Ανάπτυξη κεραμικών επικαλύψεων πυριτίας-δημητρίας σε κράμα αλουμινίου

Abstract

Στην παρούσα εργασία διερευνήθηκε η ανάπτυξη κεραμικών επικαλύψεων πυριτίας-δημητρίας που πραγματοποιήθηκαν με την μέθοδο sol-gel με στόχο την αντιδιαβρωτική προστασία του κράματος αλουμινίου ΑΑ 2024-Τ3. Το συγκεκριμένο κράμα αλουμινίου παρουσιάζει εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιείται σε προηγμένες εφαρμογές στην αεροναυπηγική και στην αυτοκινητοβιομηχανία. Για την αντιδιαβρωτική προστασία του κράματος οι μέχρι τώρα επικαλύψεις που χρησιμοποιούνται βασίζονται στην παρουσία του εξασθενούς χρωμίου. Λόγω της ισχυρά καρκινογόνου δράσης του, σήμερα κρίνεται επιβεβλημένη η αντικατάστασή του στα συστήματα αντιδιαβρωτικής προστασίας. Οι επικαλύψεις αναπτύχθηκαν ως μια προστατευτική πρώτη επίστρωση στο σύστημα της αντιδιαβρωτικής προστασίας. Οι επικαλύψεις αυτές αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνική η οποία καταφέρνει να συνδυάσει ικανοποιητικές αποδόσεις με μια φιλικότερη στο περιβάλλον συμπεριφορά. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η εισαγωγή του δημητρίου (Ce), ως ανόργανος αναστολέας διάβρωσης και ταυτόχρονα η εισαγωγή οργανικών αναστολέων διάβρωσης. Η ανάπτυξη των επικαλύψεων προέκυψε βάση της τεχνικής κατά την οποία, οργανοπυριτικά νανοσωματίδια με περιφερειακές έποξυ ομάδες δημιουργούνται με τη sol-gel μέθοδο μέσω της υδρόλυσης και συμπύκνωσης των σιλανίων, οι οποίες στη συνέχεια αυτό-διευθετούνται κατά την εφαρμογή της επικάλυψης στο υπόστρωμα. Οι επικαλύψεις σχηματίζουν ένα εκτενές δίκτυο σιλανίων διασυνδεδεμένων με ένα υπερδιακλαδιζόμενο πολυμερές στο οποίο είναι δυνατόν να προσληφθούν επιπλέον ανόργανοι ή οργανικοί αναστολείς διάβρωσης. Αρχικά, μελετήθηκε η προσθήκη του δημητρίου ως ανόργανος αναστολέας με στόχο τη βελτίωση των αντιδιαβρωτικών ιδιοτήτων των επικαλύψεων. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν συνθέσεις οι οποίες συνδύαζαν την παρουσία οργανικών κι ανόργανων αναστολέων και ταυτόχρονα μελετήθηκε η τελική ποιότητα της επικάλυψης. Με τη χρήση ποτενσιοδυναμικής διάβρωσης ελέγχθηκε η αντιδιαβρωτική προστασία των επικαλύψεων που αναπτύχθηκαν με μια σειρά δοκιμών σε διαβρωτικό περιβάλλον που προσομοιάζει τις συνθήκες των αεροναυπηγικών εφαρμογών τους. Παράλληλα, με τη χρήση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης μελετήθηκε η μορφολογία των επικαλύψεων.

The thesis presented investigates the development of silica-ceria ceramic coating based on the sol-gel process aiming at the corrosion protection of the aluminum alloy AA 2024-T3. This alloy has excellent mechanical properties and is used in advanced applications of the aerospace and automotive industry. To date, corrosion protection for aluminium alloys has relied on hexavalent chromium. Because of its strong carcinogenic properties, replacement of the corrosion protection systems is nowadays imperative. The coatings were developed as a protective coating on the primer corrosion prevention system. These coatings are a promising technique that manages to combine good performance with environmental-friendly properties. The study performed under the thesis examined both the introduction of cerium (Ce), as an inorganic corrosion inhibitor, and organic corrosion inhibitors. The development of coatings is based on a technique in which, functionalised silica nanoparticles with epoxy regional groups are formed by the sol-gel process through hydrolysis and condensation of silanes, and then self-assembled in applying the coating to the substrate. The coatings form an extensive silane cross-linked network by an hyperbranched polymer in which additional inorganic or organic corrosion inhibitors may be incorporated. The addition of cerium as inorganic inhibitor in order to improve the anticorrosive properties of the coatings was studied first. Moreover, compositions that combine organic and inorganic inhibitors were developed and the final quality of the coating was also studied. The corrosion resistance of the developed coatings was tested using potentiodynamic corrosion with a series of tests in a corrosive environment that simulate the conditions of aeronautical applications. Furthermore, the morphology of the coatings was studied, using scanning electron microscopy.