Wraz z rozwojem eksploracji zasobów polarnych i żeglugi polarnej, znaczną uwagę zwrócono na materiały do ​​sprzętu polarnego i technologie ochronne przed uszkodzeniami w ekstremalnych warunkach. Aby sprostać potrzebom ochrony antykorozyjnej stali inżynieryjnej morskiej i ocenić wydajność stali nierdzewnej w warunkach niskich temperatur, zastosowano technologię powlekania laserowego do wytworzenia powłok ze stali nierdzewnej austenitycznej 316L i stali nierdzewnej dupleksowej 2205 na powierzchni stali FH690. Powłoki te poddano rocznemu testowi ekspozycji w środowisku atmosferycznym stacji Zhongshan na Antarktydzie. Wyniki wykazały, że powłoki ze stali nierdzewnej skutecznie zmniejszyły szybkość korozji podłoża ze stali morskiej. Przeanalizowano mikrostrukturę, mikrotwardość, zachowanie trybologiczne, zachowanie korozji elektrochemicznej i stabilność próbek w warunkach polarnych niskich temperatur. Wyniki wskazały, że powłoka 316L wykazywała niewielką korozję wżerową, podczas gdy powłoka 2205 wykazywała niewielką selektywną korozję. Obie powłoki zachowały swoje poziomy mikrotwardości i odporności na zużycie sprzed ekspozycji, przy niewielkim zmniejszeniu odporności na korozję. Powłoki ze stali nierdzewnej pokrytej laserem wykazały stabilność struktury fazowej i wydajności w środowisku ekspozycji atmosferycznej Antarktydy, zapewniając skuteczną ochronę niskotemperaturowego podłoża stalowego. Wyniki te stanowią cenne wsparcie dla oceny przystosowalności środowiskowej materiałów stosowanych w sprzęcie polarnym i rozwoju technologii powłok odpornych na korozję.

W ostatnich latach, wraz z globalnym ociepleniem, niedoborem zasobów i zmianami środowiskowymi, eksploracja zasobów polarnych, rozwój żeglugi polarnej i ochrona interesów polarnych przyciągnęły coraz większą uwagę narodów na całym świecie. Badania wykazały, że region Arktyki zawiera około 30% światowych nierozwiniętych zasobów gazu ziemnego i 13% światowych nierozwiniętych rezerw ropy naftowej, podczas gdy Antarktyda jest gospodarzem największego na świecie złoża węgla, znajdującego się pod pokrywą lodową Antarktydy Wschodniej, z szacowanymi rezerwami około 500 miliardów ton. W procesach eksploracji, rozwoju i ochrony regionów polarnych, wydajność operacyjna wysokowydajnego sprzętu polarnego, takiego jak lodołamacze, platformy morskie i stacje naziemne, ma kluczowe znaczenie. Jednak środowisko polarne jest złożone i surowe, ze średnią roczną temperaturą wynoszącą około -22.3°C w Arktyce i między -28.9°C a -35°C na całym kontynencie Antarktycznym. Tylko 1 do 4 miesięcy w roku charakteryzuje się średnimi miesięcznymi temperaturami pomiędzy 0°C a 10°C, przy czym ekstremalne warunki pogodowe obniżają temperatury robocze do -70°C. W połączeniu z suchymi sztormami, intensywnym promieniowaniem ultrafioletowym, cyklami zamarzania i rozmarzania oraz burzowymi opadami śniegu, sprzęt polarny jest narażony na długotrwałe i poważne uszkodzenia korozyjne spowodowane narażeniem na niską temperaturę atmosferyczną. W przypadku ruchomych elementów lodołamaczy, platform wiertniczych i systemów magazynowych należy również wziąć pod uwagę dodatkowe uszkodzenia spowodowane obciążeniami naprężeniowymi i zużyciem. W związku z tym przystosowalność środowiskowa materiałów do sprzętu polarnego od dawna stanowi przedmiot szeroko zakrojonych badań naukowych.

Obecnie materiały metalowe do sprzętu polarnego składają się głównie ze stali niskotemperaturowych, które są stalami o wysokiej wydajności zaprojektowanymi tak, aby wykazywały doskonałą wytrzymałość i spawalność w niskich temperaturach. Zazwyczaj obejmują one stale niskostopowe na bazie ferrytu i austenityczne stale nierdzewne Fe-Cr-Ni. Stale niskostopowe niskotemperaturowe są szeroko stosowane ze względu na ich opłacalność i są powszechnie produkowane przy użyciu procesu kontroli termomechanicznej (TMCP), który zwiększa wytrzymałość, wytrzymałość, spawalność i zmniejsza zawartość węgla. Wang Chaoyi i in. przeprowadzili eksperymenty spawalnicze przy użyciu spawania łukiem krytym na stali niskotemperaturowej o grubości 54 mm i wytrzymałości 460 MPa na statki polarne produkowanej przy użyciu TMCP. Odkryli, że w ekstremalnie niskiej temperaturze -70°C próbki ze strefy wpływu ciepła z pojedynczą mikrostrukturą bainityczną wykazywały kruche pękanie, podczas gdy materiał bazowy z dwufazową mikrostrukturą ferrytyczno-bainityczną wykazywał wyższą wytrzymałość na pękanie i większą odporność na propagację pęknięć. Sun Shibin i in. zbadali zachowanie trybologiczne płyt stalowych TMCP FH36 do zastosowań morskich o różnych grubościach w temperaturze 20°C, -5°C i -20°C. Ich ustalenia wykazały, że mikrostruktura powierzchni składała się głównie z ferrytu i perlitu, podczas gdy obszar o średniej grubości zawierał ferryt, perlit i ziarnisty bainit. Mikrostruktura bezpośrednio wpływała na twardość i odporność na zużycie, przy czym dominującym mechanizmem było zużycie ścierne, któremu towarzyszyło zmęczenie i zużycie adhezyjne. Wraz ze spadkiem temperatury lokalna twardość powierzchni wzrastała, ale odrywanie się materiału z powodu tarcia nasilało zużycie, co skutkowało szerszymi i głębszymi śladami zużycia i zwiększoną objętością zużycia. Li i in. zbadali wczesne zachowanie korozyjne stali niskotemperaturowej EH36 w symulowanym środowisku atmosfery polarnej morskiej, zauważając, że korozja pozostawała w fazie przyspieszonej w niskich temperaturach, ze współczynnikiem 0.47 g·m⁻²·h⁻¹. Wysokowytrzymała stal niskotemperaturowa FH690 oferuje doskonałe właściwości mechaniczne w niskich temperaturach; jednak w środowiskach ze sprzężonymi uszkodzeniami korozyjnymi i zużyciem luźne i porowate produkty korozji nie są w stanie oprzeć się siłom ścinającym tarcia, a korozja galwaniczna między odsłoniętym podłożem a produktami zużycia dodatkowo przyspiesza degradację. Mikrostruktura niskostopowych stali niskotemperaturowych jest podatna na zmiany wywołane przez ciepło i siły mechaniczne, co prowadzi do niestabilności właściwości mechanicznych i zużycia. Ponadto brak elementów pasywujących powoduje szybką korozję w środowiskach morskich Cl⁻, znacznie skracając żywotność w warunkach sprzężonych korozji i zużycia.

Uszkodzenia materiału, takie jak zużycie i korozja, zwykle rozpoczynają się na powierzchni. Dzięki zastosowaniu technologii powlekania wiązką o wysokiej energii do wytwarzania powłok o wysokiej wydajności ze zintegrowaną odpornością na zużycie i korozję w niskich temperaturach na powierzchni wytrzymałej, niskotemperaturowej stali inżynieryjnej morskiej można osiągnąć znaczną poprawę wydajności eksploatacyjnej sprzętu inżynieryjnego w ekstremalnych środowiskach polarnych. Powłoki przygotowane za pomocą powlekania laserowego na podłożach ze stali morskiej EH32 wykazały wyższą twardość i odporność na zużycie w porównaniu z podłożem po teście korozyjnym zamrażania w niskiej temperaturze w temperaturze -80°C. Wybór odpowiednich materiałów powłokowych o wysokiej wydajności ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia okresu eksploatacji stali morskiej. Stal nierdzewna, dzięki swojej doskonałej odporności na korozję, rozwiązuje problem braku elementów pasywujących w niskotemperaturowej stali morskiej i jako stop na bazie żelaza zapewnia solidne wiązanie metalurgiczne podczas procesu powlekania. Austenityczna stal nierdzewna nie ma przejścia ciągliwego-kruchego w niskich temperaturach, oferując wyjątkową wytrzymałość na uderzenia i odporność na korozję. Stal nierdzewna typu duplex zapewnia większą wytrzymałość i lepszą odporność na zużycie, a kontrolowane wytrącanie faz wtórnych zachowuje dobrą wytrzymałość. Nieregularna zmienność klimatu polarnego komplikuje symulację testów korozyjnych narażenia atmosferycznego, co sprawia, że ​​długoterminowa ekspozycja na warunki atmosferyczne w regionach polarnych jest najbardziej wiarygodną metodą oceny.

W niniejszym badaniu omówiono wymagania materiałowe dotyczące sprzętu inżynierii polarnej oraz potrzebę ochrony przed uszkodzeniami w ekstremalnych warunkach. Technologia nanoszenia laserowego została wykorzystana do wytworzenia powłok ze stali nierdzewnej austenitycznej 316L i stali nierdzewnej dupleksowej 2205 na powierzchni stali FH690, a następnie przeprowadzono testy narażenia w środowisku atmosferycznym stacji Zhongshan na Antarktydzie. Przeanalizowano mikrotwardość, zachowanie trybologiczne, zachowanie korozji elektrochemicznej i stabilność próbek w polarnych warunkach niskich temperatur, aby uzyskać wgląd w przystosowalność środowiskową i ochronę antykorozyjną materiałów sprzętu polarnego. Zbadano skuteczność ochronną powłok nanoszonych laserowo 316L i 2205 na stali FH690 w środowisku narażenia atmosferycznego Antarktydy.

Przygotowanie eksperymentalne
1.1 Przygotowanie powłoki i warunki narażenia na Antarktydę
Materiał podłoża użyty w tym eksperymencie to stal FH690 o wymiarach 100 mm × 25 mm × 10 mm. Powierzchnię najpierw wypolerowano papierem ściernym o gradacji 1500, aby uzyskać równomierne zarysowania, a następnie poddano czyszczeniu ultradźwiękowemu bezwodnym etanolem w celu usunięcia zanieczyszczeń powierzchniowych i oleju, a następnie wysuszono do późniejszego użycia. Proszki stopów stali nierdzewnej 316L i 2205 o rozmiarach cząstek od 48 do 74 μm wybrano jako materiały powłokowe i wysuszono w środowisku próżniowym w temperaturze 50°C przez 24 godziny przed powlekaniem.

Proszki stopowe zostały równomiernie nałożone na powierzchnię podłoża przy użyciu wstępnie ustawionej metody proszkowej, z grubością powłoki wynoszącą około 2 mm i wymiarem planarnym 50 mm × 25 mm. Do napawania użyto lasera półprzewodnikowego sprzężonego światłowodowo (RECI Laser, DAC4000) o maksymalnej mocy wyjściowej 4 kW. Parametry napawania były następujące: moc lasera 1.6 kW, średnica plamki 2 mm, prędkość skanowania 800 mm/min, współczynnik nakładania 25% i ochrona atmosfery argonu. Po napawaniu powłoki zostały wypolerowane papierem ściernym o gradacji 1500, aby dopasować je do stanu podłoża, wywiercono otwory w określonych miejscach w celu montażu próbek, a początkowy stan próbek został sfotografowany i zważony.

Utrwalanie próbek do ekspozycji atmosferycznej na Antarktydzie odbywało się zgodnie z normą GB/T 14165-2008, przy czym powierzchnia próbki była ustawiona pod kątem 45° do płaszczyzny poziomej, jak pokazano na rysunku 1. Próbki rozmieszczono na stacji Zhongshan na Antarktydzie na okres trwania testu wynoszący 1 rok (od grudnia 2022 r. do grudnia 2023 r.). Po wyjęciu próbki zostały sfotografowane, a te z produktami korozji zanurzono w roztworze do usuwania rdzy zawierającym 100 ml HCl, 100 ml wody dejonizowanej i 0.3 g heksametylenotetraaminy w celu czyszczenia ultradźwiękowego. Następnie próbki przepłukano alkoholem, wysuszono, sfotografowano i zważono. Obróbka elektroerozyjna drutem została użyta do przetworzenia próbek na mniejsze okazy o powierzchni 10 mm × 10 mm w celu późniejszego przeprowadzenia testów.

1.2 Charakterystyka próbki i testowanie wydajności przed i po ekspozycji na Antarktydę
Scharakteryzowano morfologię, skład i strukturę fazową powłok przed i po wystawieniu na działanie atmosfery Antarktydy za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM, ZEISS Gemini300), spektrometru dyspersji energii rentgenowskiej (EDS, Oxford INCA 80), dyfraktometru rentgenowskiego (XRD, Bruker D8 Advance) i konfokalnego mikroskopu skaningowego laserowego (CLSM, Keyence VK-X250).

Mikrotwardość mierzono przy użyciu testera mikrotwardości Vickersa (Veiyee QHV-1000SPTA) w 20 losowo wybranych punktach na powierzchni powłoki, przy obciążeniu 200 g i czasie przebywania 15 s. Średnią z 20 pomiarów przyjęto jako twardość powierzchni powłoki. Liniowe, suche, ślizgowe zachowanie tribologiczne powłok oceniano przy użyciu wielofunkcyjnej maszyny do badania tarcia i zużycia (Rtec MFT-5000) przy przyłożonej sile normalnej 10 N, czasie zużycia 1800 s, odległości posuwisto-zwrotnej 3 mm i ceramicznej kuli SiN (średnica 6.35 mm) jako powierzchni przeciwległej. Ślady zużycia analizowano przy użyciu trójwymiarowego morfometru (Bruker Contour GT-K). Zachowanie korozyjne w temperaturze 10 ± 0.1°C oceniano przy użyciu stanowiska elektrochemicznego (Gamry Reference 3000) w roztworze NaCl o stężeniu wagowym 3.5% z systemem trzech elektrod: drut platynowy jako przeciwelektroda, elektroda Ag/AgCl jako elektroda odniesienia i powłoka jako elektroda robocza, zatopione w żywicy epoksydowej w celu odsłonięcia obszaru roboczego o wymiarach 10 mm × 10 mm. Badanie potencjału obwodu otwartego (OCP) przeprowadzono przez 1800 s przy częstotliwości próbkowania 0.5 s⁻¹, a następnie wykonano spektroskopię impedancji elektrochemicznej (EIS) przy OCP w zakresie częstotliwości od 100 kHz do 10 mHz. Polaryzację potencjodynamiczną przeprowadzono przy szybkości skanowania 1 mV·s⁻¹, zaczynając od początkowego potencjału -0.3 V względem OCP i kończąc, gdy gęstość prądu polaryzacji anodowej osiągnęła 1 mA·cm⁻², uzyskując krzywą polaryzacji Tafela. Każdy test tribologiczny i elektrochemiczny powtórzono co najmniej trzy razy, aby zapewnić dokładność.

2 Wyniki i dyskusja
2.1 Analiza morfologii i utraty masy
Mikroskopijna morfologia powłok po przygotowaniu jest pokazana na Rysunku 2. Obie powłoki osiągnęły zadowalające wiązanie metalurgiczne z podłożem, wykazując jednorodne i gęste struktury bez defektów, takich jak pęknięcia, pory, wtrącenia lub brak fuzji na granicy faz. Analiza składu kluczowych pierwiastków w powłokach jest przedstawiona w Tabeli 1. Cr i Mo, krytyczne pierwiastki odporne na wżery w stali nierdzewnej, tworzą gęstą warstwę pasywacyjną w środowiskach korozyjnych, podczas gdy Ni jest głównym pierwiastkiem stabilizującym austenit. Nakładanie laserowe, podczas gdy osiąga wiązanie metalurgiczne między powłoką a podłożem, wprowadza pewne rozcieńczenie, przy czym pierwiastki z podłoża migrują do powłoki, co skutkuje nieco niższą zawartością Cr i Ni w porównaniu do nominalnych składów obu stali nierdzewnych.

Rysunek 3 ilustruje makroskopową morfologię dwóch powłok ze stali nierdzewnej w ich stanie początkowym, po 1 roku ekspozycji na stacji Zhongshan na Antarktydzie i po usunięciu rdzy. W stanie początkowym podłoże ze stali FH690, powłoka 316L i powłoka 2205 wykazywały jasny metaliczny połysk (rysunki 3a, 3d) z doskonałymi właściwościami powierzchni. Po 1 roku ekspozycji na stacji Zhongshan powłoki pozostały dobrze związane z podłożem bez pęknięć ani rozwarstwień. Podłoże ze stali FH690 uległo korozji, reagując z tlenem, tworząc jednolitą, luźną warstwę tlenku, przechodzącą z metalicznego połysku w brązowawy odcień (rysunki 3b, 3e). Główne produkty korozji stali FH690 w środowisku atmosfery morskiej obejmują α-FeOOH, β-FeOOH i Fe₃O₄. Umieszczone pod kątem 45° do podłoża opady deszczu i śniegu na Antarktydzie spowodowały, że produkty korozji z podłoża FH690 spływały na powłoki, zmieniając niektóre obszary na szarobrązowe. Po usunięciu rdzy szarobrązowe produkty korozji na powierzchniach powłok zniknęły, a morfologia powierzchni powłok 316L i 2205 wykazała minimalne odchylenie od stanu początkowego (rysunki 3c, 3f), co wskazuje na skuteczną ochronę podłoża FH690.

Mikroskopijne cechy stali niskostopowej po korozji w środowisku atmosferycznym Antarktydy zostały zgłoszone, typowo tworząc blokowe, płytkowe lub płatkowe produkty korozji, którym towarzyszą pęknięcia i wżery. Mikroskopijna morfologia dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku narażenia na działanie atmosfery na stacji Zhongshan jest pokazana na rysunku 4. Powierzchnia powłoki 316L wykazywała liczne wżery, przy nieistotnych różnicach w zawartości pierwiastków metalicznych wewnątrz i na zewnątrz wżerów, chociaż zawartość tlenu była wyższa na ściankach wżerów. Stal nierdzewna opiera się na łatwo pasywujących pierwiastkach, takich jak Cr i Mo, aby utworzyć gęstą warstwę tlenku, aby oprzeć się korozji Cl⁻; wyższa zawartość tlenu wskazuje na gęstszą warstwę pasywacyjną, przy czym obszary o niższej zawartości warstwy pasywacyjnej są preferencyjnie korodowane. Powierzchnia powłoki 2205 wykazywała selektywne właściwości korozyjne, przy czym obszary austenitu (B2) o niższej zawartości Cr korodowały preferencyjnie, podczas gdy obszary ferrytu (B1) o wyższej zawartości Cr wykazywały wyższy poziom tlenu i lepszą jakość powłoki pasywacyjnej.

Morfologia konfokalna laserowa dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku narażenia na działanie atmosfery na stacji Zhongshan na Antarktydzie jest pokazana na rysunku 5. Powłoka 316L wykazywała liczne małe wżery korozyjne, przy czym niektóre małe wżery agregowały i łączyły się w większe wżery, najgłębszy sięgał 12.89 μm. Natomiast powłoka 2205 nie wykazywała cech korozji wżerowej, ulegając głównie niewielkiej selektywnej korozji, a jej mikroskopijna morfologia odzwierciedlała charakterystyczną dwufazową strukturę stali nierdzewnej dupleksowej.

Analiza fazowa dwóch powłok ze stali nierdzewnej w ich stanie początkowym i po 1 roku ekspozycji atmosferycznej na stacji Zhongshan (rysunek 6) wykazała, że ​​powłoki 316L i 2205 zachowały stabilną jednofazową strukturę austenityczną i dwufazową strukturę austenityczno-ferrytyczną, odpowiednio, zarówno przed, jak i po ekspozycji. Powierzchnie powłok uległy jedynie niewielkiej korozji bez znaczącej akumulacji produktów korozji. Biorąc pod uwagę, że grubość warstwy pasywacyjnej zwykle nie przekracza 10 nm, nie wykryto żadnych dodatkowych pików dyfrakcyjnych. Powłoki 316L i 2205 pokryte laserowo wykazały stabilność fazową w środowisku ekspozycji atmosferycznej Antarktydy.

Na podstawie powyższych wyników produkty korozji zaobserwowane na próbkach pochodziły z podłoża, podczas gdy same powłoki nie wykazywały znaczących zmian. Metodę utraty masy zastosowano do zbadania szybkości korozji próbek i oceny skuteczności ochronnej powłok ze stali nierdzewnej. W badaniach korozji pod wpływem atmosfery utrata masy korozji i szybkość korozji materiałów metalowych oblicza się przy użyciu następujących równań: gdzie ω oznacza utratę masy korozji na jednostkę powierzchni (g/m²), ν oznacza szybkość korozji (mm/rok), m_t jest masą próbki po usunięciu rdzy (g), m_0 jest masą próbki przed ekspozycją (g), S jest powierzchnią próbki (cm²), ρ jest gęstością stali niskostopowej (około 7.86 g/cm³), a t jest czasem ekspozycji (h).

Obliczona utrata masy i średnia szybkość korozji stali FH690 pod ochroną dwóch powłok są przedstawione na rysunku 7. Pod powłoką 316L utrata masy stali FH690 wynosiła 12.5 mg·cm⁻², przy średniej szybkości korozji 15.9 μm·a⁻¹; pod powłoką 2205 utrata masy wynosiła 12.8 mg·cm⁻², przy średniej szybkości korozji 16.3 μm·a⁻¹. Obie powłoki wykazywały nieznaczną korozję w środowisku atmosferycznym Antarktydy, zapewniając skuteczną ochronę podłoża ze stali FH690. Średnie szybkości korozji pod obiema powłokami były niemal identyczne, przy czym cała utrata masy przypisywana była odsłoniętemu podłożu. W porównaniu do szybkości korozji niezabezpieczonej stali morskiej o wytrzymałości 690 MPa w atmosferze Antarktydy (18.7 μm·a⁻¹) osiągnięto znaczną redukcję.

2.2 Mikrotwardość
Rysunek 8 ilustruje średnią mikrotwardość dwóch powierzchni powłok ze stali nierdzewnej. Początkowe wartości mikrotwardości powłok 316L i 2205 wynosiły odpowiednio 279.19 HV₀.₂ i 392.77 HV₀.₂. Zazwyczaj mikrotwardość odlewu 316L nie przekracza 200 HV₀.₂, podczas gdy dla odlewu 2205 wynosi około 300 HV₀.₂. Wyższą twardość powłok nanoszonych laserowo można przypisać dwóm czynnikom: po pierwsze, szybkie chłodzenie podczas nanoszenia laserowego powoduje powstawanie struktur dendrytycznych i drobnych równoosiowych ziaren, co przyczynia się do wzmocnienia uszlachetnienia ziarna; po drugie, metalurgiczne wiązanie między podłożem a powłoką pozwala pierwiastkom ze stali FH690 na mieszanie się z powłokami ze stali nierdzewnej, co zwiększa twardość. Potwierdzają to wyniki EDS (Tabela 1), które wskazują na rozcieńczenie Fe, co zmniejsza zawartość innych pierwiastków. Po roku narażenia na działanie atmosfery na stacji Zhongshan mikrotwardość powłok pozostała praktycznie niezmieniona, co świadczy o doskonałej adaptacji do środowiska.

2.3 Zachowanie tribologiczne
Rysunek 9 przedstawia zachowanie tribologiczne dwóch powłok ze stali nierdzewnej przed i po narażeniu na działanie atmosfery antarktycznej. W warunkach suchego tarcia ślizgowego współczynnik tarcia (COF) ustabilizował się po około 300 s, osiągając stałą wartość około 0.7. Po roku narażenia na działanie atmosfery na stacji Zhongshan współczynnik tarcia powłoki 1L nieznacznie spadł w porównaniu do stanu początkowego, podczas gdy współczynnik tarcia powłoki 316 pozostał niezmieniony. Utrata objętości zużycia obu powłok pozostała stała przed i po narażeniu, przy czym powłoka 2205 wykazywała mniejszą objętość zużycia niż powłoka 2205L. Profile śladów zużycia powłoki 316 były płytsze niż powłoki 2205L, co wskazuje na lepszą odporność na zużycie. Powłoka 316L wykazywała wyraźne grzbiety na krawędziach śladu zużycia, wynikające z odkształcenia plastycznego pod naciskiem ślizgowej kulki. Szybkość zużycia (μ) powłok obliczono przy użyciu równania Archarda: gdzie V to zmierzona utrata objętości wskutek zużycia (mm³), N to obciążenie normalne (N), a d to całkowita droga ślizgu (m).

Obliczone wyniki, pokazane na rysunku 9d, wskazują, że wskaźniki zużycia powłok 316L i 2205 wynosiły odpowiednio około 8.35 × 10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹ i 7.85 × 10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹. Po wystawieniu na działanie atmosfery antarktycznej wskaźniki zużycia obu powłok pozostały na poziomie sprzed wystawienia na działanie czynników atmosferycznych, co świadczy o stabilnej odporności na zużycie.

Rysunek 10 przedstawia morfologię śladu zużycia dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku narażenia na działanie promieniowania na stacji Zhongshan, a wyniki skanowania punktowego EDS podano w tabeli 2. Szerokość śladu zużycia powłoki 316L wynosiła 565.72 μm, podczas gdy powłoki 2205 wynosiła 495.71 μm, co jest zgodne z większą utratą masy zaobserwowaną dla powłoki 316L. Morfologicznie obie powłoki wykazywały rowki orzące i warstwy transferowe w śladach zużycia, co wskazuje na występowanie zużycia ściernego i klejowego. Powłoka 316L wykazała większą przewagę warstw transferowych, przy czym zużycie klejowe było bardziej widoczne, podczas gdy powłoka 2205 wykazywała bardziej wyraźne rowki orzące, co sugeruje, że zużycie ścierne jest dominującym mechanizmem. Warstwy transferowe wykazywały ekstremalnie wysoką zawartość tlenu, co przypisuje się ciepłu tarcia podczas ścierania posuwisto-zwrotnego, promującemu utlenianie elementów pasywujących, takich jak Cr i Mo.

2.4 Zachowanie w przypadku korozji elektrochemicznej
Rysunek 11 przedstawia krzywe polaryzacji potencjodynamicznej dwóch powłok ze stali nierdzewnej, z parametrami korozji elektrochemicznej wymienionymi w Tabeli 3. Po roku ekspozycji atmosferycznej na Stacji Zhongshan, krzywa polaryzacji potencjodynamicznej powłoki 1L wykazała minimalną zmianę trendu, chociaż potencjał przebicia wżerowego (E_b, początkowo 316 mV, po ekspozycji 536.8 mV) przesunął się nieznacznie wcześniej, a gęstość prądu pasywnego (i_p) podwoiła się. Interwał pasywacji (ΔE) powłoki 503.7 pozostał na poziomie około 2205 mV, ale i_p wzrósł z 1300 μA·cm⁻² do 2.455 μA·cm⁻² po ekspozycji. Po wystawieniu na działanie czynników atmosferycznych odporność na korozję powłok 4.177L i 316 spadła w różnym stopniu, co przypisano uszkodzeniom powierzchni spowodowanym przez korozyjną atmosferę Antarktydy.

Rysunek 12 przedstawia wyniki spektroskopii impedancji elektrochemicznej (EIS) dla dwóch powłok ze stali nierdzewnej. Po roku ekspozycji atmosferycznej wykresy Nyquista (rysunek 1a) powłok 12L i 316 wykazały zmniejszone promienie łuku pojemnościowego, co wskazuje na zmniejszenie oporu przenoszenia ładunku i stabilności powłoki pasywacyjnej. Na wykresach Bodego (rysunek 2205b) moduł impedancji (|Z|) przy 12 Hz, który zwykle odzwierciedla opór polaryzacji materiału w roztworze, zmniejszył się po ekspozycji dla obu powłok, co oznacza zmniejszoną odporność na korozję. Ponadto większy kąt fazowy i szerszy zakres w obszarze częstotliwości średnich wskazują na większą stabilność powłoki pasywacyjnej. Po ekspozycji kąt fazowy częstotliwości średnich powłoki 0.1L zwęził się i zmniejszył, podczas gdy kąt fazowy powłoki 316 również zmniejszył się, co odzwierciedla spadek jakości powłoki pasywacyjnej. Biorąc pod uwagę obecność dwóch stałych czasowych w procesie korozji, do dopasowania danych wykorzystano model dwuwarstwowy (wstawka na rysunku 2205a), jak pokazano w tabeli 12. Impedancja porowatej warstwy zewnętrznej (R_p) była znacznie niższa niż impedancja warstwy wewnętrznej (R_c), co wskazuje, że odporność powłok na reakcję elektrodową była przede wszystkim regulowana przez etap transferu ładunku. Po narażeniu R_c obu powłok zmniejszyło się. Pomimo niewielkiego zmniejszenia odporności na korozję po narażeniu na działanie atmosfery antarktycznej, powłoki pokryte laserowo utrzymały stabilny stan pasywacji i niską szybkość korozji, nadal zapewniając skuteczną ochronę niskotemperaturowej stali morskiej.

Wnioski 3

W tym artykule powłoki ze stali nierdzewnej austenitycznej 316L i stali nierdzewnej dupleksowej 2205 przygotowano na podłożu ze stali morskiej FH690 w niskiej temperaturze za pomocą technologii napawania laserowego. Powłoki wystawiono na działanie atmosfery przez 1 rok na stacji Zhongshan na Antarktydzie. Przeanalizowano efekt ochronny, mikrostrukturę, twardość, tarcie i zużycie oraz zachowanie się obu powłok w przypadku korozji elektrochemicznej. Wyniki przedstawiają się następująco:

(1) Na powierzchni powłoki 316L wystąpiły niewielkie wżery, a na powierzchni powłoki 2205 wystąpiła niewielka selektywna korozja. Obie powłoki ze stali nierdzewnej mogą zachować stabilną strukturę fazową, która odgrywa dobrą rolę ochronną na podłożu ze stali FH690 i zmniejsza szybkość korozji atmosferycznej podłoża.

(2) Mikrotwardość obu powłok prawie się nie zmieniła; współczynnik tarcia był stabilny na poziomie około 0.7, a wskaźniki zużycia powłok 316L i 2205 utrzymywały się na poziomie około 8.35 i 7.85×10-6 mm3·N-1·m-1, odpowiednio; powłoka 316L była poddawana głównie zużyciu adhezyjnemu, podczas gdy powłoka 2205 była poddawana głównie zużyciu ściernemu. Obie powłoki były w stanie utrzymać stabilną odporność mechaniczną i odporność na zużycie przed i po narażeniu na działanie Antarktydy.

(3) Na powierzchni obu powłok powstała niewielka liczba defektów korozyjnych, co spowodowało wzrost gęstości prądu biernego, wczesny potencjał przebicia powłoki 316L i spadek impedancji filmu pasywacyjnego obu powłok, ale nadal udało się utrzymać dobry efekt pasywacji i niską szybkość korozji.