Wraz z rozwojem eksploracji zasobów polarnych i żeglugi polarnej, znaczna uwaga została skierowana na materiały do sprzętu polarnego i technologie ochrony przed uszkodzeniami w ekstremalnych warunkach. W celu zaspokojenia potrzeb w zakresie ochrony antykorozyjnej stali inżynierii morskiej i oceny wydajności stali nierdzewnej w warunkach niskotemperaturowych, zastosowano technologię platerowania laserowego do wytwarzania austenitycznej stali nierdzewnej 316L i dupleksowej stali nierdzewnej 2205 na powierzchni stali FH690. Powłoki te przeszły roczny test 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, elektrochemiczne zachowanie korozyjne i stabilność próbek w polarnych warunkach niskotemperaturowych. Wyniki wykazały, że powłoka 316L wykazywała niewielką korozję wżerową, podczas gdy powłoka 2205 wykazywała niewielką korozję selektywną. Obie powłoki zachowały swoje poziomy mikrotwardości i odporności na zużycie sprzed ekspozycji, z niewielkim spadkiem odporności na korozję. Pokryte laserowo powłoki ze stali nierdzewnej wykazały stabilność struktury fazowej i wydajności w antarktycznym środowisku atmosferycznym, zapewniając skuteczną ochronę niskotemperaturowego podłoża stalowego. Wyniki te stanowią cenne wsparcie dla oceny zdolności adaptacji 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% niezagospodarowanego gazu ziemnego na świecie i 13% niezagospodarowanych rezerw ropy naftowej, podczas gdy Antarktyda jest gospodarzem największego na świecie złoża węgla, znajdującego się pod pokrywą lodową Antarktydy Wschodniej, z szacowaną rezerwą około 500 miliardów ton. W procesach eksploracji, rozwoju i ochrony regionów polarnych kluczowe znaczenie ma wydajność operacyjna wysokowydajnego sprzętu polarnego, takiego jak lodołamacze, platformy morskie i stacje naziemne. Środowisko polarne jest jednak złożone i surowe, ze średnimi rocznymi temperaturami wynoszącymi około -22,3°C w Arktyce i od -28,9°C do -35°C na kontynencie antarktycznym. Tylko przez 1 do 4 miesięcy w roku średnie miesięczne temperatury wynoszą od 0°C do 10°C, a ekstremalne warunki pogodowe obniżają temperatury robocze nawet do -70°C. W połączeniu z suchymi wichurami, intensywnym promieniowaniem ultrafioletowym, cyklami zamrażania i rozmrażania oraz burzowymi opadami śniegu, sprzęt polarny jest narażony na długotrwałe i poważne uszkodzenia korozyjne spowodowane ekspozycją na niskie temperatury atmosferyczne. W przypadku ruchomych komponentów w lodołamaczach, platformach wiertniczych i systemach przechowywania, należy również wziąć pod uwagę dodatkowe uszkodzenia spowodowane naprężeniami i zużyciem. W związku z tym, zdolność materiałów do adaptacji środowiskowej dla urządzeń polarnych od dawna jest głównym punktem szeroko zakrojonych badań naukowych.

Obecnie materiały metaliczne dla urządzeń polarnych składają się głównie ze stali niskotemperaturowych, które są wysokowydajnymi stalami zaprojektowanymi tak, aby wykazywały doskonałą wytrzymałość i spawalność w niskich temperaturach. Zazwyczaj są to stale niskostopowe na bazie ferrytu i austenityczne stale nierdzewne Fe-Cr-Ni. Niskostopowe stale niskotemperaturowe są szeroko stosowane ze względu na ich opłacalność i są powszechnie produkowane przy użyciu procesu kontroli termomechanicznej (TMCP), który zwiększa wytrzymałość, ciągliwość, spawalność i zmniejsza zawartość węgla. Wang Chaoyi i in. przeprowadzili eksperymenty spawalnicze z wykorzystaniem spawania łukiem krytym na stali niskotemperaturowej o grubości 54 mm i wytrzymałości 460 MPa dla statków polarnych produkowanych w procesie TMCP. Stwierdzili oni, że w ekstremalnie niskiej temperaturze -70°C próbki ze strefy wpływu ciepła z pojedynczą mikrostrukturą bainityczną wykazywały kruche pękanie, podczas gdy materiał podstawowy z dwufazową mikrostrukturą ferrytowo-bainityczną wykazywał wyższą wytrzymałość na pękanie i większą odporność na propagację pęknięć. Sun Shibin i in. zbadali zachowanie trybologiczne płyt ze stali morskiej TMCP FH36 o różnych grubościach w temperaturach 20°C, -5°C i -20°C. Ich odkrycia wykazały, że mikrostruktura powierzchni składała się głównie z ferrytu i perlitu, podczas gdy obszar o średniej grubości zawierał ferryt, perlit i ziarnisty bainit. Mikrostruktura miała bezpośredni wpływ na twardość i odporność na zużycie, przy czym dominującym mechanizmem było zużycie ścierne, któremu towarzyszyło zużycie zmęczeniowe i adhezyjne. Wraz ze spadkiem temperatury wzrastała miejscowa twardość powierzchni, ale odrywanie materiału w wyniku tarcia nasilało zużycie, powodując szersze i głębsze ślady zużycia oraz zwiększoną objętość zużycia. Li i in. zbadali wczesne zachowanie korozyjne stali niskotemperaturowej EH36 w symulowanym polarnym morskim środowisku atmosferycznym, zauważając, że korozja pozostawała w fazie przyspieszonej w niskich temperaturach, z szybkością 0,47 g-m-²-h-¹. Wysokowytrzymała stal niskotemperaturowa FH690 oferuje doskonałe właściwości mechaniczne w niskich temperaturach; jednak w środowiskach z połączonymi uszkodzeniami spowodowanymi zużyciem i korozją, luźne i porowate produkty korozji nie są odporne na siły tarcia, a korozja galwaniczna między odsłoniętym podłożem a produktami zużycia dodatkowo przyspiesza degradację. Mikrostruktura niskostopowych stali niskotemperaturowych jest podatna na zmiany wywołane ciepłem i siłami mechanicznymi, co prowadzi do niestabilności właściwości mechanicznych i zużycia. Dodatkowo, brak elementów pasywujących powoduje szybką korozję w środowisku morskim Cl-, znacznie skracając żywotność w warunkach sprzężonego zużycia i korozji.

Uszkodzenia materiału, takie jak zużycie i korozja, zazwyczaj inicjowane są na powierzchni. Dzięki zastosowaniu technologii napawania wiązką wysokoenergetyczną do wytwarzania wysokowydajnych powłok o zintegrowanej odporności na zużycie i korozję w niskich temperaturach na powierzchni wytrzymałej, niskotemperaturowej stali okrętowej, można osiągnąć znaczną poprawę wydajności sprzętu inżynieryjnego w ekstremalnych środowiskach polarnych. Powłoki przygotowane za pomocą napawania laserowego na podłożach ze stali okrętowej EH32 wykazały doskonałą twardość i odporność na zużycie w porównaniu z podłożem po testach korozji mrożeniowej w niskiej temperaturze -80°C. Wybór odpowiednich wysokowydajnych materiałów powłokowych ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia żywotności stali okrętowej. Stal nierdzewna, ze swoją doskonałą odpornością na korozję, rozwiązuje problem braku elementów pasywujących w niskotemperaturowej stali okrętowej i, jako stop na bazie żelaza, zapewnia solidne wiązanie metalurgiczne podczas procesu platerowania. Austenityczna stal nierdzewna nie wykazuje plastyczno-kruchego przejścia w niskich temperaturach, oferując wyjątkową udarność i odporność na korozję. Dupleksowa stal nierdzewna zapewnia wyższą wytrzymałość i lepszą odporność na zużycie, a kontrolowane wytrącanie faz wtórnych zachowuje dobrą wytrzymałość. Nieregularna zmienność klimatu polarnego komplikuje symulację testów korozyjnych w warunkach atmosferycznych, co sprawia, że długoterminowa ekspozycja na warunki atmosferyczne w regionach polarnych jest najbardziej wiarygodną metodą oceny.

Niniejsze badanie dotyczy wymagań materiałowych dla sprzętu inżynierii polarnej i potrzeby ochrony przed uszkodzeniami w ekstremalnych warunkach. Technologia platerowania laserowego została wykorzystana do wytworzenia powłok z austenitycznej stali nierdzewnej 316L i dupleksowej stali nierdzewnej 2205 na powierzchni stali FH690, a następnie przeprowadzono testy ekspozycji w środowisku atmosferycznym stacji Zhongshan na Antarktydzie. Przeanalizowano mikrotwardość, zachowanie trybologiczne, elektrochemiczne zachowanie korozyjne i stabilność próbek w polarnych warunkach niskotemperaturowych, aby zapewnić wgląd w zdolność adaptacji do środowiska i ochronę antykorozyjną materiałów wyposażenia polarnego. Zbadano skuteczność ochronną powłok 316L i 2205 platerowanych laserowo na stali FH690 w antarktycznym środowisku atmosferycznym.

Przygotowanie eksperymentalne
1.1 Przygotowanie powłoki i antarktyczne warunki ekspozycji
Materiałem podłoża wykorzystanym w tym eksperymencie była stal FH690 o wymiarach 100 mm × 25 mm × 10 mm. Powierzchnia została najpierw wypolerowana papierem ściernym o ziarnistości 1500 w celu uzyskania jednolitych zarysowań, a następnie oczyszczona ultradźwiękowo bezwodnym etanolem w celu usunięcia zanieczyszczeń powierzchniowych i oleju, a następnie wysuszona do późniejszego użycia. Jako materiały powłokowe wybrano proszki stopów stali nierdzewnej 316L i 2205 o wielkości cząstek od 48 do 74 μm, które przed napawaniem suszono w próżni w temperaturze 50°C przez 24 godziny.

Proszki stopowe zostały równomiernie naniesione na powierzchnię podłoża przy użyciu metody wstępnie ustawionego proszku, o grubości powłoki około 2 mm i płaskim wymiarze 50 mm × 25 mm. Do napawania użyto lasera półprzewodnikowego sprzężonego z włóknem (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, szybkość nakładania 25% i ochrona atmosfery argonowej. Po napawaniu powłoki zostały wypolerowane papierem ściernym o ziarnistości 1500, aby dopasować je do stanu podłoża, wywiercono otwory w określonych miejscach w celu montażu próbek, a początkowy stan próbek został sfotografowany i zważony.

Mocowanie próbek do ekspozycji atmosferycznej na Antarktydzie było zgodne ze standardem GB/T 14165-2008, a powierzchnia próbki była ustawiona pod kątem 45° do płaszczyzny poziomej, jak pokazano na rysunku 1. Próbki zostały umieszczone na stacji Zhongshan na Antarktydzie na okres 1 roku (od grudnia 2022 r. do grudnia 2023 r.). Po odzyskaniu 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 do czyszczenia ultradźwiękowego. Próbki zostały następnie przepłukane alkoholem, wysuszone, sfotografowane i zważone. Do przetworzenia próbek na mniejsze próbki o powierzchni 10 mm × 10 mm do późniejszych testów wykorzystano obróbkę elektroerozyjną.

1.2 Charakterystyka próbki i testy wydajności przed i po ekspozycji na Antarktydzie
Powłoki przed i po ekspozycji na antarktyczną atmosferę zostały scharakteryzowane pod kątem morfologii, składu i struktury fazowej za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM, ZEISS Gemini300), spektrometru dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS, Oxford INCA 80), dyfraktometru rentgenowskiego (XRD, Bruker D8 Advance) i konfokalnego laserowego mikroskopu skaningowego (CLSM, Keyence VK-X250).

Mikrotwardość zmierzono za pomocą mikrotwardościomierza Vickersa (Veiyee QHV-1000SPTA) w 20 losowo wybranych punktach na powierzchni powłoki, przy przyłożonym obciążeniu 200 g i czasie przebywania 15 s. Średnia z 20 pomiarów została przyjęta jako twardość powierzchni powłoki. Liniowe zachowanie tribologiczne powłok podczas poślizgu na sucho zostało ocenione przy użyciu wielofunkcyjnej maszyny do testowania tarcia i zużycia (Rtec MFT-5000) z przyłożoną siłą normalną 10 N, czasem zużycia 1800 s, odległością posuwisto-zwrotną 3 mm i kulką ceramiczną SiN (średnica 6,35 mm) jako przeciwpowierzchnią. Ślady zużycia analizowano za pomocą trójwymiarowego morfometru (Bruker Contour GT-K). Zachowanie korozyjne w temperaturze 10 ± 0,1°C oceniano przy użyciu elektrochemicznej stacji roboczej (Gamry Reference 3000) w roztworze NaCl o stężeniu 3,5 mas.% z układem trzech elektrod: drutu platynowego jako elektrody przeciwnej, elektrody Ag/AgCl jako elektrody odniesienia i powłoki jako elektrody roboczej, zamkniętej 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 przeprowadzono elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS) przy OCP z zakresem częstotliwości od 100 kHz do 10 mHz. Polaryzację potencjodynamiczną przeprowadzono z szybkością skanowania 1 mV-s-¹, rozpoczynając od potencjału początkowego -0,3 V względem OCP i kończąc, gdy gęstość prądu polaryzacji anodowej osiągnęła 1 mA-cm-², uzyskując krzywą polaryzacji Tafela. Każdy test trybologiczny i elektrochemiczny został powtórzony co najmniej trzy razy w celu zapewnienia dokładności.

2 Wyniki i dyskusja
2.1 Analiza morfologii i utraty masy
Morfologię mikroskopową powłok po przygotowaniu pokazano na rysunku 2. Obie powłoki osiągnęły zadowalające wiązanie metalurgiczne z podłożem, wykazując jednorodne i gęste struktury bez wad, takich jak pęknięcia, pory, wtrącenia lub brak fuzji na interfejsie. Analizę składu kluczowych pierwiastków w powłokach przedstawiono 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. Napawanie laserowe, osiągając metalurgiczne połączenie między powłoką a podłożem, wprowadza pewne rozcieńczenie, z pierwiastkami z podłoża migrującymi do powłoki, co skutkuje nieco niższą zawartością Cr i Ni w porównaniu do nominalnych składów dwóch stali nierdzewnych.

Rysunek 3 przedstawia makroskopową morfologię dwóch powłok ze stali nierdzewnej w 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 (rys. 3a, 3d) o doskonałych właściwościach powierzchniowych. Po 1 roku ekspozycji w stacji Zhongshan powłoki pozostały dobrze związane z podłożem bez pęknięć i rozwarstwień. Podłoże ze stali FH690 uległo korozji, reagując z tlenem, tworząc jednolitą, luźną warstwę tlenku, przechodzącą od metalicznego połysku do brązowawego odcienia (rysunki 3b, 3e). Głównymi produktami korozji stali FH690 w morskim środowisku atmosferycznym są α-FeOOH, β-FeOOH i Fe₃O₄. Umieszczone pod kątem 45° do ziemi, opady deszczu i śniegu na Antarktydzie spowodowały, że produkty korozji z podłoża FH690 spłynęły na powłoki, zmieniając niektóre obszary na szaro-brązowe. Po usunięciu rdzy szaro-brązowe produkty korozji na powierzchniach powłok zniknęły, a morfologia powierzchni powłok 316L i 2205 wykazywała minimalne odchylenia od stanu początkowego (rys. 3c, 3f), co wskazuje na skuteczną ochronę podłoża FH690.

Mikroskopijne cechy stali niskostopowej po korozji w antarktycznym środowisku atmosferycznym zostały zgłoszone, zazwyczaj tworząc blokowe, blaszkowate lub płatkowe produkty korozji, którym towarzyszą pęknięcia i wżery. Mikroskopijną morfologię dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku ekspozycji atmosferycznej na stacji Zhongshan pokazano na rysunku 4. Powierzchnia powłoki 316L wykazywała liczne wżery, z nieistotnymi różnicami w zawartości pierwiastków metalicznych wewnątrz i na zewnątrz wżerów, chociaż zawartość tlenu była wyższa na ścianach wżerów. Stal nierdzewna opiera się na łatwo pasywujących się pierwiastkach, takich jak Cr i Mo, tworząc gęstą warstwę tlenku odporną na korozję Cl-; wyższa zawartość tlenu wskazuje na gęstszą warstwę pasywacyjną, przy czym obszary o niższej zawartości warstwy pasywacyjnej są preferencyjnie skorodowane. Powierzchnia powłoki 2205 wykazywała selektywną charakterystykę korozyjną, 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.

Morfologię laserowej konfokalnej dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku ekspozycji atmosferycznej na stacji Zhongshan na Antarktydzie pokazano na rysunku 5. Powłoka 316L wykazywała liczne małe miejsca korozji wżerowej, z niektórymi małymi wżerami agregującymi i łączącymi się w większe wżery, z których najgłębszy osiągał 12,89 μm. W przeciwieństwie do tego, powłoka 2205 nie wykazywała cech korozji wżerowej, przede wszystkim ulegając niewielkiej selektywnej korozji, a jej mikroskopijna morfologia odzwierciedlała charakterystyczną dwufazową strukturę stali nierdzewnej duplex.

Analiza fazowa dwóch powłok ze stali nierdzewnej w stanie początkowym i po 1 roku ekspozycji atmosferycznej w 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. Pokryte laserowo powłoki 316L i 2205 wykazały stabilność fazową w antarktycznym środowisku atmosferycznym.

W oparciu o powyższe wyniki, produkty korozji zaobserwowane na próbkach pochodziły z podłoża, podczas gdy same powłoki nie wykazywały znaczących zmian. W celu zbadania szybkości korozji próbek i oceny skuteczności ochronnej powłok ze stali nierdzewnej zastosowano metodę ubytku masy. W badaniach korozyjnych narażenia atmosferycznego, ubytek masy korozyjnej i szybkość korozji materiałów metalicznych są obliczane przy użyciu następujących równań: gdzie ω oznacza ubytek masy korozyjnej na jednostkę powierzchni (g/m²), ν oznacza szybkość korozji (mm/a), m_t to masa próbki po usunięciu rdzy (g), m_0 to masa próbki przed narażeniem (g), S to powierzchnia próbki (cm²), ρ to gęstość stali niskostopowej (około 7,86 g/cm³), a t to czas ekspozycji (h).

Obliczoną utratę masy i średnią szybkość korozji stali FH690 pod ochroną dwóch powłok przedstawiono na rysunku 7. Pod powłoką 316L ubytek masy stali FH690 wyniósł 12,5 mg-cm-², przy średniej szybkości korozji 15,9 μm-a-¹; pod powłoką 2205 ubytek masy wyniósł 12,8 mg-cm-², przy średniej szybkości korozji 16,3 μm-a-¹. Obie powłoki wykazały znikomą korozję w antarktycznym środowisku atmosferycznym, zapewniając skuteczną ochronę stalowego podłoża FH690. Średnie szybkości korozji pod obiema powłokami były niemal identyczne, a cała utrata masy była przypisywana odsłoniętemu podłożu. W porównaniu do szybkości korozji niezabezpieczonej stali morskiej 690 MPa w atmosferze antarktycznej (18,7 μm-a-¹), osiągnięto znaczną redukcję.

2.2 Mikrotwardość
Rysunek 8 przedstawia 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 twardość odlewu 2205 wynosi około 300 HV₀.₂. Wyższą twardość powłok platerowanych laserowo można przypisać dwóm czynnikom: po pierwsze, szybkie chłodzenie podczas platerowania laserowego powoduje powstawanie dendrytycznych i drobnoziarnistych struktur ziarnistych, przyczyniając się do wzmocnienia rozdrobnienia ziarna; po drugie, metalurgiczne wiązanie między podłożem a powłoką umożliwia mieszanie elementów ze stali FH690 z powłokami ze stali nierdzewnej, zwiększając twardość. Potwierdzają to wyniki EDS (Tabela 1), które wskazują na rozcieńczenie Fe, zmniejszając zawartość innych pierwiastków. Po 1 roku ekspozycji atmosferycznej na stacji Zhongshan mikrotwardość powłok pozostała praktycznie niezmieniona, wykazując doskonałą zdolność adaptacji do warunków środowiskowych.

2.3 Zachowanie trybologiczne
Rysunek 9 przedstawia zachowanie trybologiczne dwóch powłok ze stali nierdzewnej przed i po wystawieniu na działanie atmosfery antarktycznej. W warunkach tarcia ślizgowego na sucho współczynnik tarcia (COF) ustabilizował się po około 300 s, osiągając stałą wartość około 0,7. Po 1 roku ekspozycji atmosferycznej na stacji Zhongshan, współczynnik COF powłoki 316L nieznacznie spadł w porównaniu do stanu początkowego, podczas gdy współczynnik COF powłoki 2205 pozostał niezmieniony. Utrata objętości zużycia obu powłok pozostała taka sama przed i po ekspozycji, przy czym powłoka 2205 wykazywała mniejszą objętość zużycia niż powłoka 316L. Profile śladów zużycia powłoki 2205 były płytsze niż w przypadku powłoki 316L, co wskazuje na wyższą odporność na zużycie. Powłoka 316L wykazywała wyraźne grzbiety na krawędziach śladów zużycia, wynikające z odkształcenia plastycznego pod naciskiem ślizgającej się kulki. Szybkość zużycia (μ) powłok obliczono za pomocą równania Archarda: gdzie V to zmierzona utrata objętości zużycia (mm³), N to normalne obciążenie (N), a d to całkowita odległość ślizgania (m).

Obliczone wyniki, pokazane na rysunku 9d, wskazują, że współczynniki 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 ekspozycji, wykazując stabilną odporność na zużycie.

Rysunek 10 przedstawia morfologię śladów zużycia dwóch powłok ze stali nierdzewnej po 1 roku ekspozycji w stacji Zhongshan, a wyniki skanowania punktowego EDS przedstawiono 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 obserwowaną dla powłoki 316L. Pod względem morfologicznym obie powłoki wykazywały rowki i warstwy transferowe w śladach zużycia, co wskazuje na występowanie zużycia ściernego i adhezyjnego. Powłoka 316L wykazywała większą częstość występowania warstw transferowych, przy czym zużycie adhezyjne było bardziej widoczne, podczas gdy powłoka 2205 wykazywała bardziej wyraźne rowki płużne, co sugeruje, że dominującym mechanizmem było zużycie ścierne. Warstwy transferowe wykazywały bardzo wysoką zawartość tlenu, co przypisuje się ciepłu tarcia podczas zużycia posuwisto-zwrotnego, sprzyjającemu utlenianiu elementów pasywujących, takich jak Cr i Mo.

2.4 Elektrochemiczne zachowanie korozyjne
Rysunek 11 przedstawia krzywe polaryzacji potencjodynamicznej dwóch powłok ze stali nierdzewnej, z parametrami korozji elektrochemicznej wymienionymi w Tabeli 3. Po 1 roku ekspozycji atmosferycznej w stacji Zhongshan, krzywa polaryzacji potencjodynamicznej powłoki 316L wykazała minimalną zmianę trendu, chociaż potencjał przebicia wżerów (E_b, początkowy 536,8 mV, po ekspozycji 503,7 mV) przesunął się nieco wcześniej, a gęstość prądu pasywnego (i_p) podwoiła się. Interwał pasywacji (ΔE) powłoki 2205 pozostał na poziomie około 1300 mV, ale i_p wzrosło z 2,455 μA-cm-² do 4,177 μA-cm-² po ekspozycji. Po ekspozycji odporność na korozję zarówno powłok 316L, jak i 2205 spadła w różnym stopniu, co przypisuje się defektom powierzchni wywołanym przez korozyjną atmosferę Antarktydy.

Rysunek 12 przedstawia wyniki elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) dla dwóch powłok ze stali nierdzewnej. Po 1 roku ekspozycji atmosferycznej, wykresy Nyquista (Rysunek 12a) dla powłok 316L i 2205 wykazały zmniejszone promienie łuku pojemnościowego, wskazując na spadek rezystancji przenoszenia ładunku i stabilność warstwy pasywacyjnej. Na wykresach Bode'a (rysunek 12b) moduł impedancji (|Z|) przy 0,1 Hz, który zazwyczaj odzwierciedla odporność polaryzacyjną materiału w roztworze, zmniejszył się po ekspozycji dla obu powłok, co oznacza zmniejszoną odporność na korozję. Dodatkowo, większy kąt fazowy i szerszy zakres w obszarze średniej częstotliwości wskazują na większą stabilność powłoki pasywacyjnej. Po ekspozycji kąt fazowy o średniej częstotliwości dla powłoki 316L zwęził się i zmniejszył, podczas gdy dla powłoki 2205 również się zmniejszył, odzwierciedlając spadek jakości powłoki pasywacyjnej. Biorąc pod uwagę obecność dwóch stałych czasowych w procesie korozji, do dopasowania danych zastosowano model dwuwarstwowy (wstawka na rysunku 12a), jak pokazano w tabeli 4. Impedancja porowatej warstwy zewnętrznej (R_p) była znacznie niższa niż impedancja warstwy wewnętrznej (R_c), co wskazuje, że odporność powłok na reakcję elektrodową była głównie regulowana przez etap przenoszenia ładunku. Po ekspozycji, R_c obu powłok zmniejszyła się. Pomimo nieznacznego obniżenia odporności na korozję po ekspozycji na warunki atmosferyczne Antarktydy, powłoki pokryte laserem utrzymały stabilny stan pasywacji i niską szybkość korozji, nadal zapewniając skuteczną ochronę niskotemperaturowej stali morskiej.

3 Wnioski

W niniejszym artykule przygotowano powłoki z austenitycznej stali nierdzewnej 316L i stali nierdzewnej duplex 2205 na niskotemperaturowym podłożu ze stali morskiej FH690 za pomocą technologii napawania laserowego. Powłoki były wystawione na działanie atmosfery przez 1 rok na stacji Zhongshan na Antarktydzie. Przeanalizowano efekt ochronny, mikrostrukturę, twardość, tarcie i zużycie oraz elektrochemiczne zachowanie korozyjne obu powłok. Wyniki są następujące:

(1) Na powierzchni powłoki 316L wystąpiły niewielkie wżery, a na powierzchni powłoki 2205 wystąpiła niewielka selektywna korozja. Obie powłoki ze stali nierdzewnej mogą utrzymać stabilną strukturę fazową, która odgrywa dobrą rolę ochronną na stalowym podłożu 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 współczynniki zużycia powłok 316L i 2205 utrzymywały się odpowiednio na poziomie około 8,35 i 7,85×10-6 mm3-N-1-m-1; powłoka 316L była głównie narażona na zużycie adhezyjne, podczas gdy powłoka 2205 była głównie narażona na zużycie ścierne. Obie powłoki były w stanie utrzymać stabilną odporność mechaniczną i odporność na zużycie przed i po ekspozycji antarktycznej.

(3) Niewielka ilość defektów korozyjnych została wygenerowana na powierzchni obu powłok, co spowodowało wzrost gęstości prądu pasywnego, wczesny potencjał przebicia powłoki 316L i spadek impedancji warstwy pasywacyjnej obu powłok, ale nadal były one w stanie utrzymać dobry efekt pasywacji i niską szybkość korozji.