrication ont décrit, démontré et analysé une technique LIS et comparé ses performances aux méthodes traditionnelles à forte intensité de solvant. Les co-auteurs de la recherche comprenaient Jiheon Jun de l'ORNL, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard et Jian Chen.
Sabau, qui se spécialise dans le traitement des matériaux tels que le moulage et la solidification des métaux, et son équipe ont récemment terminé un projet utilisant le LIS pour le collage dans les applications automobiles. Quand il a lu l'appel du DoD pour la recherche sur la préparation de surface sans solvant, Sabau a reconnu qu'une technique similaire pourrait également être efficace pour l'adhérence des revêtements.
Adrian Sabau tient un spécimen enduit d'un apprêt, qui a été prétraité avec une technique de structuration par interférence laser et montre une adhérence du revêtement. Crédit :Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
Dans leurs expériences, ils ont traité des feuilles d'alliage d'aluminium en divisant le faisceau primaire d'un laser nanoseconde pulsé en deux faisceaux et en les concentrant sur le même point sur la surface de l'échantillon. Ce processus a rendu la surface rugueuse avec des structures périodiques, modifié la chimie de surface et la microstructure de la sous-surface.
"Dans le traitement laser, vous impactez beaucoup d'énergie sur la surface supérieure, et nous devons comprendre ce qui arrive au substrat. Est-il endommagé ? Est-ce que ça craque ? Y a-t-il des effets de microstructure qui ne sont pas bénéfiques pour la protection contre la corrosion ?", A déclaré Sabau.
Meyer, un physico-chimiste, et Léonard, un microscopiste, contribué aux travaux de caractérisation décrits dans Optique et technologie laser . Meyer a effectué une analyse chimique de surface à l'aide de la spectroscopie photoélectronique à rayons X, ou XPS.
« XPS est une technique de caractérisation des matériaux qui permet de déterminer quels éléments se trouvent à la surface (les 5 à 8 premiers nanomètres) des matériaux solides, " a déclaré Meyer. " Avant le traitement au laser, XPS a été utilisé pour déterminer la composition chimique des feuilles d'alliage d'aluminium telles que reçues, qui a montré des quantités élevées de carbone. XPS a été utilisé à nouveau pour déterminer si le traitement au laser a nettoyé la surface. Les résultats ont montré une réduction significative du carbone et a été l'une de nos principales conclusions. XPS, ainsi que les résultats de la microscopie électronique, nous a aidés à comprendre comment l'oxyde natif a été altéré par le traitement au laser."
Sabau a ajouté, « En examinant la caractérisation du sous-sol, nous avons trouvé un aspect bénéfique auquel nous nous sommes heurtés par accident. Dans la couche supérieure, nous avons vu la dissolution de précipités riches en cuivre, où la corrosion peut s'amorcer."
Après avoir nettoyé une feuille d'alliage d'aluminium, souvent l'énergie de surface empêche le revêtement de bien coller, un problème connu dans les revêtements de surface industriels. La prochaine publication de l'équipe, pour le Journal international de l'adhérence et des adhésifs , a examiné l'adhérence du revêtement et a constaté que la méthode LIS offrait une adhérence ainsi que les techniques CCC et SAA standard de l'industrie et à forte intensité de solvant. Un brevet pour l'adhérence des revêtements a été décerné en 2021 sur la base de cette technique LIS.
Pour l'étude d'adhésion, McClurg a réalisé une profilométrie sur les matériaux, une technique qui cartographie les contours de la surface et fournit des mesures de rugosité.
Un spécimen revêtu d'un apprêt montre des marques du système laser. Crédit :Carlos Jones/ORNL, Département américain de l'énergie
Le troisième papier, Publié dans Corrosion:Le Journal de la Science et de l'Ingénierie , a décrit les derniers tests que l'équipe de Sabau a menés avec un apprêt époxy utilisé par l'armée américaine pour les ailes et les corps d'avion.
Le technicien Mike Stephens a terminé la tâche délicate et urgente d'appliquer des revêtements par pulvérisation d'apprêts et de couches de finition selon les spécifications rigoureuses du DoD sur des feuilles d'alliage qui avaient été préparées avec différents traitements. Il a ensuite exposé les échantillons à 2, 000 heures de brouillard salin pour examiner la résistance à la corrosion à plusieurs périodes. Jun a dirigé les tests de corrosion, étudier comment les surfaces préparées par LIS par rapport aux substrats en alliage préparés de manière conventionnelle, avec et sans apprêt et couche de finition.
"Le substrat traité par interférence laser présentait une résistance à la corrosion plus élevée, " dit Jun, qui a attribué le résultat à la dissolution de précipités riches en cuivre. Cependant, sur les échantillons enduits de primaire ou primaire et couche de finition, Le LIS n'a pas été aussi performant que les techniques de solvants chimiques, certains échantillons présentant des cloques dans les 96 heures suivant l'exposition au brouillard salin. Cependant, ces cloques étaient petites et sont restées stables pendant des centaines d'heures d'exposition.
L'équipe a testé une deuxième série d'échantillons qui ont été simplement essuyés avec de l'acétone avant l'application de l'apprêt, entraînant très peu de corrosion, et la formation de cloques a été retardée de centaines d'heures.
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, " il a dit.
"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."
