Характеристика свойств тонких пленок Al2O3, сформированных на конструкционной стали золь-гель методом

Аннотация

Золь-гель метод применен для получения одно- и двойнослойных оксидно-алюминиевых пленок на поверхности конструкционной стали 08кп для защиты от коррозии. Золь-гель систему готовили по методу Йолдаса путем гидролитической поликонденсации изопропоксида алюминия в присутствии уксусной кислоты при температуре 85-90 °С. Измерены рН, размер и дзета-потенциал частиц бемита, а также изучено коррозионное поведение стали в полученных коллоидах. При комнатной температуре слой гидрогеля бемита наносили путем погружения образцов стали в гель, выдержки в нем и последующей сушки в присутствии паров аммиака с целью подавления коррозии.
Термообработку при 500 °С в атмосфере воздуха применяли для разложения бемита с образованием оксида алюминия и закрепления пленки на поверхности субстрата. Второй слой пленки наносили аналогичным образом поверх полностью сформированного первого слоя. Морфология поверхности полученных пленок изучена методами сканирующей электронной и атомно-силовой микроскопии. Электрохимические методы исследования – потенциометрия, вольамперометрия и электрохимическая импедансная спектроскопия были применены для сопоставительного исследования противокоррозионных свойств одно-и двойнослойных оксидно-алюминиевых
покрытий на стали в 3.5 %-ном растворе хлорида натрия. Показано, что покрытия, полученные по описанной схеме, обладают хорошей адгезией к поверхности стали. По сравнению с контрольным образцом для стальных электродов с покрытием характерно смещение стационарного
потенциала более чем на 0.6 В, а начало активного электрохимического окисления - более чем на 1 В в положительном направлении. Происходит изменение кинетики анодных и катодных процессов, что в совокупности приводит к снижению коррозионного тока более чем на 2 порядка.
Применение метода электрохимической импедансной спектроскопии позволило установить 2.5 часовую высокую противокоррозионную эффективность двойнослойного оксидно-алюминиевого покрытия на стали в растворе хлорида натрия.

ЛИТЕРАТУРА

1. Vert R., Carles P., Laborde E., Mariaux G., Meillo E., Vardelle A. Adhesion of ceramic coating on thin and smooth metal substrate: A novel approach with a nanostructured ceramic interlayer. Journal of Thermal Spray Technology. 2012;21(6): 1128–1134. DOI: http://doi.org/10.1007/s11666-012-9798-2
2. Guglielmi M. Sol-gel coatings on metals. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 1997;8(1–3): 443–449. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02436880
3. Bahuguna G., Mishra N. K., Chaudhary P., Kumar A., Singh R. Thin fi lm coating through sol-gel technique. Research Journal Chemical Sciences. 2016;6(7): 65–72. E-ISSN 2231-606X
4. Kobayashi Y., Ishizaka T., Kurokawa Y. Preparation of alumina films by the sol-gel method. Journal of Materials Science. 2005;40: 263–283. DOI: https://doi.org/10.1007/s10853-005-6080-8
5. Singh I. B., Modi O. P., Ruhi G. Development of sol-gel alumina coating on 9Cr-1Mo ferritic steel and their oxidation behavior at high temperature. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2015;74: 685–691. DOI: https://DOI 10.1007/s10971-015-3649-9
6. Masalski J., Gluszek J., Zabrzeski J., Nitsch K., Gluszek P. Improvement in corrosion resistance of the 316l stainless steel by means of Al₂O₃ coatings deposited by the sol-gel method. Thin Solid Films. 1999;349: 186–190. DOI: https://doi.org/10.1016/S0040-6090(99)00230-8
7. Tiwari S. K., Sahu R. K., Pramanick A. K., Singh R. Development of conversion coating on mild steel prior to sol gel nanostructured Al₂O₃ coating for enhancement in corrosion resistance. Surface and Coatings Technology. 2011;205: 4960–49677. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.04.087
8. Oks M. E., Tyunkov A. V., Yushkov Yu. G., Zolotukhin D. B. Ceramic coating deposition by electron beam evaporation. Surface and Coatings Technology. 2017;325: 1–6. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2017.06.042
9. Xu P., Coyle T.W., Pershin L., Mostaghimi J. Superhydrophobic ceramic coating: Fabrication by solution precursor plasma spray and investigation of wetting behavior. Journal Colloid Interface Science. 2018;1(523): 35–44. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2018.03.018
10. Shu-Wei Y., Guan-Jun Y., Cheng-Xin L., Chang-Jiu L. Improving erosion resistance of plasma-sprayed ceramic coatings by elevating the deposition temperature dased on the critical bonding temperature. Journal of Thermal Spray Technology. 2018;27(1–2): 25–34. DOI:
    https://doi.org/10.1007/s11666-017-0633-7
11. Katagiri K., Tanaka Y., Uemura K., Inumaru K., Seki T., Takeoka Y. Structural color coating films composed of an amorphous array of colloidal particles via electrophoretic deposition. NPG Asia Materials. 2017;9(e355): 1–7. DOI: https://doi.org/10.1038/am.2017.13
12. Alan G., Sajin G., Tinu T., Vibhath K., Sreejith M. Corrosion behaviour of sol-gel derived nano-alumina fi lm. International Journal. Scientifi c & Engineering Research. 2016;7(3): 130–139. ISSN 2229-5518
13. Wang D., Bierwagen G. P. Sol–gel coatings on metals for corrosion protection. Progress in Organic Coatings. 2009;64(4): 327–338. DOI: https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2008.08.010
14. Stambolova I., Yordanov S., Lakov L., Blaskov V., Vassilev S., Alexandrova M., Jivov B., Kostova Y., Simeonova S., Balashev K. Development of new nanosized sol gel coatings on steel with enhanced corrosion resistance. Materials Science. Non-Equilibrium Phase Transformations. 2018;4(1): 18–20. Режим доступа: https://stumejournals.com/journals/ms/2018/1/18.full.pdf
15. Kiele E., Senvaitiene J., Grigucevičiené A., Ramanauskas R., Raudonis R., Kareiva A. Sol-gel derived coatings for the conservation of steel. Processing and Application of Ceramics. 2015;9(2): 81–89. DOI: https://doi.org/10.2298/PAC1502081K
16. Nofz M. Alumina Thin Films. In: Klein L., Aparicio M., Jitianu A. (eds.) Handbook of Sol-Gel Science and Technology. Switzerland: Springer International Publishing, Inc.; 2016. 765–808 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-32101-1_133
17. Grishina E. P., Kudryakova N. O., Ramenskaya L. M. Применение золь-гель метода для нанесения оксидно-алюминиевого покрытия на низколегированную сталь Гальванотехника и обработка поверхности. 2019;27(2): 59–68. Режим доступа: http://www.galvanotehnika.info/articles.php?=2019&n=2&a=6
18. Yoldas B. E., Transparent activated nonparticulate alumna and method of preparing same Patent United States No. 3,944,658. 1976.
19. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброваный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. М.: Стандартинформ.
20. Yang Q. I. Synthesis of g-Al₂O₃ nanowires through a boehmite precursor route. Bulletin of Materials Science. 2011;34(2): 239–244. DOI: https://doi.org/10.1007/s12034-011-0062-z
21. Boumaza A., Favaro L., Ledion J., Sattonnay G., Brubach J. B., Berthet P., Huntz A. M., Roy P., Tetot R. Transition alumina phases induced by heat treatment of boehmite: An X-ray diffraction and infrared spectroscopy study. Journal of Solid State Chemistry. 2009;182: 1171–1176. DOI: https://doi:10.1016/j.jssc.2009.02.006.
22. Aparicio M., Mosa J. Electrochemical characterization of sol-gel coatings for corrosion protection of metal substrates. Journal of Sol-Gel Science and Technology. 2018;88: 77–89. DOI: https://doi.org/10.1007/s10971-018-4785-9
23. Lazar A.-M., Wolfgang W. P., Marcelin S., Pébère N., Samélor D., Tendero C., Vahlas C. Corrosion protection of 304L stainless steel by chemical vapour deposited alumina coatings. Corrosion Science. 2014;81: 125–131. DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.12.012
24. Gaberšček M., Pejovnik S. Impedance spectroscopy as a technique for studying the spontaneous passivation of metals in electrolytes. Electrochimica Acta. 1996;41(7/8): 1137–l142. DOI: https://doi.org/10.1016/0013-4686(95)00464-5
25. Yuan X.-Z.R., Song C., Wang H., Zhang J. Electrochemical impedance spectroscopy in PEM fuel cells: fundamentals and applications. London: Springer, Inc.; 2010. 420 p.
26. Pyun S.-I., Shin H.-C., Lee J.-W., Go J.-Y. Electrochemistry of insertion materials for hydrogen and lithium. Berlin: Springer, Inc.; 2012. 250 p.
27. Orazem M. E., Frateur I., Tribollet B., Vivier V., Marcelin S., Pйbиre N., Bunge A. L., White E. A., Riemer D. P., Musiani M.. Dielectric properties of materials showing constant-phase-element (CPE) impedance response. Journal of the Electrochemical Society. 2013;160(6): C215–C225. DOI: https://doi.org/10.1149/2.033306jes
28. KNT group. Production of sorbents and catalysts. Режим доступа: https://www.kntgroup.ru/ru/information/adsorptive
29. Фок М. В. Геометрическая форма молекул воды. Краткие сообщения по физике ФИАН. 2002;3: 28–32. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/geometricheskaya-forma-molekul-vody/viewer
30. Танганов Б. Б. О размерах гидратированных ионов (к проблеме опреснения морской воды). Успехи современного естествознания. 2009;12: 25–26. Режим доступа: http://www.natural-sciences.ru/ru/article/view?id=14059