Met de ontwikkeling van de exploratie van polaire bronnen en de polaire scheepvaart, is er veel aandacht besteed aan materialen voor polaire uitrusting en beschermingstechnologieën tegen schade in extreme omgevingen. Om tegemoet te komen aan de behoefte aan corrosiebescherming van scheepsbouwstaal en de evaluatie van de prestaties van roestvast staal onder omstandigheden met lage temperaturen, werd lasercladdingtechnologie gebruikt om austenitisch roestvast staal 316L en duplex roestvast staal 2205 coatings aan te brengen op het oppervlak van FH690 staal. Deze coatings ondergingen een blootstellingstest van een jaar in de atmosferische omgeving van het Zhongshan Station in Antarctica. De resultaten toonden aan dat de roestvaststalen coatings de corrosiesnelheid van het zeestalen substraat effectief verminderden. De microstructuur, microhardheid, tribologisch gedrag, elektrochemisch corrosie gedrag en stabiliteit van de monsters onder polaire lage temperatuur omstandigheden werden geanalyseerd. Bevindingen gaven aan dat de 316L coating kleine putcorrosie vertoonde, terwijl de 2205 coating lichte selectieve corrosie vertoonde. Beide coatings behielden hun voor-blootstelling niveaus van microhardheid en slijtvastheid, met een lichte vermindering in corrosiebestendigheid. De met laser beklede roestvaststalen coatings vertoonden stabiliteit in de fasestructuur en prestaties in de atmosferische blootstellingsomgeving op Antarctica en boden een effectieve bescherming aan het stalen substraat bij lage temperaturen. Deze resultaten bieden waardevolle ondersteuning voor het beoordelen van het omgevingsaanpassingsvermogen van materialen die worden gebruikt in polaire uitrusting en het bevorderen van corrosiebestendige coatingtechnologieën.

In de afgelopen jaren hebben de opwarming van de aarde, de schaarste van hulpbronnen en milieuveranderingen ertoe geleid dat de exploratie van polaire hulpbronnen, de vooruitgang van de polaire scheepvaart en de bescherming van polaire belangen steeds meer aandacht hebben gekregen van landen over de hele wereld. Onderzoek heeft uitgewezen dat het Noordpoolgebied ongeveer 30% van de onontwikkelde aardgasreserves en 13% van de onontwikkelde oliereserves van de wereld bevat, terwijl Antarctica het grootste kolenveld ter wereld herbergt, gelegen onder de ijskap van Oost-Antarctica, met een geschatte reserve van ongeveer 500 miljard ton. In het proces van exploratie, ontwikkeling en behoud van poolgebieden zijn de operationele prestaties van hoogwaardige pooluitrusting zoals ijsbrekers, offshore platforms en grondstations van cruciaal belang. De polaire omgeving is echter complex en ruw, met gemiddelde jaartemperaturen van ongeveer -22,3°C op de Noordpool en tussen -28,9°C en -35°C op Antarctica. Slechts 1 tot 4 maanden van het jaar hebben gemiddelde maandtemperaturen tussen 0°C en 10°C, met extreme weersomstandigheden die de temperaturen tot -70°C laten dalen. In combinatie met droge stormen, intense ultraviolette straling, vries-dooi cycli en stormachtige sneeuwval wordt polaire apparatuur blootgesteld aan langdurige en ernstige corrosieschade door blootstelling aan de atmosfeer bij lage temperaturen. Voor bewegende onderdelen in ijsbrekers, boorplatforms en opslagsystemen moet ook rekening worden gehouden met extra schade door stress en slijtage. Bijgevolg is het omgevingsaanpassingsvermogen van materialen voor polaire uitrusting al lang een aandachtspunt van uitgebreid wetenschappelijk onderzoek.

Momenteel bestaan metalen materialen voor polaire uitrusting voornamelijk uit lagetemperatuurstalen. Dit zijn hoogwaardige staalsoorten die ontworpen zijn om een uitstekende taaiheid en lasbaarheid te vertonen bij lage temperaturen. Deze omvatten ferriet-gebaseerde laaggelegeerde staalsoorten en Fe-Cr-Ni austenitisch roestvast staal. Laaggelegeerde lagetemperatuurstalen worden veel gebruikt vanwege hun kosteneffectiviteit en worden vaak geproduceerd met behulp van het thermomechanische controleproces (TMCP), dat de sterkte, taaiheid en lasbaarheid verbetert en het koolstofgehalte verlaagt. Wang Chaoyi et al. voerden lasexperimenten uit met onder poederdek lassen van 54 mm dik 460 MPa lagetemperatuurstaal voor polaire schepen geproduceerd via TMCP. Ze ontdekten dat bij een extreem lage temperatuur van -70 °C, monsters uit de warmte-beïnvloede zone met een enkelvoudige bainitische microstructuur brosse breuk vertoonden, terwijl het basismateriaal met een dual-phase ferriet-bainiet microstructuur een hogere breuksterkte en een grotere weerstand tegen scheurgroei vertoonde. Sun Shibin et al. onderzochten het tribologische gedrag van TMCP FH36 mariene staalplaten van verschillende dikte bij 20°C, -5°C en -20°C. Hun bevindingen toonden aan dat de oppervlaktemicrostructuur voornamelijk bestond uit ferriet en pareliet, terwijl het gebied halverwege de dikte ferriet, pareliet en korrelig bainiet bevatte. De microstructuur had een directe invloed op de hardheid en slijtvastheid, met abrasieve slijtage als het dominante mechanisme, vergezeld door vermoeidheids- en adhesieve slijtage. Naarmate de temperatuur daalde, nam de lokale oppervlaktehardheid toe, maar het loslaten van materiaal door wrijving verergerde de slijtage, wat resulteerde in bredere en diepere slijtagesporen en een groter slijtagevolume. Li et al. bestudeerden het vroege corrosiegedrag van EH36 lagetemperatuurstaal in een gesimuleerde polaire mariene atmosferische omgeving en merkten op dat corrosie in een versnelde fase bleef bij lage temperaturen, met een snelheid van 0,47 g-m-²-h-¹. FH690-staal met hoge sterkte en lage temperatuur biedt uitstekende mechanische eigenschappen bij lage temperatuur; in omgevingen met gekoppelde slijtage-corrosieschade zijn losse en poreuze corrosieproducten echter niet bestand tegen wrijvingsschuifkrachten en galvanische corrosie tussen het blootgestelde substraat en slijtageproducten versnelt de degradatie nog verder. De microstructuur van laaggelegeerd lagetemperatuurstaal is gevoelig voor veranderingen veroorzaakt door hitte en mechanische krachten, wat leidt tot instabiliteit in mechanische en slijtage-eigenschappen. Bovendien resulteert de afwezigheid van passiverende elementen in snelle corrosie in mariene Cl-omgevingen, waardoor de levensduur onder gekoppelde slijtage-corrosieomstandigheden aanzienlijk wordt verkort.

Materiële schade, zoals slijtage en corrosie, ontstaat meestal aan het oppervlak. Door gebruik te maken van hoogenergetische straalcladdingtechnologieën voor de vervaardiging van hoogwaardige coatings met geïntegreerde weerstand tegen slijtage en corrosie bij lage temperaturen op het oppervlak van taai, lage-temperatuur marien technisch staal, kunnen aanzienlijke verbeteringen worden bereikt in de prestaties van technische apparatuur in extreme polaire omgevingen. Coatings geprepareerd via lasercladding op EH32 marine stalen substraten vertoonden superieure hardheid en slijtvastheid vergeleken met het substraat na vriescorrosietests bij lage temperatuur bij -80°C. De keuze van de juiste hoogwaardige bekledingsmaterialen is cruciaal voor het verlengen van de levensduur van maritiem staal. Roestvast staal, met zijn uitstekende corrosiebestendigheid, biedt een oplossing voor het gebrek aan passiverende elementen in scheepsstaal voor lage temperaturen en zorgt als ijzerlegering voor een robuuste metallurgische hechting tijdens het bekledingsproces. Austenitisch roestvast staal heeft geen taai-bros overgang bij lage temperaturen en biedt een uitzonderlijke slagvastheid en corrosiebestendigheid. Duplex roestvast staal biedt een hogere sterkte en verbeterde slijtvastheid, met gecontroleerde precipitatie van secundaire fasen die een goede taaiheid behouden. De onregelmatige variabiliteit van poolklimaten bemoeilijkt de simulatie van atmosferische corrosietests, waardoor langdurige atmosferische blootstelling in het veld in poolgebieden de meest betrouwbare evaluatiemethode is.

Dit onderzoek richt zich op de materiaaleisen voor polaire technische apparatuur en de behoefte aan bescherming tegen schade in extreme omgevingen. Laser cladding technologie werd gebruikt om austenitisch roestvast staal 316L en duplex roestvast staal 2205 coatings te fabriceren op het oppervlak van FH690 staal, gevolgd door blootstellingstesten in de atmosferische omgeving van het Zhongshan Station in Antarctica. De microhardheid, tribologisch gedrag, elektrochemisch corrosiegedrag en stabiliteit van de monsters onder polaire lage temperatuur omstandigheden werden geanalyseerd om inzicht te geven in het omgevingsaanpassingsvermogen en de corrosiebescherming van polaire uitrustingsmaterialen. De beschermende efficiëntie van de 316L en 2205 laser beklede coatings op FH690 staal in de Antarctische atmosferische blootstellingsomgeving werd onderzocht.

Experimentele voorbereiding
1.1 Voorbereiding van de coating en omstandigheden van blootstelling aan Antarctica
Het substraatmateriaal dat in dit experiment werd gebruikt was FH690 staal met afmetingen van 100 mm × 25 mm × 10 mm. Het oppervlak werd eerst gepolijst met schuurpapier korrel 1500 om uniforme krassen te krijgen, gevolgd door ultrasone reiniging met watervrije ethanol om onzuiverheden en olie van het oppervlak te verwijderen en vervolgens gedroogd voor later gebruik. Poeders van roestvrijstalen legeringen 316L en 2205, met deeltjesgroottes variërend van 48 tot 74 μm, werden geselecteerd als bekledingsmaterialen en gedroogd in een vacuümomgeving bij 50°C gedurende 24 uur voorafgaand aan het bekleden.

De legeringspoeders werden gelijkmatig op het substraatoppervlak aangebracht met behulp van de vooraf ingestelde poedermethode, met een deklaagdikte van ongeveer 2 mm en een vlakke afmeting van 50 mm × 25 mm. Een glasvezelgekoppelde halfgeleiderlaser (RECI Laser, DAC4000) met een maximaal uitgangsvermogen van 4 kW werd gebruikt voor het cladden. De claddingparameters waren als volgt: laservermogen van 1,6 kW, spotdiameter van 2 mm, scansnelheid van 800 mm/min, overlapsnelheid van 25% en bescherming door argonatmosfeer. Na het cladden werden de coatings gepolijst met schuurpapier korrel 1500 zodat ze overeenkwamen met de toestand van het substraat, er werden gaten geboord op specifieke locaties voor monsterassemblage en de begintoestand van de monsters werd gefotografeerd en gewogen.

De bevestiging van de monsters voor blootstelling aan de atmosfeer op Antarctica volgde de GB/T 14165-2008 standaard, waarbij het monsteroppervlak in een hoek van 45° ten opzichte van het horizontale vlak werd geplaatst, zoals getoond in figuur 1. De monsters werden geplaatst in het Zhongshan Station op Antarctica voor een testduur van 1 jaar (december 2022 tot december 2023). Bij het ophalen werden de monsters gefotografeerd en de monsters met corrosieproducten werden ondergedompeld in een roestverwijderingsoplossing met 100 ml HCl, 100 ml gedeïoniseerd water en 0,3 g hexamethyleentetramine voor ultrasone reiniging. De monsters werden vervolgens gespoeld met alcohol, gedroogd, gefotografeerd en gewogen. Door middel van elektrische ontlading werden de monsters verwerkt tot kleinere preparaten met een oppervlak van 10 mm × 10 mm voor daaropvolgende testen.

1.2 Karakterisering van het monster en prestatietesten voor en na blootstelling aan Antarctica
De coatings voor en na blootstelling aan de Antarctische atmosfeer werden gekarakteriseerd op morfologie, samenstelling en fasestructuur met behulp van een rasterelektronenmicroscoop (SEM, ZEISS Gemini300), röntgen-energiedispersiespectrometer (EDS, Oxford INCA 80), röntgendiffractometer (XRD, Bruker D8 Advance) en confocale laserscanningmicroscoop (CLSM, Keyence VK-X250).

De microhardheid werd gemeten met een Vickers microhardheidstester (Veiyee QHV-1000SPTA) op 20 willekeurig gekozen punten op het coatingoppervlak, met een toegepaste belasting van 200 g en een verblijftijd van 15 s. Het gemiddelde van 20 metingen werd genomen als de oppervlaktehardheid van de coating. Het tribologische gedrag van de coatings bij droog glijden werd geëvalueerd met behulp van een multifunctionele wrijvings- en slijtagetestmachine (Rtec MFT-5000) met een toegepaste normaalkracht van 10 N, een slijtage duur van 1800 s, een heen en weer gaande afstand van 3 mm en een SiN keramische kogel (6,35 mm diameter) als tegenvlak. Slijtagesporen werden geanalyseerd met een driedimensionale morfometer (Bruker Contour GT-K). Het corrosiegedrag bij 10 ± 0,1°C werd beoordeeld met een elektrochemisch werkstation (Gamry Reference 3000) in een 3,5 wt.% NaCl-oplossing met een drie-elektrodesysteem: een platina draad als tegenelektrode, een Ag/AgCl-elektrode als referentie-elektrode en de coating als werkelektrode, ingekapseld in epoxyhars om een 10 mm × 10 mm werkgebied bloot te leggen. Open circuit potentiaal (OCP) testen werden uitgevoerd gedurende 1800 s bij een samplefrequentie van 0,5 s-¹, gevolgd door elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) bij OCP met een frequentiebereik van 100 kHz tot 10 mHz. Potentiodynamische polarisatie werd uitgevoerd met een scansnelheid van 1 mV-s-¹, beginnend bij een beginpotentiaal van -0,3 V ten opzichte van OCP en eindigend wanneer de anodische polarisatiestroomdichtheid 1 mA-cm-² bereikte, wat de Tafel-polarisatiecurve opleverde. Elke tribologische en elektrochemische test werd minstens drie keer herhaald om de nauwkeurigheid te garanderen.

2 Resultaten en discussie
2.1 Morfologie en massaverliesanalyse
De microscopische morfologie van de coatings na bereiding wordt getoond in figuur 2. Beide coatings bereikten een bevredigende metallurgische hechting met het substraat en vertoonden een uniforme en dichte structuur zonder defecten zoals scheuren, poriën, insluitingen of gebrek aan fusie bij het grensvlak. De compositieanalyse van de belangrijkste elementen in de coatings wordt weergegeven in tabel 1. Cr en Mo, kritische putbestendige elementen in roestvast staal, vormen een dichte passiveringslaag in corrosieve omgevingen, terwijl Ni het primaire austeniet-stabiliserende element is. Lasercladden zorgt weliswaar voor een metallurgische hechting tussen de deklaag en het substraat, maar introduceert enige verdunning, waarbij elementen uit het substraat migreren in de deklaag, wat resulteert in iets lagere Cr- en Nigehaltes vergeleken met de nominale samenstellingen van de twee roestvaststalen.

Figuur 3 illustreert de macroscopische morfologie van de twee roestvrij stalen coatings in hun oorspronkelijke staat, na 1 jaar blootstelling aan het Zhongshan Station in Antarctica, en na het verwijderen van roest. In hun oorspronkelijke staat, de FH690 stalen substraat, 316L coating, en 2205 coating vertoonden een heldere metallic glans (figuur 3a, 3d) met uitstekende oppervlakte-eigenschappen. Na 1 jaar blootstelling aan het Zhongshan Station, bleven de coatings goed gebonden aan het substraat zonder scheuren of delaminatie. Het stalen substraat van FH690 onderging corrosie en reageerde met zuurstof om een uniforme, losse oxidelaag te vormen, die overging van een metaalglans naar een bruinachtige tint (figuren 3b, 3e). De primaire corrosieproducten van FH690 staal in een mariene atmosferische omgeving zijn α-FeOOH, β-FeOOH en Fe₃O₄. Geplaatst onder een hoek van 45° ten opzichte van de grond, veroorzaakten regenval en sneeuwval in Antarctica corrosieproducten van het FH690 substraat op de coatings, waardoor sommige gebieden grijsbruin werden. Na het verwijderen van roest, verdwenen de grijsbruine corrosie producten op de coating oppervlakken, en de oppervlakte morfologie van de 316L en 2205 coatings vertoonden minimale afwijkingen van hun oorspronkelijke toestand (Figuren 3c, 3f), wat wijst op een effectieve bescherming van het FH690 substraat.

De microscopische kenmerken van laaggelegeerd staal na corrosie in de Antarctische atmosferische omgeving zijn gerapporteerd, waarbij meestal blokvormige, lamellaire of bloemblaadjesachtige corrosieproducten werden gevormd, vergezeld van scheuren en putjes. De microscopische morfologie van de twee roestvrij stalen coatings na 1 jaar van atmosferische blootstelling aan de Zhongshan Station is weergegeven in figuur 4. De 316L coating oppervlak vertoonde talrijke putjes, met verwaarloosbare verschillen in metalen element inhoud binnen en buiten de putjes, hoewel het zuurstofgehalte hoger was op de putwanden. Roestvrij staal is afhankelijk van gemakkelijk passiverende elementen zoals Cr en Mo om een dichte oxidelaag te vormen om Cl-corrosie te weerstaan; hoger zuurstofgehalte duidt op een dichtere passiveringslaag, met gebieden van lagere passiveringslaag inhoud bij voorkeur gecorrodeerd. Het 2205 coatingoppervlak vertoonde selectieve corrosiekarakteristieken, waarbij de austenietgebieden (B2) met een lager Cr-gehalte bij voorkeur corroderen, terwijl de ferrietgebieden (B1) met een hoger Cr-gehalte een hoger zuurstofgehalte en een superieure kwaliteit van de passiveerlaag vertoonden.

De laser confocale morfologie van de twee roestvrij stalen coatings na 1 jaar van atmosferische blootstelling aan de Zhongshan Station in Antarctica is weergegeven in figuur 5. De 316L coating vertoonde tal van kleine putcorrosie sites, met een aantal kleine putjes aggregeren en samensmelten in grotere putten, de diepste bereiken 12,89 micrometer. In tegenstelling, de 2205 coating vertoonde geen kenmerken van putcorrosie, voornamelijk onderhevig aan lichte selectieve corrosie, met zijn microscopische morfologie als gevolg van de karakteristieke twee-fasen structuur van duplex roestvast staal.

Fase-analyse van de twee roestvrij stalen coatings in hun oorspronkelijke toestand en na 1 jaar van atmosferische blootstelling aan de Zhongshan Station (figuur 6) bleek dat de 316L en 2205 coatings een stabiele eenfase austenitische structuur en een dual-fase austenitische-ferritische structuur, respectievelijk, zowel voor als na de blootstelling. De coatingoppervlakken ondergingen slechts geringe corrosie zonder significante accumulatie van corrosieproducten. Gezien het feit dat de dikte van de passiveringslaag meestal niet meer dan 10 nm, geen extra diffractie pieken werden gedetecteerd. De laser beklede 316L en 2205 coatings aangetoond fase stabiliteit in de Antarctische atmosferische blootstelling omgeving.

Gebaseerd op de bovenstaande resultaten waren de corrosieproducten die op de monsters werden waargenomen afkomstig van het substraat, terwijl de coatings zelf geen significante veranderingen vertoonden. De massaverliesmethode werd gebruikt om de corrosiesnelheid van de monsters te onderzoeken en de beschermende werking van de roestvaststalen coatings te evalueren. In atmosferische blootstellingscorrosiestudies worden het massaverlies en de corrosiesnelheid van metalen materialen berekend met behulp van de volgende vergelijkingen: waarbij ω het massaverlies per oppervlakte-eenheid (g/m²) vertegenwoordigt, ν de corrosiesnelheid (mm/a) aangeeft, m_t de massa van het monster na roestverwijdering (g) is, m_0 de massa van het monster vóór blootstelling (g) is, S het oppervlak van het monster (cm²) is, ρ de dichtheid van het laaggelegeerde staal (ongeveer 7,86 g/cm³) is en t de blootstellingstijd (h) is.

Het berekende massaverlies en de gemiddelde corrosiesnelheid van FH690 staal onder de bescherming van de twee coatings worden gepresenteerd in figuur 7. Onder de 316L coating, was het massaverlies van FH690 staal 12,5 mg-cm-², met een gemiddelde corrosiesnelheid van 15,9 μm-a-¹; onder de 2205 coating, was het massaverlies 12,8 mg-cm-², met een gemiddelde corrosiesnelheid van 16,3 μm-a-¹. Beide coatings vertoonden verwaarloosbare corrosie in de Antarctische atmosferische omgeving en boden effectieve bescherming aan het FH690 stalen substraat. De gemiddelde corrosiesnelheden onder de twee coatings waren bijna identiek, waarbij al het massaverlies werd toegeschreven aan het blootgestelde substraat. Vergeleken met de corrosiesnelheid van onbeschermd 690 MPa-kwaliteit marien staal in de Antarctische atmosfeer (18,7 μm-a-¹) werd een aanzienlijke vermindering bereikt.

2.2 Microhardheid
Figuur 8 illustreert de gemiddelde microhardheid van de twee roestvrij stalen coating oppervlakken. De initiële microhardheid waarden van de 316L en 2205 coatings waren 279,19 HV₀.₂ en 392,77 HV₀.₂, respectievelijk. Typisch is de microhardheid van gegoten 316L niet meer dan 200 HV₀.₂, terwijl die van gegoten 2205 is ongeveer 300 HV₀.₂. De hogere hardheid van de laser-gecladde coatings kan worden toegeschreven aan twee factoren: ten eerste, de snelle afkoeling tijdens lasercladding resulteert in dendritische en fijne equiaxed korrelstructuren, wat bijdraagt aan de versterking van de korrelverfijning; ten tweede, de metallurgische binding tussen het substraat en de coating maakt het mogelijk dat elementen van het FH690 staal zich mengen in de roestvrijstalen coatings, waardoor de hardheid toeneemt. Dit wordt ondersteund door EDS-resultaten (tabel 1), die wijzen op verdunning van Fe, waardoor het gehalte aan andere elementen afneemt. Na 1 jaar atmosferische blootstelling aan het Zhongshan Station bleef de microhardheid van de coatings vrijwel onveranderd, wat een uitstekend aanpassingsvermogen aan de omgeving aantoont.

2.3 Tribologisch gedrag
Figuur 9 toont het tribologische gedrag van de twee roestvaststalen coatings voor en na blootstelling aan de Antarctische atmosfeer. Onder droge glijdende wrijving omstandigheden, de wrijvingscoëfficiënt (COF) gestabiliseerd na ongeveer 300 s, het bereiken van een stabiele waarde van ongeveer 0,7. Na 1 jaar van atmosferische blootstelling aan het Zhongshan Station, daalde de COF van de 316L coating licht in vergelijking met de oorspronkelijke toestand, terwijl die van de 2205 coating ongewijzigd bleef. De slijtage volume verlies van beide coatings bleef consistent voor en na blootstelling, met de 2205 coating vertonen lagere slijtage volume dan de 316L coating. De slijtage spoor profielen van de 2205 coating waren ondieper dan die van de 316L coating, wat duid op een superieure slijtvastheid. De 316L coating vertoonde geprononceerde richels aan de slijtageranden, als gevolg van plastische vervorming onder de druk van de glijdende kogel. De slijtage snelheid (μ) van de coatings werd berekend met behulp van de Archard vergelijking: waar V de gemeten slijtage volumeverlies (mm³), N de normale belasting (N), en d de totale schuifafstand (m).

De berekende resultaten, weergegeven in figuur 9d, geven aan dat de slijtage van de 316L en 2205 coatings ongeveer 8,35 × 10-⁶ mm³-N-¹-m-¹ en 7,85 × 10-⁶ mm³-N-¹-m-¹, respectievelijk. Na blootstelling aan de Antarctische atmosfeer bleven de slijtagesnelheden van beide coatings op het niveau van voor de blootstelling, wat een stabiele slijtvastheid aantoont.

Figuur 10 toont de slijtage spoor morfologie van de twee roestvrij stalen coatings na 1 jaar van blootstelling aan de Zhongshan Station, met EDS point scan resultaten in tabel 2. De slijtage spoorbreedte van de 316L coating was 565,72 μm, terwijl die van de 2205 coating 495,71 μm was, in overeenstemming met het grotere massaverlies waargenomen voor de 316L coating. Morfologisch, beide coatings vertoonden ploegen groeven en overdracht lagen in de slijtage sporen, wat wijst op het optreden van abrasieve en adhesieve slijtage. De 316L coating toonde een hogere prevalentie van transfer lagen, met adhesieve slijtage meer prominent, terwijl de 2205 coating meer uitgesproken groeven vertoonde, wat duidt op abrasieve slijtage als het dominante mechanisme. De transferlagen vertoonden een extreem hoog zuurstofgehalte, toegeschreven aan wrijvingswarmte tijdens heen en weer slijten, wat de oxidatie van passiverende elementen zoals Cr en Mo bevordert.

2.4 Elektrochemisch corrosiegedrag
Figuur 11 toont de potentiodynamische polarisatie curves van de twee roestvrij stalen coatings, met elektrochemische corrosie parameters in tabel 3. Na 1 jaar van atmosferische blootstelling aan de Zhongshan Station, de potentiodynamische polarisatie curve van de 316L coating vertoonde minimale verandering in trend, hoewel de putafbraak potentiaal (E_b, initiële 536,8 mV, na blootstelling 503,7 mV) verschoof iets eerder, en de passieve stroomdichtheid (i_p) verdubbeld. Het passiveringsinterval (ΔE) van de 2205 coating bleef ongeveer 1300 mV, maar de i_p steeg van 2,455 μA-cm-² tot 4,177 μA-cm-² na blootstelling. Na blootstelling, daalde de corrosieweerstand van zowel de 316L en 2205 coatings in verschillende mate, toegeschreven aan oppervlaktedefecten geïnduceerd door de corrosieve Antarctische atmosfeer.

Figuur 12 presenteert de elektrochemische impedantie spectroscopie (EIS) resultaten voor de twee roestvrij stalen coatings. Na 1 jaar van atmosferische blootstelling, de Nyquist plots (figuur 12a) van de 316L en 2205 coatings toonde verminderd capacitieve boog stralen, wat duidt op een afname van de lading overdracht weerstand en passivering film stabiliteit. In de Bode plots (figuur 12b), de impedantie modulus (| Z|) bij 0,1 Hz, die typisch weerspiegelt de polarisatie weerstand van het materiaal in de oplossing, daalde na blootstelling voor beide coatings, wat duidt op verminderde weerstand tegen corrosie. Bovendien duiden een grotere fasehoek en een breder bereik in het midden-frequentiegebied op een grotere stabiliteit van de passiveringslaag. Na blootstelling, de mid-frequentie fasehoek van de 316L coating vernauwd en verminderd, terwijl die van de 2205 coating ook verminderd, als gevolg van een daling van de passiveringslaag kwaliteit. Gezien de aanwezigheid van twee tijdconstanten in het corrosieproces, werd een dubbellaagse model (inzet in figuur 12a) gebruikt om de gegevens, zoals weergegeven in tabel 4 passen. De impedantie van de poreuze buitenlaag (R_p) was aanzienlijk lager dan die van de binnenlaag (R_c), wat aangeeft dat de elektrode reactieweerstand van de coatings voornamelijk werd bepaald door de ladingoverdracht stap. Na blootstelling daalde de R_c van beide coatings. Ondanks een lichte afname van de corrosieweerstand na blootstelling aan de Antarctische atmosfeer, behielden de met een laser beklede coatings een stabiele passiveringstoestand en een lage corrosiesnelheid, waardoor ze een effectieve bescherming bleven bieden aan het mariene staal bij lage temperatuur.

3 Conclusie

In dit artikel werden 316L austenitisch roestvast staal en 2205 duplex roestvast staal coatings voorbereid op het lage temperatuur mariene staal FH690 substraat door laser cladding technologie. De coatings werden blootgesteld aan de atmosfeer gedurende 1 jaar in Zhongshan Station in Antarctica. De beschermende werking, microstructuur, hardheid, wrijving en slijtage en het elektrochemische corrosiegedrag van de twee coatings werden geanalyseerd. De resultaten zijn als volgt:

(1) Lichte pitting trad op aan het oppervlak van de 316L coating, en lichte selectieve corrosie trad op aan het oppervlak van de 2205 coating. Beide roestvast stalen coatings kunnen een stabiele fase structuur behouden, die een goede beschermende rol speelt op het FH690 stalen substraat en de atmosferische corrosiesnelheid van het substraat vermindert.

(2) De microhardheid van de twee coatings nauwelijks veranderd; de wrijvingscoëfficiënt was stabiel op ongeveer 0,7, en de slijtage van 316L en 2205 coatings werden gehandhaafd op ongeveer 8,35 en 7,85 × 10-6 mm3-N-1-m-1, respectievelijk; de 316L coating werd voornamelijk onderworpen aan adhesieve slijtage, terwijl de 2205 coating voornamelijk werd onderworpen aan abrasieve slijtage. De twee coatings waren in staat om stabiele mechanische en slijtvastheid te behouden voor en na blootstelling aan Antarctica.

(3) Een kleine hoeveelheid van corrosie defecten werden gegenereerd op het oppervlak van de twee coatings, wat resulteerde in een toename van de passieve stroomdichtheid, een vroege afbraakpotentiaal van de 316L coating, en een daling van de passiveringsfilm impedantie van de twee coatings, maar ze waren nog steeds in staat om een goed passiveringseffect en een lage corrosiesnelheid te behouden.