Коррозионные вызовы в легких автомобильных материалах

Во всей автопромышленности растет интерес к легким конструкционным материалам для достижения лучшей топливной экономики и соблюдения нормативных требований. Большинство автопроизводителей используют недавние достижения в высокопрочных сталях, ультравысокопрочных сталях, алюминиевых сплавах, магниевых сплавах и композитах. Исторически алюминий был популярен, так как обеспечивает отличную коррозионную стойкость по сравнению с традиционным железом и сталью. Статья исследует стремление к еще более легким материалам, которые могут или не могут обеспечивать равную коррозионную стойкость.

Коррозия магния и решения защиты в автопроме

Магний — самый легкий инженерный металл для структурных применений. Однако рост магния в автосекторе относительно ограничен из-за плохой коррозионной стойкости магния и его сплавов. Магний имеет самый низкий (наименее благородный) электрохимический потенциал среди металлов для автозапчастей. По сравнению с алюминием, также реактивным металлом, магний имеет пористый и незащитный поверхностный оксидный слой, не обеспечивающий пассивацию от коррозии.

Крупный шаг к улучшению коррозионной стойкости магниевых сплавов — внедрение высокочистых сплавов, но это не решает проблемы гальванической коррозии при контакте магния с другим металлом и электролитом. (Узнайте больше о гальванической коррозии: Почему два разных металла вызывают коррозию?)

Использование барьерного покрытия — одно возможное решение для предотвращения коррозии магниевых сплавов. Однако барьерные покрытия могут создавать неблагоприятные соотношения площадей анода/катода в местах дефектов покрытия. Предыдущий опыт показал, что большинство текущих органических или эпоксидных покрытий не могут постоянно предотвратить проникновение водного электролита в базовый магниевый субстрат. Как только водный электролит достигает магниевого субстрата, коррозионная реакция может инициироваться без необходимости кислорода с выделением водорода. Водород приводит к образованию пузырей под покрытием и в конечном итоге компрометирует систему коррозионной защиты.

Инженер по коррозии обычно не вовлечен на ранних этапах автодизайна, который фокусируется на КЭА (FEA) для структурных требований и моделировании течения для литья. Для решения вышеуказанных проблем следует учесть ключевые пункты:

• В краткосрочной перспективе приоритетом должна быть разработка надежной, самоисцеляющейся, доступной и экологичной системы покрытий для магниевых сплавов. Система должна иметь стойкость к царапинам и соответствовать отраслевым стандартам (GMW/SAE/ISO). Экономически целесообразной целевой стоимостью должен быть менее 1 USD/m².
• В долгосрочной перспективе коррозионно-стойкий магниевый сплав должен иметь скорость коррозии менее 0,1 мм/год (обычно после 7 дней погружения в 3,5% NaCl) или коррозионную производительность, эквивалентную или лучшую конкурентных алюминиевых сплавов (Silafont 36, A356, AA5xxx, AA6xxx) в стандартных коррозионных тестах. Это можно достичь добавлением легирующих элементов для продвижения коррозионной стойкости или формирования плотной пассивной пленки.
• Поверхностные покрытия могут расширить диапазон автоприменений магния. Плазменно-электролитическое окисление (PEO) как поверхностное покрытие — решение для инженеров, проектирующих автокомпоненты. Уникальная технология PEO использует электролитную ванну и плазму с тремя стадиями, формируя керамическое дуплекс-покрытие на магниевых сплавах. Процесс можно регулировать на каждой стадии для создания адаптированных покрытий. Верхний слой многослойного покрытия высокопорист и может включать содержимое электролитической ванны в поверхностное покрытие для дополнительных свойств.

Гальваническая коррозия между углеродно-волокнистыми полимерами и металлами

Углерод используется как усиливающая фаза в композитах с углеродным волокном (CFRP). CFRP привлекательны инженерам высокой удельной прочностью и легкостью для автоприменений.

Волокнистые композиты сами по себе считаются коррозионно-стойкими. Однако при соединении с металлами могут возникать коррозионные проблемы. CFRP электропроводны и электрохимически очень благородны. Поэтому, когда металл или сплав неудачно соединяется с CFRP (так, что есть электрическое соединение), металл восприимчив к гальванической коррозии. (Подробнее: Гальваническая коррозия металлов, соединенных с CFRP.)

При сопряжении с крепежом, болтом или гайкой ситуация ухудшается, потому что большая площадь CFRP сопрягается с малыми металлическими деталями. В этих обстоятельствах скорость гальванической коррозии может ускориться из-за высокого соотношения площадей катода к аноду (Ac/Aa).

Гальваническая коррозия металлов, сопряженных с углеродными композитами, сообщается с 1970-х. Однако подходящие материалы и методы соединения еще не определены.

Растущий спрос на CFRP в автоприменениях требует дальнейшего систематического изучения гальванической коррозии между углеродными композитами и автоинженерными материалами, включая ряд сталей (с разными поверхностными обработками) и множество алюминиевых сплавов. Особенно важно влияние разных комбинаций материалов, геометрий и методов соединения на последующую интенсивность коррозии.

Гальваническая коррозия для стратегии смешанных материалов на стадии Body-in-White

Стадия Body-in-White (BIW) — этап автопроизводства, когда компоненты кузова соединены. Традиционно весь автомобиль делается из смешанных материалов, последовательно крепящихся к преимущественно стальному кузову при финальной сборке. Для достижения еще более легкого авто с высшей жесткостью требуется более сложный «гибрид» разных материалов для структуры кузова. (Связанное чтение: Что новые исследования в материаловедении говорят о контроле коррозии в будущем.)

Cadillac CT6 — первый автомобиль GM из смешанных материалов, включает несколько марок стальных листов, алюминиевых листов, отливок и экструзий (Рисунок 1). Другие авто, например Chevrolet Malibu, следуют похожему тренду.

Разные материалы и сплавы создают вызовы в терминах гальванической коррозии и разных коэффициентов теплового расширения. Численные методы моделирования продемонстрировали потенциал предсказания распределения гальванического тока.

В автоприменениях материал можно считать находящимся под тонкой пленкой электролита. Поэтому коррозионное поведение (и гальваническое) будет сложным из-за электрохимической системы и пути проводимости, постоянно эволюционирующих.

Недавно программная компания разработала тонкопленочную модель для симуляции гальванической коррозии под тонкой пленкой электролита, логичным продолжением которого является массовая экспериментальная валидация таких моделей. Начальное исследование многообещающе, указывая на перспективу предсказания результатов соленого тумана на уровне компонента. С дальнейшим развитием такие комбинированные моделировочно-экспериментальные подходы могут быть полезны для симуляции общего тока и распределения потенциала всего автомобиля из смешанных материалов.

Симуляция предлагает более простой подход к моделированию коррозии

Моделирование коррозии позволяет инженеру предвидеть вероятность коррозии любого компонента за заданный период. Параметры вроде относительной влажности и плотности соляной нагрузки вводятся как параметры. Результаты симуляции можно сравнивать с реальными тестами соленого тумана для проверки жизни покрытия в терминах коррозионной стойкости и корреляции результатов.

Будущее коррозионной защиты, вдохновленное новыми технологиями

Автомобили теперь включают значительное количество «умных» функций: мониторинг давления в шинах и другие интеллектуальные диагностические системы, ставшие отраслевым стандартом. Можно ожидать, что коррозионная мониторинговая система может быть достигнута в будущем. Например, подходящие сенсоры, способные к мониторингу скоростей коррозии в критичных локациях в реальном времени, потенциально могут давать предупреждения до системного отказа.

Кроме того, машинное обучение и ИИ могут собирать полевые данные коррозии и проводить удаленный анализ для генерации более точной лаб-полевой корреляции. Это критично и актуально для широкой области коррозии, дополняя и расширяя опыт отдельных инженеров.