{"id":1189,"date":"2025-02-21T15:00:29","date_gmt":"2025-02-21T15:00:29","guid":{"rendered":"https:\/\/greenstone-tech.com\/?p=1189"},"modified":"2026-05-17T10:32:25","modified_gmt":"2026-05-17T10:32:25","slug":"auswirkungen-der-atmospharischen-korrosion-in-der-antarktis-auf-die-korrosions-und-verschleiseigenschaften-von-laserauftragschweisbeschichtungen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/effects-of-antarctic-atmospheric-exposure-corrosion-on-corrosion-and-wear-properties-of-laser-cladding-coatings\/","title":{"rendered":"Auswirkungen der Korrosion in der antarktischen Atmosph\u00e4re auf die Korrosions- und Verschlei\u00dfeigenschaften von Laser-Cladding-Schichten"},"content":{"rendered":"

Mit der Entwicklung der Erkundung polarer Ressourcen und der Polarschifffahrt wurde den Materialien f\u00fcr polare Ausr\u00fcstungen und Schutztechnologien gegen Sch\u00e4den in extremen Umgebungen gro\u00dfe Aufmerksamkeit gewidmet. Um die Anforderungen an den Korrosionsschutz von Schiffsbaustahl zu erf\u00fcllen und die Leistungsf\u00e4higkeit von nichtrostendem Stahl bei niedrigen Temperaturen zu bewerten, wurden mit Hilfe der Laser-Cladding-Technologie Beschichtungen aus austenitischem nichtrostendem Stahl 316L und nichtrostendem Duplexstahl 2205 auf der Oberfl\u00e4che von FH690-Stahl hergestellt. Diese Beschichtungen wurden einem einj\u00e4hrigen Test unter den atmosph\u00e4rischen Bedingungen der Zhongshan-Station in der Antarktis unterzogen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Edelstahlbeschichtungen die Korrosionsrate des maritimen Stahlsubstrats wirksam verringerten. Das Mikrogef\u00fcge, die Mikroh\u00e4rte, das tribologische Verhalten, das elektrochemische Korrosionsverhalten und die Stabilit\u00e4t der Proben unter polaren Niedrigtemperaturbedingungen wurden analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die 316L-Beschichtung eine geringe Lochfra\u00dfkorrosion aufwies, w\u00e4hrend die 2205-Beschichtung eine leichte selektive Korrosion zeigte. Beide Beschichtungen behielten ihre Mikroh\u00e4rte und Verschlei\u00dffestigkeit bei, wobei die Korrosionsbest\u00e4ndigkeit leicht abnahm. Die laserbeschichteten Edelstahlbeschichtungen wiesen eine stabile Phasenstruktur und Leistungsf\u00e4higkeit in der antarktischen Atmosph\u00e4re auf und boten einen wirksamen Schutz f\u00fcr das Tieftemperatur-Stahlsubstrat. Diese Ergebnisse sind eine wertvolle Hilfe bei der Bewertung der Umweltvertr\u00e4glichkeit von Werkstoffen, die in polaren Ger\u00e4ten verwendet werden, und bei der Weiterentwicklung von korrosionsbest\u00e4ndigen Beschichtungstechnologien.<\/p>\n\n\n\n

In den letzten Jahren haben die globale Erw\u00e4rmung, die Ressourcenknappheit und die Umweltver\u00e4nderungen dazu gef\u00fchrt, dass die Erkundung der polaren Ressourcen, die F\u00f6rderung der Polarschifffahrt und die Wahrung der polaren Interessen bei den Nationen auf der ganzen Welt immer mehr Aufmerksamkeit erregt haben. Untersuchungen haben ergeben, dass die arktische Region etwa 30% der unerschlossenen Erdgas- und 13% der unerschlossenen Erd\u00f6lreserven der Welt beherbergt, w\u00e4hrend sich in der Antarktis unter der Eiskappe der Ostantarktis das gr\u00f6\u00dfte Kohlefeld der Welt mit gesch\u00e4tzten Reserven von etwa 500 Milliarden Tonnen befindet. Bei der Erkundung, Erschlie\u00dfung und Erhaltung der Polarregionen ist die Betriebsleistung hochleistungsf\u00e4higer Polarausr\u00fcstungen wie Eisbrecher, Offshore-Plattformen und terrestrische Stationen von entscheidender Bedeutung. Die polare Umwelt ist jedoch komplex und rau, mit j\u00e4hrlichen Durchschnittstemperaturen von etwa -22,3\u00b0C in der Arktis und zwischen -28,9\u00b0C und -35\u00b0C auf dem antarktischen Kontinent. Nur 1 bis 4 Monate im Jahr liegen die monatlichen Durchschnittstemperaturen zwischen 0\u00b0C und 10\u00b0C, wobei extreme Wetterbedingungen die Temperaturen auf bis zu -70\u00b0C senken k\u00f6nnen. In Verbindung mit trockenen St\u00fcrmen, intensiver ultravioletter Strahlung, Frost-Tau-Zyklen und st\u00fcrmischen Schneef\u00e4llen sind polare Ausr\u00fcstungen lang anhaltenden und schwerwiegenden Korrosionssch\u00e4den durch die Einwirkung niedriger Temperaturen ausgesetzt. Bei beweglichen Bauteilen in Eisbrechern, Bohrinseln und Lagersystemen m\u00fcssen zus\u00e4tzliche Sch\u00e4den durch Spannungs- und Verschlei\u00dfbelastungen ber\u00fccksichtigt werden. Daher ist die Umweltvertr\u00e4glichkeit von Werkstoffen f\u00fcr polare Ausr\u00fcstungen seit langem ein Schwerpunkt umfangreicher wissenschaftlicher Forschung.<\/p>\n\n\n\n

Gegenw\u00e4rtig bestehen die metallischen Werkstoffe f\u00fcr Polarger\u00e4te haupts\u00e4chlich aus Tieftemperaturst\u00e4hlen, d. h. aus Hochleistungsst\u00e4hlen, die eine hervorragende Z\u00e4higkeit und Schwei\u00dfbarkeit bei niedrigen Temperaturen aufweisen. Dazu geh\u00f6ren typischerweise niedriglegierte St\u00e4hle auf Ferritbasis und austenitische Fe-Cr-Ni-St\u00e4hle. Niedriglegierte Tieftemperaturst\u00e4hle sind aufgrund ihrer Kosteneffizienz weit verbreitet und werden in der Regel mit dem thermomechanischen Kontrollverfahren (TMCP) hergestellt, das die Festigkeit, Z\u00e4higkeit und Schwei\u00dfbarkeit erh\u00f6ht und den Kohlenstoffgehalt reduziert. Wang Chaoyi et al. f\u00fchrten Schwei\u00dfexperimente mit Unterpulverschwei\u00dfen an 54 mm dickem Niedertemperaturstahl der G\u00fcte 460 MPa f\u00fcr Polarschiffe durch, der im TMCP-Verfahren hergestellt wurde. Sie stellten fest, dass bei einer extrem niedrigen Temperatur von -70 \u00b0C Proben aus der W\u00e4rmeeinflusszone mit einem einphasigen bainitischen Gef\u00fcge einen Spr\u00f6dbruch aufwiesen, w\u00e4hrend das Grundmaterial mit einem zweiphasigen Ferrit-Bainit-Gef\u00fcge eine h\u00f6here Bruchfestigkeit und einen gr\u00f6\u00dferen Widerstand gegen die Rissausbreitung zeigte. Sun Shibin et al. untersuchten das tribologische Verhalten von TMCP FH36 Marinestahlplatten unterschiedlicher Dicke bei 20\u00b0C, -5\u00b0C und -20\u00b0C. Ihre Ergebnisse zeigten, dass das Oberfl\u00e4chengef\u00fcge haupts\u00e4chlich aus Ferrit und Perlit bestand, w\u00e4hrend der Bereich in der Mitte der Dicke Ferrit, Perlit und k\u00f6rnigen Bainit aufwies. Die Mikrostruktur hatte einen direkten Einfluss auf die H\u00e4rte und die Verschlei\u00dffestigkeit, wobei der abrasive Verschlei\u00df der vorherrschende Mechanismus war, begleitet von Erm\u00fcdung und adh\u00e4sivem Verschlei\u00df. Mit sinkender Temperatur nahm die \u00f6rtliche Oberfl\u00e4chenh\u00e4rte zu, aber die Abl\u00f6sung von Material durch Reibung verschlimmerte den Verschlei\u00df, was zu breiteren und tieferen Verschlei\u00dfspuren und einem gr\u00f6\u00dferen Verschlei\u00dfvolumen f\u00fchrte. Li et al. untersuchten das fr\u00fche Korrosionsverhalten von EH36-Niedertemperaturstahl in einer simulierten polaren maritimen atmosph\u00e4rischen Umgebung und stellten fest, dass die Korrosion bei niedrigen Temperaturen mit einer Rate von 0,47 g-m-\u00b2-h-\u00b9 in einer beschleunigten Phase blieb. Hochfester Tieftemperaturstahl FH690 bietet hervorragende mechanische Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen; in Umgebungen mit gekoppelten Verschlei\u00df- und Korrosionssch\u00e4den k\u00f6nnen lose und por\u00f6se Korrosionsprodukte jedoch den Reibungsscherkr\u00e4ften nicht standhalten, und die galvanische Korrosion zwischen dem freiliegenden Substrat und den Verschlei\u00dfprodukten beschleunigt die Degradation weiter. Die Mikrostruktur von niedrig legierten Tieftemperaturst\u00e4hlen ist anf\u00e4llig f\u00fcr Ver\u00e4nderungen durch Hitze und mechanische Kr\u00e4fte, was zu einer Instabilit\u00e4t der mechanischen und Verschlei\u00dfeigenschaften f\u00fchrt. Dar\u00fcber hinaus f\u00fchrt das Fehlen von Passivierungselementen zu schneller Korrosion in marinen Cl-Umgebungen, was die Lebensdauer unter kombinierten Verschlei\u00df-Korrosions-Bedingungen erheblich verk\u00fcrzt.<\/p>\n\n\n\n

Materialsch\u00e4den, wie Verschlei\u00df und Korrosion, beginnen in der Regel an der Oberfl\u00e4che. Durch den Einsatz von Hochenergiestrahl-Auftragschwei\u00dftechnologien zur Herstellung von Hochleistungsbeschichtungen mit integrierter Best\u00e4ndigkeit gegen Niedrigtemperaturverschlei\u00df und -korrosion auf der Oberfl\u00e4che von z\u00e4hem Tieftemperatur-Schiffsbaustahl k\u00f6nnen erhebliche Verbesserungen der Betriebsleistung von technischen Ger\u00e4ten in extremen polaren Umgebungen erzielt werden. Beschichtungen, die durch Laserauftragschwei\u00dfen auf EH32-Schiffsstahlsubstraten hergestellt wurden, wiesen nach Tieftemperatur-Gefrierkorrosionstests bei -80\u00b0C eine h\u00f6here H\u00e4rte und Verschlei\u00dffestigkeit auf als das Substrat. Die Auswahl geeigneter Hochleistungsbeschichtungswerkstoffe ist entscheidend f\u00fcr die Verl\u00e4ngerung der Lebensdauer von Marinestahl. Nichtrostender Stahl mit seiner hervorragenden Korrosionsbest\u00e4ndigkeit ist eine L\u00f6sung f\u00fcr den Mangel an Passivierungselementen in Tieftemperatur-Schiffsstahl und gew\u00e4hrleistet als Eisenbasislegierung eine robuste metallurgische Verbindung w\u00e4hrend des Beschichtungsprozesses. Austenitischer rostfreier Stahl weist bei niedrigen Temperaturen keinen duktil-spr\u00f6den \u00dcbergang auf und bietet eine au\u00dfergew\u00f6hnliche Schlagz\u00e4higkeit und Korrosionsbest\u00e4ndigkeit. Duplex-Edelstahl bietet h\u00f6here Festigkeit und verbesserte Verschlei\u00dffestigkeit, wobei die kontrollierte Ausscheidung von Sekund\u00e4rphasen die gute Z\u00e4higkeit bewahrt. Die unregelm\u00e4\u00dfigen Schwankungen des polaren Klimas erschweren die Simulation von Korrosionstests unter atmosph\u00e4rischer Einwirkung, so dass eine langfristige atmosph\u00e4rische Einwirkung in den Polarregionen die zuverl\u00e4ssigste Bewertungsmethode darstellt.<\/p>\n\n\n\n

Diese Studie befasst sich mit den Materialanforderungen f\u00fcr polartechnische Ausr\u00fcstungen und dem Bedarf an Schutz vor Besch\u00e4digungen in extremen Umgebungen. Mit Hilfe der Laserauftragsschwei\u00dftechnik wurden Beschichtungen aus austenitischem Edelstahl 316L und rostfreiem Duplexstahl 2205 auf der Oberfl\u00e4che von FH690-Stahl hergestellt und anschlie\u00dfend in der Zhongshan-Station in der Antarktis unter atmosph\u00e4rischen Bedingungen getestet. Die Mikroh\u00e4rte, das tribologische Verhalten, das elektrochemische Korrosionsverhalten und die Stabilit\u00e4t der Proben unter polaren Tieftemperaturbedingungen wurden analysiert, um Einblicke in die Umweltanpassungsf\u00e4higkeit und den Korrosionsschutz von Werkstoffen f\u00fcr polare Ausr\u00fcstungen zu erhalten. Die Schutzwirkung der laserbeschichteten 316L- und 2205-Beschichtungen auf FH690-Stahl in der antarktischen atmosph\u00e4rischen Umgebung wurde untersucht.<\/p>\n\n\n\n

Experimentelle Vorbereitung
1.1 Beschichtungsvorbereitung und antarktische Expositionsbedingungen
Als Tr\u00e4germaterial wurde FH690-Stahl mit den Abmessungen 100 mm \u00d7 25 mm \u00d7 10 mm verwendet. Die Oberfl\u00e4che wurde zun\u00e4chst mit Schleifpapier der K\u00f6rnung 1500 poliert, um gleichm\u00e4\u00dfige Kratzer zu erhalten, und anschlie\u00dfend mit wasserfreiem Ethanol per Ultraschall gereinigt, um Oberfl\u00e4chenverunreinigungen und \u00d6l zu entfernen. Als Beschichtungsmaterialien wurden Pulver aus den Edelstahllegierungen 316L und 2205 mit Partikelgr\u00f6\u00dfen von 48 bis 74 \u03bcm ausgew\u00e4hlt und vor dem Beschichten 24 Stunden lang im Vakuum bei 50 \u00b0C getrocknet.<\/p>\n\n\n\n

Die Legierungspulver wurden mit der Preset-Pulver-Methode gleichm\u00e4\u00dfig auf die Substratoberfl\u00e4che aufgetragen, mit einer Schichtdicke von etwa 2 mm und einer planaren Abmessung von 50 mm \u00d7 25 mm. Zum Beschichten wurde ein fasergekoppelter Halbleiterlaser (RECI Laser, DAC4000) mit einer maximalen Ausgangsleistung von 4 kW verwendet. Die Parameter f\u00fcr das Beschichten waren: Laserleistung von 1,6 kW, Spotdurchmesser von 2 mm, Scangeschwindigkeit von 800 mm\/min, \u00dcberlappungsrate von 25% und Schutz durch Argonatmosph\u00e4re. Nach dem Auftragschwei\u00dfen wurden die Beschichtungen mit Schleifpapier der K\u00f6rnung 1500 poliert, um sie an den Zustand des Substrats anzupassen, und an bestimmten Stellen wurden L\u00f6cher f\u00fcr die Montage der Proben gebohrt.<\/p>\n\n\n\n

Die Befestigung der Proben f\u00fcr die atmosph\u00e4rische Exposition in der Antarktis erfolgte gem\u00e4\u00df der Norm GB\/T 14165-2008, wobei die Probenoberfl\u00e4che in einem Winkel von 45\u00b0 zur horizontalen Ebene positioniert wurde, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Proben wurden an der Zhongshan-Station in der Antarktis f\u00fcr eine Testdauer von einem Jahr (Dezember 2022 bis Dezember 2023) ausgesetzt. Nach der R\u00fcckholung wurden die Proben fotografiert, und diejenigen mit Korrosionsprodukten wurden zur Ultraschallreinigung in eine Rostentfernungsl\u00f6sung mit 100 ml HCl, 100 ml entionisiertem Wasser und 0,3 g Hexamethylentetramin getaucht. Anschlie\u00dfend wurden die Proben mit Alkohol gesp\u00fclt, getrocknet, fotografiert und gewogen. Durch Drahterodieren wurden die Proben f\u00fcr die anschlie\u00dfende Pr\u00fcfung in kleinere Proben mit einer Fl\u00e4che von 10 mm \u00d7 10 mm verarbeitet.<\/p>\n\n\n\n

1.2 Probencharakterisierung und Leistungstests vor und nach der Exposition in der Antarktis
Die Beschichtungen wurden vor und nach der Exposition in der antarktischen Atmosph\u00e4re mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, ZEISS Gemini300), eines energiedispersiven R\u00f6ntgenspektrometers (EDS, Oxford INCA 80), eines R\u00f6ntgendiffraktometers (XRD, Bruker D8 Advance) und eines konfokalen Laserscanningmikroskops (CLSM, Keyence VK-X250) hinsichtlich Morphologie, Zusammensetzung und Phasenstruktur charakterisiert.<\/p>\n\n\n\n

Die Mikroh\u00e4rte wurde mit einem Vickers-Mikroh\u00e4rtepr\u00fcfger\u00e4t (Veiyee QHV-1000SPTA) an 20 zuf\u00e4llig ausgew\u00e4hlten Punkten der Beschichtungsoberfl\u00e4che mit einer aufgebrachten Last von 200 g und einer Verweilzeit von 15 s gemessen. Das lineare Trockengleitverhalten der Beschichtungen wurde mit einer multifunktionalen Reibungs- und Verschlei\u00dfpr\u00fcfmaschine (Rtec MFT-5000) mit einer aufgebrachten Normalkraft von 10 N, einer Verschlei\u00dfdauer von 1800 s, einem Pendelweg von 3 mm und einer SiN-Keramikkugel (6,35 mm Durchmesser) als Gegenlauffl\u00e4che untersucht. Die Abnutzungsspuren wurden mit einem dreidimensionalen Morphometer (Bruker Contour GT-K) analysiert. Das Korrosionsverhalten bei 10 \u00b1 0,1 \u00b0C wurde mit einem elektrochemischen Arbeitsplatz (Gamry Reference 3000) in einer 3,5 Gew.%-NaCl-L\u00f6sung mit einem Dreielektrodensystem bewertet: ein Platindraht als Gegenelektrode, eine Ag\/AgCl-Elektrode als Referenzelektrode und die Beschichtung als Arbeitselektrode, die in Epoxidharz eingekapselt war, um einen Arbeitsbereich von 10 mm \u00d7 10 mm freizulegen. Die OCP-Pr\u00fcfung (Open Circuit Potential) wurde 1800 s lang mit einer Abtastfrequenz von 0,5 s-\u00b9 durchgef\u00fchrt, gefolgt von einer elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) bei OCP in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 mHz. Die potentiodynamische Polarisation wurde mit einer Abtastrate von 1 mV-s-\u00b9 durchgef\u00fchrt, beginnend mit einem Anfangspotential von -0,3 V relativ zu OCP und endend, wenn die anodische Polarisationsstromdichte 1 mA-cm-\u00b2 erreichte, was die Tafel-Polarisationskurve ergab. Jeder tribologische und elektrochemische Test wurde mindestens dreimal wiederholt, um die Genauigkeit zu gew\u00e4hrleisten.<\/p>\n\n\n\n

2 Ergebnisse und Diskussion
2.1 Morphologie und Massenverlustanalyse
Die mikroskopische Morphologie der Beschichtungen nach der Herstellung ist in Abbildung 2 dargestellt. Beide Beschichtungen erreichten eine zufriedenstellende metallurgische Verbindung mit dem Substrat und wiesen gleichm\u00e4\u00dfige und dichte Strukturen ohne Defekte wie Risse, Poren, Einschl\u00fcsse oder fehlende Verschmelzung an der Grenzfl\u00e4che auf. Die Analyse der Zusammensetzung der Schl\u00fcsselelemente in den Beschichtungen ist in Tabelle 1 dargestellt. Cr und Mo, die f\u00fcr die Lochfra\u00dfbest\u00e4ndigkeit von rostfreiem Stahl entscheidend sind, bilden in korrosiven Umgebungen einen dichten Passivierungsfilm, w\u00e4hrend Ni das wichtigste austenitstabilisierende Element ist. Beim Laserstrahl-Auftragschwei\u00dfen wird zwar eine metallurgische Verbindung zwischen Beschichtung und Substrat erreicht, doch kommt es zu einer gewissen Verd\u00fcnnung, wobei Elemente aus dem Substrat in die Beschichtung migrieren, was zu etwas niedrigeren Cr- und Ni-Gehalten im Vergleich zu den Nennzusammensetzungen der beiden nichtrostenden St\u00e4hle f\u00fchrt.<\/p>\n\n\n\n

Abbildung 3 zeigt die makroskopische Morphologie der beiden Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl im Ausgangszustand, nach einj\u00e4hriger Exposition in der Zhongshan-Station in der Antarktis und nach der Entrostung. Im Ausgangszustand wiesen das FH690-Stahlsubstrat, die 316L-Beschichtung und die 2205-Beschichtung einen hellen Metallglanz (Abbildungen 3a, 3d) mit hervorragenden Oberfl\u00e4cheneigenschaften auf. Nach einem Jahr in der Zhongshan-Station blieben die Beschichtungen gut mit dem Substrat verbunden, ohne Risse oder Delaminationen. Das Stahlsubstrat FH690 unterlag der Korrosion und reagierte mit Sauerstoff, um eine gleichm\u00e4\u00dfige, lockere Oxidschicht zu bilden, die von einem metallischen Glanz zu einem br\u00e4unlichen Farbton \u00fcberging (Abbildungen 3b und 3e). Zu den prim\u00e4ren Korrosionsprodukten von FH690-Stahl in einer marinen atmosph\u00e4rischen Umgebung geh\u00f6ren \u03b1-FeOOH, \u03b2-FeOOH und Fe\u2083O\u2084. Durch Regen und Schneefall in der Antarktis flossen Korrosionsprodukte aus dem FH690-Substrat auf die Beschichtungen und f\u00e4rbten einige Bereiche graubraun, die in einem Winkel von 45\u00b0 zum Boden lagen. Nach der Rostentfernung verschwanden die graubraunen Korrosionsprodukte auf den Beschichtungsoberfl\u00e4chen, und die Oberfl\u00e4chenmorphologie der 316L- und 2205-Beschichtungen wies nur minimale Abweichungen von ihrem Ausgangszustand auf (Abbildungen 3c und 3f), was auf einen wirksamen Schutz des FH690-Substrats hinweist.<\/p>\n\n\n\n

\u00dcber die mikroskopischen Merkmale von niedrig legiertem Stahl nach Korrosion in der antarktischen Atmosph\u00e4re wurde bereits berichtet, wobei sich typischerweise block-, lamellen- oder bl\u00fctenblattartige Korrosionsprodukte bilden, die von Rissen und Lochfra\u00df begleitet werden. Die mikroskopische Morphologie der beiden Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Belastung in der Zhongshan-Station ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Oberfl\u00e4che der 316L-Beschichtung wies zahlreiche Lochfra\u00dfl\u00f6cher auf, mit vernachl\u00e4ssigbaren Unterschieden im Metallelementgehalt innerhalb und au\u00dferhalb der L\u00f6cher, obwohl der Sauerstoffgehalt an den Lochw\u00e4nden h\u00f6her war. Edelstahl ist auf leicht passivierende Elemente wie Cr und Mo angewiesen, um einen dichten Oxidfilm zu bilden, der der Cl-Korrosion widersteht; ein h\u00f6herer Sauerstoffgehalt deutet auf einen dichteren Passivierungsfilm hin, wobei Bereiche mit geringerem Passivierungsfilmgehalt bevorzugt korrodiert werden. Die Oberfl\u00e4che der 2205-Beschichtung wies selektive Korrosionseigenschaften auf, wobei die Austenitbereiche (B2) mit geringerem Cr-Gehalt bevorzugt korrodierten, w\u00e4hrend die Ferritbereiche (B1) mit h\u00f6herem Cr-Gehalt einen h\u00f6heren Sauerstoffgehalt und eine bessere Passivierungsfilmqualit\u00e4t aufwiesen.<\/p>\n\n\n\n

\"Auswirkungen<\/figure>\n\n\n\n

Die konfokale Lasermorphologie der beiden nichtrostenden Stahlbeschichtungen nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Einwirkung in der Zhongshan-Station in der Antarktis ist in Abbildung 5 dargestellt. Die 316L-Beschichtung wies zahlreiche kleine Lochfra\u00dfstellen auf, wobei sich einige kleine Gr\u00fcbchen zu gr\u00f6\u00dferen Gr\u00fcbchen verdichteten und zusammenwuchsen, wobei das tiefste Gr\u00fcbchen 12,89 \u03bcm erreichte. Im Gegensatz dazu wies die 2205-Beschichtung keine Lochfra\u00dfkorrosionsmerkmale auf, sondern unterlag in erster Linie einer leichten selektiven Korrosion, wobei ihre mikroskopische Morphologie die charakteristische Zweiphasenstruktur von nichtrostendem Duplexstahl widerspiegelt.<\/p>\n\n\n\n

Die Phasenanalyse der beiden Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl im Ausgangszustand und nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Belastung in der Zhongshan-Station (Abbildung 6) ergab, dass die Beschichtungen aus 316L und 2205 sowohl vor als auch nach der Belastung eine stabile einphasige austenitische Struktur bzw. eine zweiphasige austenitisch-ferritische Struktur aufwiesen. Die Beschichtungsoberfl\u00e4chen wiesen nur eine geringe Korrosion ohne nennenswerte Ansammlung von Korrosionsprodukten auf. Da die Dicke des Passivierungsfilms in der Regel nicht mehr als 10 nm betr\u00e4gt, wurden keine zus\u00e4tzlichen Beugungsspitzen festgestellt. Die laserbeschichteten 316L- und 2205-Beschichtungen zeigten Phasenstabilit\u00e4t in der antarktischen atmosph\u00e4rischen Umgebung.<\/p>\n\n\n\n

Ausgehend von den oben genannten Ergebnissen stammten die an den Proben beobachteten Korrosionsprodukte vom Substrat, w\u00e4hrend die Beschichtungen selbst keine signifikanten Ver\u00e4nderungen aufwiesen. Die Methode des Massenverlustes wurde angewandt, um die Korrosionsrate der Proben zu untersuchen und die Schutzwirkung der Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl zu bewerten. In Studien zur Korrosion durch atmosph\u00e4rische Einwirkung werden der Korrosionsmassenverlust und die Korrosionsrate von metallischen Werkstoffen anhand der folgenden Gleichungen berechnet: \u03c9 steht f\u00fcr den Korrosionsmassenverlust pro Fl\u00e4cheneinheit (g\/m\u00b2), \u03bd bezeichnet die Korrosionsrate (mm\/a), m_t ist die Masse der Probe nach der Entrostung (g), m_0 ist die Masse der Probe vor der Einwirkung (g), S ist die Oberfl\u00e4che der Probe (cm\u00b2), \u03c1 ist die Dichte des niedrig legierten Stahls (etwa 7,86 g\/cm\u00b3) und t ist die Einwirkungszeit (h).<\/p>\n\n\n\n

Der berechnete Massenverlust und die durchschnittliche Korrosionsrate von FH690-Stahl unter dem Schutz der beiden Beschichtungen sind in Abbildung 7 dargestellt. Unter der 316L-Beschichtung betrug der Massenverlust des FH690-Stahls 12,5 mg-cm-\u00b2, mit einer durchschnittlichen Korrosionsrate von 15,9 \u03bcm-a-\u00b9; unter der 2205-Beschichtung betrug der Massenverlust 12,8 mg-cm-\u00b2, mit einer durchschnittlichen Korrosionsrate von 16,3 \u03bcm-a-\u00b9. Beide Beschichtungen wiesen in der antarktischen Atmosph\u00e4re eine vernachl\u00e4ssigbare Korrosion auf und boten dem Stahlsubstrat FH690 einen wirksamen Schutz. Die durchschnittlichen Korrosionsraten unter den beiden Beschichtungen waren nahezu identisch, wobei der gesamte Massenverlust auf das exponierte Substrat zur\u00fcckzuf\u00fchren war. Verglichen mit der Korrosionsrate von ungesch\u00fctztem 690 MPa-Schiffsstahl in der antarktischen Atmosph\u00e4re (18,7 \u03bcm-a-\u00b9) wurde eine erhebliche Reduzierung erreicht.<\/p>\n\n\n\n

2.2 Mikroh\u00e4rte
Abbildung 8 zeigt die durchschnittliche Mikroh\u00e4rte der beiden Beschichtungsoberfl\u00e4chen aus nichtrostendem Stahl. Die anf\u00e4nglichen Mikroh\u00e4rtewerte der 316L- und 2205-Beschichtungen betrugen 279,19 HV\u2080.\u2082 bzw. 392,77 HV\u2080.\u2082. Normalerweise \u00fcbersteigt die Mikroh\u00e4rte von gegossenem 316L nicht 200 HV\u2080.\u2082, w\u00e4hrend die von gegossenem 2205 etwa 300 HV\u2080.\u2082 betr\u00e4gt. Die h\u00f6here H\u00e4rte der lasergeschwei\u00dften Beschichtungen l\u00e4sst sich auf zwei Faktoren zur\u00fcckf\u00fchren: Erstens f\u00fchrt die rasche Abk\u00fchlung beim Laserauftragschwei\u00dfen zu dendritischen und feinen gleichachsigen Kornstrukturen, die zur Verst\u00e4rkung der Kornfeinung beitragen; zweitens k\u00f6nnen sich durch die metallurgische Verbindung zwischen Substrat und Beschichtung Elemente aus dem FH690-Stahl in die Edelstahlbeschichtungen mischen, was die H\u00e4rte erh\u00f6ht. Dies wird durch die EDS-Ergebnisse (Tabelle 1) best\u00e4tigt, die auf eine Verd\u00fcnnung des Fe hinweisen, wodurch der Gehalt an anderen Elementen verringert wird. Nach einem Jahr Witterungseinfluss in der Zhongshan-Station blieb die Mikroh\u00e4rte der Beschichtungen praktisch unver\u00e4ndert, was eine ausgezeichnete Anpassungsf\u00e4higkeit an die Umweltbedingungen beweist.<\/p>\n\n\n\n

2.3 Tribologisches Verhalten
Abbildung 9 zeigt das tribologische Verhalten der beiden Edelstahlbeschichtungen vor und nach der Exposition in der antarktischen Atmosph\u00e4re. Unter trockenen Gleitreibungsbedingungen stabilisierte sich der Reibungskoeffizient (COF) nach etwa 300 s und erreichte einen konstanten Wert von etwa 0,7. Nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Belastung in der Zhongshan-Station nahm der COF der 316L-Beschichtung im Vergleich zum Ausgangszustand leicht ab, w\u00e4hrend er bei der 2205-Beschichtung unver\u00e4ndert blieb. Der Verschlei\u00dfvolumenverlust beider Beschichtungen blieb vor und nach der Exposition gleich, wobei die 2205-Beschichtung ein geringeres Verschlei\u00dfvolumen als die 316L-Beschichtung aufwies. Die Verschlei\u00dfspurprofile der 2205-Beschichtung waren flacher als die der 316L-Beschichtung, was auf eine h\u00f6here Verschlei\u00dffestigkeit hindeutet. Die 316L-Beschichtung wies an den R\u00e4ndern der Verschlei\u00dfspuren ausgepr\u00e4gte Grate auf, die durch plastische Verformung unter dem Druck der gleitenden Kugel entstanden. Die Verschlei\u00dfrate (\u03bc) der Beschichtungen wurde anhand der Archard-Gleichung berechnet: V ist der gemessene Verschlei\u00dfvolumenverlust (mm\u00b3), N ist die Normallast (N) und d ist der Gesamtgleitweg (m).<\/p>\n\n\n\n

Die berechneten Ergebnisse, die in Abbildung 9d dargestellt sind, zeigen, dass die Verschlei\u00dfraten der 316L- und 2205-Beschichtungen etwa 8,35 \u00d7 10-\u2076 mm\u00b3-N-\u00b9-m-\u00b9 bzw. 7,85 \u00d7 10-\u2076 mm\u00b3-N-\u00b9-m-\u00b9 betragen. Nach der Exposition in der antarktischen Atmosph\u00e4re blieben die Verschlei\u00dfraten beider Beschichtungen auf dem Niveau vor der Exposition, was f\u00fcr eine stabile Verschlei\u00dffestigkeit spricht.<\/p>\n\n\n\n

Abbildung 10 zeigt die Verschlei\u00dfspurenmorphologie der beiden Edelstahlbeschichtungen nach einem Jahr in der Zhongshan-Station; die Ergebnisse der EDS-Punktscans sind in Tabelle 2 aufgef\u00fchrt. Die Verschlei\u00dfspurbreite der 316L-Beschichtung betrug 565,72 \u03bcm, w\u00e4hrend die der 2205-Beschichtung 495,71 \u03bcm betrug, was mit dem gr\u00f6\u00dferen Massenverlust der 316L-Beschichtung \u00fcbereinstimmt. Morphologisch gesehen wiesen beide Beschichtungen Pflugrillen und Transferschichten in den Verschlei\u00dfspuren auf, was auf das Auftreten von abrasivem und adh\u00e4sivem Verschlei\u00df hindeutet. Die 316L-Beschichtung wies eine h\u00f6here Pr\u00e4valenz von Transferschichten auf, wobei der adh\u00e4sive Verschlei\u00df deutlicher hervortrat, w\u00e4hrend die 2205-Beschichtung ausgepr\u00e4gtere Pflugrillen aufwies, was auf abrasiven Verschlei\u00df als dominierenden Mechanismus hindeutet. Die Transferschichten wiesen einen extrem hohen Sauerstoffgehalt auf, was auf die Reibungsw\u00e4rme w\u00e4hrend des reziproken Verschlei\u00dfes zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, die die Oxidation von passivierenden Elementen wie Cr und Mo f\u00f6rdert.<\/p>\n\n\n\n

2.4 Elektrochemisches Korrosionsverhalten
Abbildung 11 zeigt die potentiodynamischen Polarisationskurven der beiden Edelstahlbeschichtungen mit den in Tabelle 3 aufgef\u00fchrten elektrochemischen Korrosionsparametern. Nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Exposition in der Zhongshan-Station zeigte die potentiodynamische Polarisationskurve der 316L-Beschichtung nur eine minimale Trend\u00e4nderung, obwohl sich das Lochfra\u00dfpotential (E_b, anf\u00e4nglich 536,8 mV, nach der Exposition 503,7 mV) etwas fr\u00fcher verschob und sich die passive Stromdichte (i_p) verdoppelte. Das Passivierungsintervall (\u0394E) der 2205-Beschichtung blieb bei etwa 1300 mV, aber die i_p stieg von 2,455 \u03bcA-cm-\u00b2 auf 4,177 \u03bcA-cm-\u00b2 nach der Exposition. Nach der Exposition nahm die Korrosionsbest\u00e4ndigkeit sowohl der 316L- als auch der 2205-Beschichtung in unterschiedlichem Ma\u00dfe ab, was auf Oberfl\u00e4chendefekte zur\u00fcckzuf\u00fchren ist, die durch die korrosive antarktische Atmosph\u00e4re verursacht wurden.<\/p>\n\n\n\n

Abbildung 12 zeigt die Ergebnisse der elektrochemischen Impedanzspektroskopie (EIS) f\u00fcr die beiden Edelstahlbeschichtungen. Nach einem Jahr atmosph\u00e4rischer Belastung zeigten die Nyquist-Diagramme (Abbildung 12a) der 316L- und 2205-Beschichtungen verringerte kapazitive Bogenradien, was auf eine Abnahme des Ladungs\u00fcbergangswiderstands und der Stabilit\u00e4t der Passivierungsschicht hinweist. In den Bode-Diagrammen (Abbildung 12b) verringerte sich der Impedanzmodul (|Z|) bei 0,1 Hz, der typischerweise den Polarisationswiderstand des Materials in der L\u00f6sung widerspiegelt, nach der Exposition f\u00fcr beide Beschichtungen, was auf eine geringere Korrosionsbest\u00e4ndigkeit hindeutet. Au\u00dferdem deuten ein gr\u00f6\u00dferer Phasenwinkel und ein breiterer Bereich im Mittelfrequenzbereich auf eine gr\u00f6\u00dfere Stabilit\u00e4t des Passivierungsfilms hin. Nach der Exposition verengte und verringerte sich der Mittelfrequenz-Phasenwinkel der 316L-Beschichtung, w\u00e4hrend derjenige der 2205-Beschichtung ebenfalls abnahm, was eine Verschlechterung der Passivierungsfilmqualit\u00e4t widerspiegelt. In Anbetracht des Vorhandenseins von zwei Zeitkonstanten im Korrosionsprozess wurde ein Doppelschichtmodell (Einschub in Abbildung 12a) zur Anpassung der Daten verwendet, wie in Tabelle 4 dargestellt. Die Impedanz der por\u00f6sen Au\u00dfenschicht (R_p) war deutlich niedriger als die der Innenschicht (R_c), was darauf hindeutet, dass der Elektrodenreaktionswiderstand der Beschichtungen in erster Linie durch den Ladungstransferschritt bestimmt wurde. Nach der Belichtung nahm der R_c-Wert beider Beschichtungen ab. Trotz einer leichten Verringerung der Korrosionsbest\u00e4ndigkeit nach der Exposition in der antarktischen Atmosph\u00e4re behielten die laserbeschichteten Beschichtungen einen stabilen Passivierungszustand und eine niedrige Korrosionsrate bei und boten weiterhin einen wirksamen Schutz f\u00fcr den Tieftemperatur-Schiffsstahl.<\/p>\n\n\n\n

\"Auswirkungen<\/figure>\n\n\n\n

3. Schlussfolgerung<\/p>\n\n\n\n

In dieser Arbeit wurden Beschichtungen aus austenitischem Edelstahl 316L und rostfreiem Duplexstahl 2205 auf dem Tieftemperatur-Schiffsstahl FH690 durch Laserauftragsschwei\u00dfen hergestellt. Die Beschichtungen wurden 1 Jahr lang in der Zhongshan-Station in der Antarktis der Atmosph\u00e4re ausgesetzt. Die Schutzwirkung, das Mikrogef\u00fcge, die H\u00e4rte, die Reibung und der Verschlei\u00df sowie das elektrochemische Korrosionsverhalten der beiden Beschichtungen wurden analysiert. Die Ergebnisse sind wie folgt:<\/p>\n\n\n\n

(1) Auf der Oberfl\u00e4che der 316L-Beschichtung kam es zu leichtem Lochfra\u00df, und auf der Oberfl\u00e4che der 2205-Beschichtung trat leichte selektive Korrosion auf. Beide Beschichtungen aus nichtrostendem Stahl k\u00f6nnen eine stabile Phasenstruktur beibehalten, die eine gute Schutzfunktion auf dem FH690-Stahlsubstrat aus\u00fcbt und die atmosph\u00e4rische Korrosionsrate des Substrats verringert.<\/p>\n\n\n\n

(2) Die Mikroh\u00e4rte der beiden Beschichtungen \u00e4nderte sich kaum; der Reibungskoeffizient lag stabil bei etwa 0,7, und die Verschlei\u00dfraten der 316L- und 2205-Beschichtungen blieben bei etwa 8,35 bzw. 7,85\u00d710-6 mm3-N-1-m-1; die 316L-Beschichtung war haupts\u00e4chlich adh\u00e4sivem Verschlei\u00df ausgesetzt, w\u00e4hrend die 2205-Beschichtung haupts\u00e4chlich abrasivem Verschlei\u00df ausgesetzt war. Die beiden Beschichtungen waren in der Lage, ihre mechanische und Verschlei\u00dffestigkeit vor und nach der Antarktis-Exposition stabil zu halten.<\/p>\n\n\n\n

(3) Eine geringe Menge an Korrosionsdefekten wurde auf der Oberfl\u00e4che der beiden Beschichtungen erzeugt, was zu einem Anstieg der passiven Stromdichte, einem fr\u00fchen Durchbruchspotential der 316L-Beschichtung und einer Abnahme der Impedanz des Passivierungsfilms der beiden Beschichtungen f\u00fchrte, aber sie waren immer noch in der Lage, einen guten Passivierungseffekt und eine niedrige Korrosionsrate beizubehalten.<\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

With the development of polar resource exploration and polar shipping, significant attention has been directed toward materials for polar equipment and protective technologies against damage in extreme environments. To address the corrosion protection needs of marine engineering steel and the evaluation of stainless steel performance under low-temperature conditions, laser cladding technology was employed to fabricate […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":1185,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[5,3],"tags":[101],"table_tags":[],"class_list":["post-1189","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-professional-knowledge","category-blog","tag-michael-shea"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1189","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=1189"}],"version-history":[{"count":2,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1189\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":5196,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/1189\/revisions\/5196"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media\/1185"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=1189"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=1189"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=1189"},{"taxonomy":"table_tags","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.greenstone-tech.com\/de\/wp-json\/wp\/v2\/table_tags?post=1189"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}