Numerical and Experimental Investigation of Galvanic Corrosion in Coupled AA7025 and SS304L for Marine Applications
Questo studio combina la modellazione analitica, le simulazioni COMSOL e i test sperimentali per dimostrare che l'accoppiamento dell'alluminio AA7025 con fissaggi in SS304L accelera significativamente la corrosione in ambienti marini, identificando al contempo un anodo sacrificale Al-5Zn come una strategia di mitigazione efficace.
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Nel mondo della cantieristica e dell'ingegneria navale, la spinta a rendere le imbarcazioni più leggere ed efficienti dal punto di vista dei consumi ha portato i progettisti a rivolgersi alle leghe di alluminio. Questi metalli offrono una resistenza che rivaleggia con quella dell'acciaio, ma pesano significativamente meno, rendendoli ideali per ridurre l'onere pesante dello scafo di una nave. Tuttavia, l'alluminio ha un punto debole: è chimicamente attivo ed è incline alla corrosione quando esposto alle dure condizioni salmastre dell'oceano. Per costruire una nave funzionale, gli ingegneri devono unire questi pannelli di alluminio ad altri componenti, spesso utilizzando bulloni e fissaggi in acciaio inossidabile, scelto per la sua resistenza alla corrosione. Quando due metalli diversi si toccano in un liquido conduttivo come l'acqua di mare, creano una batteria elettrica nascosta. Il metallo meno resistente, in questo caso l'alluminio, diventa il partner sacrificale, corrodendosi molto più velocemente di quanto farebbe da solo per proteggere l'acciaio inossidabile più resistente. Capire esattamente quanto velocemente ciò accada, e quale aspetto abbia il metallo mentre si disintegra, è fondamentale per garantire che le navi non soffrano di cedimenti strutturali prematuri.
Un team di ricercatori dell'Università della Difesa Etiope si è posto l'obiettivo di misurare questo pericolo specifico studiando un accoppiamento comune: la lega di alluminio AA7025, spesso utilizzata in applicazioni ad alta resistenza, accoppiata con fissaggi in acciaio inossidabile 304L. Volevano vedere come questa combinazione si comportasse in tre ambienti distinti che simulano le condizioni reali: acqua comune di rubinetto, una soluzione salina progettata per simulare l'oceano e una forte soluzione acida che rappresenta gli effetti corrosivi della pioggia acida. Per ottenere un quadro completo, non si sono affidati a un solo metodo. Invece, hanno immerso campioni fisici del metallo per trenta giorni, pesandoli per vedere quanto materiale fosse stato perso, ed hanno esaminato le loro superfici sotto potenti microscopi per osservare il danno fisico. Hanno anche costruito un modello digitale dettagliato della configurazione utilizzando software specializzati per simulare le correnti elettriche invisibili che fluiscono tra i metalli, permettendo loro di prevedere i tassi di corrosione con alta precisione.
I risultati hanno rivelato che la presenza del fissaggio in acciaio inossidabile ha accelerato drasticamente il decadimento dell'alluminio. Nell'acqua di rubinetto, l'alluminio si è corroso quasi cinque volte più velocemente quando accoppiato con l'acciaio rispetto a quando era isolato. Nella soluzione salina, il tasso è aumentato di oltre tre volte e, nell'ambiente acido, la velocità di corrosione è balzata di oltre quattro volte. Il danno più grave si è verificato nell'acido, dove l'alluminio ha perso più del dieci per cento della sua durezza superficiale e si è dissolto fino a una profondità di oltre cento micrometri in un solo mese. Quando i ricercatori hanno osservato da vicino le superfici danneggiate, hanno visto che il tipo di corrosione dipendeva interamente dal liquido. Nell'acqua di rubinetto, si è formata sulla superficie uno strato di scaglia di carbonato di calcio. Nella soluzione salina, il metallo ha subito una corrosione localizzata profonda, che partiva da minuscole particelle all'interno del metallo. Nell'acido, il metallo ha subito una dissoluzione generale diffusa che ha eroso la superficie in modo uniforme.
Per affrontare questo rapido deterioramento, i ricercatori hanno rivolto i loro modelli digitali al problema della protezione. Hanno simulato l'aggiunta di un terzo metallo, un anodo sacrificale, progettato per corrodersi al posto della struttura in alluminio. Hanno testato tre diversi tipi di anodi nella loro simulazione per vedere quale offrisse la migliore difesa. La simulazione ha mostrato che una lega composta da alluminio e cinque percento di zinco era il protettore più efficace. Questo anodo specifico generava una forte corrente protettiva e spostava il potenziale elettrico dell'alluminio a un livello in cui la corrosione non poteva facilmente verificarsi. Lo studio ha concluso che, sebbene la combinazione di alluminio e acciaio inossidabile sia rischiosa negli ambienti marini, il danno può essere previsto con alta precisione e gestito efficacemente utilizzando il giusto anodo sacrificale, offrendo una via chiara per estendere la vita di queste critiche strutture marine.
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