Numerical and Experimental Investigation of Galvanic Corrosion in Coupled AA7025 and SS304L for Marine Applications
Cette étude combine la modélisation analytique, les simulations COMSOL et des tests expérimentaux pour démontrer que le couplage de l'aluminium AA7025 avec des fixations en SS304L accélère considérablement la corrosion en milieu marin, tout en identifiant une anode sacrificielle Al-5Zn comme une stratégie d'atténuation efficace.
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Dans le monde de la construction navale et du génie maritime, la volonté de rendre les navires plus légers et plus économes en carburant a conduit les concepteurs à se tourner vers les alliages d'aluminium. Ces métaux offrent une résistance qui rivalise avec celle de l'acier, mais pèsent nettement moins, ce qui les rend idéaux pour réduire la lourde charge de la coque d'un navire. Cependant, l'aluminium présente une faiblesse : il est chimiquement actif et sujet à la rouille lorsqu'il est exposé aux conditions salines et rudes de l'océan. Pour construire un navire fonctionnel, les ingénieurs doivent assembler ces panneaux d'aluminium à d'autres composants, souvent en utilisant des boulons et des fixations en acier inoxydable, choisi pour sa propre résistance à la corrosion. Lorsque deux métaux différents se touchent dans un liquide conducteur comme l'eau de mer, ils créent une batterie électrique cachée. Le métal le moins résistant, dans ce cas l'aluminium, devient le partenaire sacrificiel, se corrodant beaucoup plus rapidement qu'il ne le ferait seul pour protéger l'acier inoxydable plus résistant. Comprendre exactement à quelle vitesse cela se produit, et à quoi ressemble le métal lorsqu'il se désagrège, est crucial pour garantir que les navires ne souffrent pas de défaillances structurelles prématurées.
Une équipe de chercheurs de l'Université de la Défense Éthiopienne s'est donné pour mission de mesurer ce danger spécifique en étudiant un couplage courant : l'alliage d'aluminium AA7025, souvent utilisé pour des applications à haute résistance, associé à des fixations en acier inoxydable 304L. Ils voulaient observer comment cette combinaison se comportait dans trois environnements distincts qui imitent les conditions réelles : l'eau du robinet ordinaire, une solution saline conçue pour simuler l'océan, et une solution acide forte représentant les effets corrosifs des pluies acides. Pour obtenir une image complète, ils ne se sont pas contentés d'une seule méthode. Au lieu de cela, ils ont immergé des échantillons physiques de métal pendant trente jours, les ont pesés pour voir quelle quantité de matière avait été perdue, et ont examiné leurs surfaces sous des microscopes puissants pour observer les dommages physiques. Ils ont également construit un modèle numérique détaillé de l'installation à l'aide de logiciels spécialisés pour simuler les courants électriques invisibles circulant entre les métaux, leur permettant ainsi de prédire les taux de corrosion avec une grande précision.
Les résultats ont révélé que la présence de la fixation en acier inoxydable accélérait considérablement la décomposition de l'aluminium. Dans l'eau du robinet, l'aluminium s'est corrodé près de cinq fois plus vite lorsqu'il était couplé à l'acier que lorsqu'il se trouvait seul. Dans l'eau salée, le taux a augmenté de plus de trois fois, et dans l'environnement acide, la vitesse de corrosion a bondi de plus de quatre fois. Les dommages les plus graves se sont produits dans l'acide, où l'aluminium a perdu plus de dix pour cent de sa dureté de surface et s'est dissous sur une profondeur de plus de cent micromètres en seulement un mois. Lorsque les chercheurs ont examiné de près les surfaces endommagées, ils ont constaté que le type de corrosion dépendait entièrement du liquide. Dans l'eau du robinet, une couche de tartre de carbonate de calcium s'est formée à la surface. Dans l'eau salée, le métal a subi des piqûres profondes et localisées qui ont débuté à partir de minuscules particules au sein du métal. Dans l'acide, le métal a subi une dissolution générale et étendue qui a érodé la surface de manière uniforme.
Pour remédier à cette détérioration rapide, les chercheurs ont tourné leurs modèles numériques vers le problème de la protection. Ils ont simulé l'ajout d'un troisième métal, une anode sacrificielle, conçue pour se corroder à la place de la structure en aluminium. Ils ont testé trois types d'anodes différents dans leur simulation pour voir lequel offrirait la meilleure défense. La simulation a montré qu'un alliage composé d'aluminium et de cinq pour cent de zinc était le protecteur le plus efficace. Cette anode spécifique générait un courant protecteur puissant et déplaçait le potentiel électrique de l'aluminium à un niveau où la corrosion ne pouvait pas facilement se produire. L'étude a conclu que, bien que la combinaison de l'aluminium et de l'acier inoxydable soit risquée dans les environnements marins, les dommages peuvent être prédits avec une grande précision et gérés efficacement par l'utilisation de la bonne anode sacrificielle, offrant ainsi une voie claire pour prolonger la durée de vie de ces structures marines critiques.
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