A Synergistic Enhancement on Corrosion and Tribocorrosion Resistance Properties of the Multilayered Mo2N/AlCrN Coatings in Artificial Seawater

Das Problem des rostigen Ozeans und die Super-Haut-Lösung

Stellen Sie sich den Ozean als eine riesige, salzige, wütende Badewanne vor, die niemals aufhört zu schrubben. Für die Metallteile von Schiffen, U-Booten und Unterwasserrobotern ist diese Umgebung ein Albtraum. Es ist nicht nur so, dass das Salzwasser das Metall zerfrisst (Korrosion); es ist auch so, dass das Metall ständig an Dingen wie Propellern und Zahnrädern reibt (Verschleiß). Wenn man Reibung und Rost kombiniert, erhält man ein doppeltes Problem namens „Tribokorrosion“. Es ist, als würde man versuchen, ein Stück Eisen mit Sandpapier zu bearbeiten, während es in Essig eingeweicht ist; das Metall versagt viel schneller, als es bei nur einem dieser Probleme allein der Fall wäre.

Um dem entgegenzuwirken, nutzen Wissenschaftler einen Trick namens „Beschichtung“. Stellen Sie sich das wie das Verpassen einer hochtechnologischen, unsichtbaren Rüstung an ein Schiff vor. Sie sprühen eine superdünne Schicht spezieller Materialien auf die Metalloberfläche, um als Schild zu dienen. Das Ziel ist es, eine Beschichtung zu finden, die hart genug ist, um Kratzer zu verhindern, zäh genug, um nicht zu reißen, und rutschig genug, um Reibung zu vermeiden, während sie gleichzeitig dem korrosiven Biss des Ozeans widersteht. Diese Arbeit untersucht eine spezifische Art von Rüstung aus Schichten von Stickstoff und Metallen wie Molybdän, Aluminium und Chrom und testet, ob sie in der rauen, salzigen Tiefe überleben kann.

Die Geschichte des geschichteten Schildes

In dieser Studie beschlossen Forscher der Hainan Tropical Ocean University und der Lingnan Normal University, eine neue Art von Super-Beschichtung für 304-Edelstahl zu entwickeln, ein häufig verwendetes Metall für maritime Bauteile. Sie verwendeten eine hochmoderne Methode namens „Lichtbogen-Ionen-Plattieren“, was wie eine elektrisch aufgeladene Sprühfarbe funktioniert, die Metallatome mithilfe von Elektrizität auf die Oberfläche schleudert und sie zu einem harten Film verschmilzt. Sie erstellten drei verschiedene Arten von Beschichtungen, um zu sehen, welche der Champion ist:

1. MoxN: Eine Beschichtung, die hauptsächlich aus Molybdän und Stickstoff besteht.
2. AlCrN: Eine Beschichtung aus Aluminium, Chrom und Stickstoff.
3. Mo2N/AlCrN: Ein „mehrlagiges“ Sandwich, das zwischen der Molybdän-Schicht und der Aluminium-Chrom-Schicht abwechselt.

Sie testeten diese Beschichtungen in künstlichem Meerwasser, um zu sehen, wie sie sich gegen Rost und Reibung behaupten.

Die Mikro-Magie: Das Brechen der Säulen
Als die Wissenschaftler die Beschichtungen unter einem Mikroskop betrachteten, fanden sie etwas Interessantes heraus. Die einlagigen Beschichtungen (MoxN und AlCrN) wuchsen in hohen, säulenartigen Strukturen, vergleichbar mit einem Wald aus dünnen Baumstämmen, die nebeneinander stehen. Das Problem mit diesen „Bäumen“ ist, dass sie winzige Lücken zwischen ihnen hinterlassen, durch die salziges Wasser schlüpfen und das darunterliegende Metall angreifen kann.

Die mehrlagige Mo2N/AlCrN-Beschichtung war jedoch anders. Da sie beim Sprühen ständig zwischen den beiden Materialien wechselten, wurden die „Baumstämme“ abgeschnitten und gezwungen, seitlich zu wachsen. Dies erzeugte eine viel dichtere, ziegelwandähnliche Struktur ohne einfache Wege, durch die das Wasser eindringen könnte. In dieser dichten Wand vermischten sich die Atome zu einer festen Lösung, die die Forscher mit einem superzähen, gemischten Material verglichen, das sowohl hart als auch flexibel ist.

Der Härtetest: Härte und Flexibilität
Das Team maß, wie hart die Beschichtungen waren und wie gut sie zurückfedern konnten, ohne zu reißen. Die mehrlagige Mo2N/AlCrN-Beschichtung war der Star der Show. Sie erreichte eine Härte von über 32 GPa (Gigapascal) und hatte ein spezielles Verhältnis namens H³/E² von 0,204. Auf einfachem Deutsch bedeutet dies, dass sie unglaublich hart war, aber auch eine exzellente „Zähigkeit“ besaß, was heißt, dass sie Energie absorbieren konnte, ohne zu zersplittern. Die einlagigen Beschichtungen waren hart, aber sie waren spröder und gingen nicht so gut mit der Belastung um.

Die Reibungs- und Rost-Herausforderung
Als Nächstes brachten sie die Beschichtungen in einer Maschine unter Test, die sie mit einer harten Keramikkugel rieb, während sie in künstlichem Meerwasser lagen.

• Trockene Reibung: Beim Reiben ohne Wasser waren die Molybdän-haltigen Beschichtungen (MoxN und die mehrlagige) am glattesten. Sie hatten einen durchschnittlichen Reibungskoeffizienten von jeweils 0,403 und 0,460, was deutlich niedriger ist als beim blanken Stahl (0,625) oder der Aluminium-Chrom-Beschichtung (0,517). Die Arbeit legt nahe, dass dies daran liegt, dass Molybdän während des Reibens eine selbstschmierende Oxidschicht bildet, die wie ein natürliches Öl wirkt.
• Korrosion: Bei der Betrachtung der Geschwindigkeit, mit der das Metall rostete, war die mehrlagige Beschichtung der klare Gewinner. Ihre Korrosionsstromdichte betrug 1,88 × 10⁻⁸ A·cm⁻². Diese Zahl ist winzig – etwa 100 Mal kleiner (zwei Größenordnungen niedriger) als die der einlagigen Beschichtungen und des blanken Stahls. Das bedeutet, dass die mehrlagige Beschichtung unglaublich langsam rostete. Die einlagige MoxN-Beschichtung schnitt tatsächlich ähnlich schlecht ab wie der blanke Stahl, was darauf hindeutet, dass die Molybdän-Beschichtung ohne die Mehrlagenstruktur zu viele Lücken hatte, durch die das Salz eindringen konnte.

Das „Tribokorrosions“-Duell
Der spannendste Teil war der „Tribokorrosions“-Test, bei dem die Beschichtung gerieben wurde, während sie gleichzeitig vom Meerwasser angegriffen wurde. Dies ist das Worst-Case-Szenario für maritime Bauteile.

• Der Spannungsabfall: Als das Reiben begann, sank das elektrische Potenzial (ein Maß dafür, wie „aktiv“ oder bereit zum Rosten das Metall ist) bei allen Proben. Das Potenzial des blanken Stahls stürzte von -325 mV auf -800 mV ab, was zeigt, dass er zerstört wurde. Die mehrlagige Beschichtung sank am wenigsten (nur 275 mV), was bedeutet, dass sie am stabilsten blieb.
• Die Erholung: Nachdem das Reiben aufgehört hatte, versuchten die Beschichtungen, sich selbst zu heilen, indem sie eine neue Schutzschicht bildeten. Die mehrlagige Mo2N/AlCrN-Beschichtung stellte ihren schützenden Zustand schneller wieder her als die anderen.

Das Urteil

Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass die mehrlagige Mo2N/AlCrN-Beschichtung die beste Lösung zum Schutz von Metall im Ozean ist. Sie funktioniert durch einen „synergetischen“ Effekt, was bedeutet, dass das Ganze größer ist als die Summe seiner Teile. Die abwechselnden Schichten verhindern, dass das Salzwasser durch Risse schlüpft, die vermischten Atome machen die Beschichtung superzäh, und das Molybdän sorgt für eine gleitfähige, selbstheilende Oberfläche, die die Reibung reduziert.

Während die einlagige Molybdän-Beschichtung gut darin war, die Reibung zu verringern, versagte sie allein beim Schutz vor Korrosion. Die einlagige Aluminium-Chrom-Beschichtung war gut darin, Korrosion zu stoppen, war aber etwas rauer und weniger zäh. Erst durch das Stapeln dieser Schichten in einem mehrlagigen Sandwich erreichten die Forscher eine Beschichtung, die hart, zäh, gleitfähig und hochresistent gegen die Doppelbedrohung durch Rost und Verschleiß ist. Dies deutet darauf hin, dass für zukünftige Schiffe und Unterwassermaschinen genau diese geschichtete Rüstung der Schlüssel zu einer wesentlich längeren Lebensdauer in der salzigen Tiefe sein könnte.