p A proteção de longa duração contra a corrosão é essencial para materiais usados ​​em veículos e aeronaves para garantir a integridade estrutural em condições operacionais extremas. Dois processos de pré-tratamento químico são amplamente usados ​​em ambientes industriais para preparar a adesão do revestimento e proteger as superfícies de liga de alumínio contra a corrosão. Embora altamente regulamentado, ambos os processos usam grandes quantidades de compostos perigosos com riscos ambientais e de saúde conhecidos. p Uma equipe multidisciplinar de cientistas do Laboratório Nacional de Oak Ridge do Departamento de Energia aplicou uma estrutura de interferência de laser, ou LIS, técnica que faz avanços significativos para eliminar a necessidade desses produtos químicos perigosos. A nova aplicação do método LIS atende a uma chamada do Departamento de Defesa dos EUA para projetos de pesquisa que exploram alternativas não químicas para proteção contra corrosão em veículos militares e sistemas de aeronaves.

p Revestimento de conversão de cromato, ou CCC, usa cromo hexavalente, um conhecido cancerígeno, para inibir a corrosão. Anodização de ácido sulfúrico, SAA, usa ácido sulfúrico, que pode irritar gravemente a pele e os olhos, e quando inalado, pode levar a danos permanentes nos pulmões. Milhões de galões de soluções químicas usadas são descartados anualmente como resíduos perigosos.

p Os militares operam mais de 12, 000 aeronaves, 10, 000 tanques, centenas de navios e uma infinidade de outros veículos e sistemas de armas. O DoD possui e opera centenas de instalações industriais que fabricam e reparam esses veículos e equipamentos, gastando mais de US $ 20 bilhões em proteção contra corrosão anualmente. O Programa Estratégico de Pesquisa e Desenvolvimento Ambiental da agência, ou SERDP, planejado e executado com o Departamento de Energia e a Agência de Proteção Ambiental, está "focada no desenvolvimento de tecnologias alternativas para eliminar materiais e processos que são de preocupação ambiental, "disse Robin Nissan, gerente de programa do SERDP e seu programa irmão, o Programa de Certificação de Tecnologia de Segurança Ambiental.

p "Nossos sistemas de defesa requerem reparo e renovação, "disse ele." Nossos programas estão investindo no desenvolvimento de processos alternativos que podem garantir um desempenho robusto, práticas sustentáveis ​​e eliminação de riscos ambientais. "

p Em três publicações sucessivas, O cientista de materiais do ORNL Adrian Sabau e uma equipe de químicos e cientistas de manufatura descreveram, demonstrou e analisou uma técnica LIS e comparou seu desempenho aos métodos tradicionais intensivos em solvente. Os co-autores da pesquisa incluíram Jiheon Jun de ORNL, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard e Jian Chen.

p Sabau - que é especialista em processamento de materiais como fundição e solidificação de metal - e sua equipe concluíram recentemente um projeto usando LIS para colagem em aplicações automotivas. Quando ele leu o apelo do DoD para pesquisas sobre preparação de superfícies não solventes, Sabau reconheceu que uma técnica semelhante também poderia ser eficaz para a adesão do revestimento.

p Em seus experimentos, eles trataram folhas de liga de alumínio dividindo o feixe primário de um laser pulsado de nanossegundos em dois feixes e focalizando-os no mesmo ponto da superfície do espécime. Este processo tornou a superfície áspera com estruturas periódicas, mudou a química da superfície e a microestrutura sub-superficial.

p "No processamento a laser, você está impactando muita energia na superfície superior, e precisamos entender o que está acontecendo com o substrato. Está danificado? Ele quebra? Há algum efeito microestrutural que não seja benéfico para a proteção contra corrosão? ”, Disse Sabau.

p Meyer, um físico químico, e Leonard, um microscopista, contribuiu para o trabalho de caracterização descrito em Óptica e Tecnologia Laser . Meyer conduziu análises químicas de superfície usando espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, ou XPS.

p "XPS é uma técnica de caracterização de materiais que pode determinar quais elementos estão na superfície - os 5 a 8 nanômetros - de materiais sólidos, "Meyer disse." Antes do processamento a laser, XPS foi usado para determinar a composição química das folhas de liga de alumínio recebidas, que mostrou grandes quantidades de carbono. O XPS foi usado novamente para determinar se o processamento a laser limpava a superfície. Os resultados mostraram uma redução significativa do carbono e foi uma das nossas principais conclusões. XPS, junto com os resultados da microscopia eletrônica, nos ajudou a entender como o óxido nativo foi alterado por meio do processamento a laser. "

p Sabau acrescentou, "Ao olhar para a caracterização do subsolo, encontramos um aspecto benéfico que topamos por acidente. Na camada superior, vimos a dissolução de precipitados ricos em cobre, onde a corrosão pode iniciar. "

p Depois que uma folha de liga de alumínio é limpa, muitas vezes, a energia da superfície impede que o revestimento grude corretamente, um problema conhecido em revestimentos de superfícies industriais. A próxima publicação da equipe, para o Jornal Internacional de Adesão e Adesivos , examinou a adesão do revestimento e descobriu que o método LIS fornecia adesão, bem como as técnicas CCC e SAA padrão da indústria e com uso intensivo de solvente. Uma patente para adesão de revestimento foi concedida em 2021 com base nesta técnica LIS.

p Para o estudo de adesão, McClurg realizou profilometria nos materiais, uma técnica que mapeia contornos de superfície e fornece medições de rugosidade.

p O terceiro artigo, publicado em Corrosão:The Journal of Science and Engineering , descreveu os testes finais que a equipe de Sabau conduziu com um primer epóxi usado pelos militares dos EUA para asas e corpos de aviões.

p O técnico Mike Stephens concluiu a tarefa delicada e urgente de aplicar revestimentos em spray de primers e acabamentos para as especificações exatas do DoD em chapas de liga que foram preparadas com diferentes tratamentos. Ele então expôs as amostras a 2, 000 horas de névoa salina para examinar a resistência à corrosão em vários períodos. Jun liderou o teste de corrosão, investigar como as superfícies preparadas com LIS em comparação com substratos de liga preparados convencionalmente, com e sem primer e um acabamento.

p "O substrato tratado com interferência de laser exibiu maior resistência à corrosão, "disse Jun, que atribuiu o resultado à dissolução de precipitados ricos em cobre. Contudo, nas amostras revestidas com primer ou primer e acabamento, LIS não teve um desempenho tão bom quanto as técnicas de solvente químico, com algumas amostras mostrando bolhas dentro de 96 horas de exposição à névoa salina. Contudo, essas bolhas eram pequenas e permaneceram estáveis ​​por centenas de horas de exposição.

p A equipe testou um segundo conjunto de amostras que foram simplesmente limpas com acetona antes da aplicação do primer, resultando em muito pouca corrosão, e a formação de bolhas foi atrasada por centenas de horas.

p Jun disse que uma investigação mais aprofundada para otimizar o LIS valeria a pena.

p "Nossa abordagem de pesquisa, combinando medições eletroquímicas em escala de laboratório e testes de névoa salina ASTM [American Society for Testing Materials] adotados industrialmente, was very successful and aided in-depth understanding of the effects of laser interference treatment, " ele disse.

p "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."