激光处理显示出减少车辆工业化学处理的潜力

对于用于车辆和飞机的材料而言，持久的防腐蚀保护对于确保极端操作条件下的结构完整性至关重要。工业环境中广泛使用两种化学预处理工艺，以准备涂层附着力和保护铝合金表面免受腐蚀。虽然受到严格监管，但这两个过程都使用大量具有已知环境和健康风险的有害化合物。

能源部橡树岭国家实验室的一个多学科科学家团队应用了一种激光干涉结构(LIS)技术，在消除对这些危险化学品的需求方面取得了重大进展。LIS 方法的新应用响应了国防部对探索军用车辆和飞机系统腐蚀保护的非化学替代品的研究项目的呼吁。

铬酸盐转化涂层或 CCC 使用六价铬(一种已知的致癌物质)来抑制腐蚀。硫酸阳极氧化 (SAA) 使用硫酸，硫酸会严重刺激皮肤和眼睛，吸入后会导致永久性肺损伤。每年有数百万加仑用过的化学溶液作为危险废物进行处理。

军方拥有超过 12,000 架飞机、10,000 辆坦克、数百艘舰艇以及多种其他车辆和武器系统。国防部拥有并运营数百个制造和维修这些车辆和设备的工业设施，每年在腐蚀防护方面的支出超过 200 亿美元。该机构的战略环境研究与发展计划 (SERDP) 与能源部和环境保护局一起计划和执行，“专注于开发替代技术，以消除环境问题的材料和工艺，”该计划的 Robin Nissan 说SERDP 及其姊妹项目环境安全技术认证项目的经理。

“我们的防御系统需要维修和翻新，”他说。“我们的计划正在投资于替代流程的开发，以确保稳健的性能、可持续的实践并消除环境风险。”

在连续的三篇出版物中，ORNL 材料科学家 Adrian Sabau 和一个化学家和制造科学家团队描述、展示和分析了 LIS 技术，并将其性能与传统的溶剂密集型方法进行了比较。该研究的合著者包括 ORNL 的 Jiheon Jun、Mike Stephens、Dana McClurg、Harry Meyer III、Donovan Leonard 和 Jan Chen。

Sabau 专门从事金属铸造和凝固等材料加工，他的团队最近完成了一个使用 LIS 进行汽车应用粘合的项目。当他读到国防部关于非溶剂表面制备研究的呼吁时，Sabau 意识到类似的技术也可以有效地提高涂层附着力。

在他们的实验中，他们通过将脉冲纳秒激光的主光束分成两束并将它们聚焦在试样表面的同一点上来处理铝合金板。该过程使具有周期性结构的表面变得粗糙，改变了表面化学和亚表面微观结构。

“在激光加工中，你会在顶部表面产生大量能量，我们需要了解基材发生了什么。它是否损坏?它是否开裂?是否有任何不利于腐蚀保护的微观结构影响?” 沙宝说。

物理化学家迈耶和显微镜学家伦纳德为光学和激光技术中概述的表征工作做出了贡献。Meyer 使用 X 射线光电子能谱或 XPS 进行了表面化学分析。

“XPS 是一种材料表征技术，它可以确定固体材料表面(顶部 5 到 8 纳米)上的元素，”迈耶说。“在激光加工之前，XPS 用于确定收到的铝合金板的化学成分，其中显示出大量的碳。再次使用 XPS 确定激光加工是否清洁了表面。结果显示显着减少碳是我们的主要发现之一。XPS 以及电子显微镜结果帮助我们了解了原始氧化物是如何通过激光加工改变的。”

Sabau 补充说：“在查看地下特征时，我们发现了一个偶然遇到的有益方面。在顶层，我们看到了富铜沉淀物的溶解，腐蚀会在那里开始。”

清洁铝合金板后，表面能通常会阻止涂层正确粘附，这是工业表面涂层中的一个已知问题。该团队为International Journal of Adhesion and Adhesives发表的下一份出版物着眼于涂层附着力，发现 LIS 方法提供了附着力以及行业标准和溶剂密集型 CCC 和 SAA 技术。基于此 LIS 技术，涂层附着力专利于 2021 年获得。

对于粘附研究，McClurg 对材料进行了轮廓测量，这是一种绘制表面轮廓并提供粗糙度测量的技术。

第三篇论文发表在《腐蚀：科学与工程杂志》上，概述了 Sabau 的团队使用军方用于飞机机翼和机身的环氧底漆进行的最终测试。

技术人员 Mike Stephens 完成了这项精细且时间敏感的任务，即在经过不同处理的合金板上喷涂底漆和面漆，以符合国防部的严格规格。然后，他将样品暴露于 2,000 小时的盐雾中，以检查多个时期的耐腐蚀性。Jun 领导了腐蚀测试，研究了 LIS 制备的表面与传统制备的合金基材相比如何，无论是否有底漆和面漆。

“经过激光干涉处理的基材表现出更高的耐腐蚀性，”Jun 说，他将这一结果归因于富铜沉淀物的溶解。然而，在涂有底漆或底漆和面漆的样品上，LIS 的性能不如化学溶剂技术，一些样品在盐雾暴露 96 小时内出现气泡。然而，这些水泡很小并且在数百小时的暴露中保持稳定。

该团队测试了第二组样品，在涂底漆之前简单地用丙酮擦拭，导致腐蚀很小，并且气泡的形成延迟了数百小时。

君说，进一步调查优化 LIS 是值得的。

“我们的研究方法，结合实验室规模的电化学测量和工业采用的 ASTM [材料测试协会]盐雾测试，非常成功，有助于深入了解激光干涉处理的影响，”他说。

“对于在没有溶剂的环境温度下进行的过程，大多数样品都表现得非常好，”Sabau 说。“这项技术是朝着非化学密集型涂层表面制备的正确方向迈出的一大步。”