Специалисты разработали инновационный метод антикоррозийной защиты для авиационной стали ВНС-5. Примененная технология повышает стойкость стали к коррозии, не оказывая негативного влияния на ее прочностные характеристики. Результаты опубликованы в журнале Journal of Manufacturing and Materials Processing.
Недостаточная устойчивость к коррозии авиационной стали ВНС-5 в морской среде стимулировала поиск инновационных методов ее модификации. В ходе испытаний, проведенных в естественных условиях во Вьетнаме, образцы из этой стали демонстрировали значительное разрушение вследствие коррозии, вызванной естественным биообрастанием (грибками, мхом и другими микроорганизмами). Поскольку из ВНС-5 изготавливают болты и анкеры для морских судов, повышение ее коррозионной стойкости представляет собой актуальную проблему.
Сотрудники научно-исследовательских институтов в Долгопрудном и Томске впервые использовали метод высокодозовой ионной имплантации, применяя пучки ионов хрома и аргона, для поверхностного легирования авиационной стали ВНС-5. Данная сталь является дорогостоящей, поэтому используется исключительно для изготовления наиболее критически важных элементов морских судов. Ее прочность и коррозионная стойкость должны соответствовать высоким стандартам. Разработанная технология позволяет модифицировать поверхностные слои, толщина которых достигает 100 нм, что способствует повышению коррозионной стойкости материала без ущерба для его прочности.
«Использование пучков ионов хрома и аргона позволяет добиться рекордных показателей долговечной коррозионной стойкости при ионной имплантации. Достигнутый результат вызывает восхищение. Ранее в нашей лаборатории проводилось многолетнее исследование промышленных сталей и сплавов, однако полученные результаты либо не отличались продолжительностью, либо были незначительными» , — поделился Виктор Семин, старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
Для повышения коррозионной стойкости аустенитно-мартенситной стали физики провели сравнение двух методов: химической пассивации и ионной имплантации. В процессе химической пассивации образец помещается в специальный раствор на протяжении 140 часов, чтобы на его поверхности образовались соединения хрома. Ионная имплантация включает в себя обработку материала потоком ионов хрома и аргона, которые генерируются новым типом ионного источника, основанным на импульсном магнетронном разряде.
Электрохимические характеристики и коррозионная устойчивость сталей, подвергшихся обработке, были исследованы учеными в условиях морской среды. Ионная имплантация уменьшает коррозионный ток в 7,8 раза, тогда как химическая пассивация демонстрирует лишь минимальное снижение. Коррозионный ток указывает на скорость окисления и, следовательно, разрушения материала под воздействием внешних факторов.
«Чтобы убедиться в долговечности предлагаемого метода обработки поверхности, необходимо провести практические испытания. Для этого в лабораторных условиях создаются факторы, ускоряющие коррозию, и измеряются коррозионные токи. Низкие значения этих токов свидетельствуют о высокой коррозионной стойкости» , — объяснил Виктор Семин.
Химическая пассивация приводит к образованию гидроксидов хрома на поверхности, что увеличивает электропроводность поверхностного слоя. Ионная имплантация создает на поверхности образца слой, обогащенный оксидом хрома, улучшая устойчивость материала к коррозии. Общая «барьерная» функция, ограничивающая распространение коррозии вглубь материала, зависит от толщины оксидного слоя.
Ионная имплантация обеспечивает легирование поверхностных слоев материала хромом, что способствует формированию оксидной пленки, состоящей из соединений хрома. Анализ методом спектроскопии показал, что основную защитную функцию выполняет оксидная пленка на основе оксидов хрома, в то время как содержание оксидов железа незначительно. Благодаря этому повышаются коррозионные характеристики материала, так как коррозионное воздействие практически не затрагивает оксиды железа, составляющие «слабые» участки оксидной пленки.
Основной плюс ионной имплантации заключается в отсутствии чёткой границы между модифицированным слоем и основанием. Этот слой обладает такой же долговечностью, что и сама деталь. Обычно все покрытия подвержены проблемам с адгезией к подложке, что может вызвать отслаивание защитного слоя при воздействии внешних факторов. Однако, в случае образцов, подвергнутых ионной имплантации, данной проблемы не возникает.
«По итогам проделанной работы планируется подать в РНФ проект под названием «Разработка комплекса электрохимических и ионно-пучковых методов модификации поверхности аустенитно-мартенситных сталей марок ВНС5 и ВНС74 с целью повышения их механических характеристик и долговечности при эксплуатации в морских условиях, а также расширения области исследований”», — поделился Виктор Семин.
Для выполнения работы были привлечены специалисты из Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, Института сильноточной электроники СО РАН и Томского государственного университета.
Semin V., Cherkasov A., Savkin K., Shandrikov M. и Khabibova E. Оценка коррозионной стойкости аустенитно-мартенситной стали, подвергнутой химической пассивации и обработке ионным пучком, в морской среде. J. Manuf. Mater. Process. 2025, 9, 167. https://doi.org/10.3390/jmmp9050167
Информация предоставлена Центром научной коммуникации Московского физико-технического института