Применение ионной и электронной модификации нитридных покрытий для защиты от коррозии при наводораживании

Одним из способов повышения устойчивости стальных конструкций и нефтепроводов к процессам наводораживания при эксплуатации является нанесение на них тонких слоев в виде нитридных или оксидных покрытий, которые обладают более высокими показателями устойчивости к коррозионным процессам. В работе представлены результаты оценки применения ионной и электронной модификации нитридных покрытий (TiN), нанесенных на нержавеющую сталь, с целью повышения их устойчивости к процессам наводораживания и деструкции при накоплении водорода в приповерхностном слое, вызывающем его охрупчивание и коррозию. В качестве ионов для модификации покрытий были выбраны ионы O2+ и N2+ с энергией 20 кэВ/заряд, флюенсы облучения составили 10¹³–10¹⁵ ион/см² . Для проведения модификации с применением электронов были использованы электроны с энергией 500 кэВ и дозами облучения 100–500 кГр. В результате проведенных экспериментов было установлено, что ионная модификация приводит к формированию в структуре дополнительных дислокационных дефектов, накопление которых приводит к увеличению прочности и устойчивости к растрескиванию. В случае электронного облучения основной эффект модификации заключается в тепловом воздействии, приводящем к повышению стабильности кристаллической структуры, а также ее уплотнению. Анализ эффектов наводораживания и коррозии образцов показал, что ионная модификация с флюенсом 5 × 10¹³ ион/см² приводит к увеличению стабильности структуры покрытий, а также увеличению потенциалов коррозии.

1. Ionomer Optimization for Water Uptake and Swelling in Anion Exchange Membrane Electrolyzer : Oxygen Evolution Electrode / G. Huang, M. Mandal, N. U. Hassan [et al.]. – Text : electronic // Journal of The Electrochemical Society. – 2020. – Vol. 167, Issue 16. – URL: https://doi.org/10.1149/1945-7111/abcde3.

2. Synergistic effects of helium and hydrogen on self-ion-induced swelling of austenitic 18Cr10NiТi stainless steel / O. V. Borodin, V. V. Bryk, A. S. Kalchenko [et al.]. – DOI 10.1016/j.jnucmat.2013.05.022. – Direct text // Journal of Nuclear Materials. – 2013. – Vol. 442, Issue 1–3. – P. S817–S820.

3. Swelling measurement during sorption and decompression in a NBR exposed to high-pressure hydrogen / S. Castagnet, H. Ono, G. Benoit [et al.]. – DOI 10.1016/J.IJHYDENE.2017.06.138. – Direct text // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42, Issue 30. – P. 19359–19366.

4. Mechanical characterization of reactively magnetron-sputtered TiN films / F. Vaz, P. Machado, L. Rebouta [et al.]. – Direct text // Surface and Coatings Technology. – 2003. – Vol. 174. – P. 375–382.

5. Investigation of fracture properties of magnetron-sputtered TiN films by means of a FIB-based cantilever bending technique / S. Massl, W. Thomma, J. Keckes, R. Pippan. – DOI 10.1016/j.actamat.2008.12.018. – Direct text // Acta materialia. – 2009. – Vol. 57, Issue. 6. – P. 1768–1776.

6. Influence of particle and energy flux on stress and texture development in magnetron sputtered TiN films / G. Abadias, W. P. Leroy, S. Mahieu, D. Depla. – Text : electronic // Journal of Physics D : Applied Physics. – 2012. – Vol. 46, Issue 5. – URL: https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/5/055301.

7. Influence of Friction Stir Processing on the Friction, Wear and Corrosion Mechanisms of Solid-State Additively Manufactured 316L Duplex Stainless Steel / A. Ralls, M. Daroonparvar, A. K. Kasar [et al.]. – Text : electronic // Tribology International. – 2023. – Vol. 178. – URL: https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.108033.

8. Ralls, A. M. Friction Stir Processing on the Tribological, Corrosion, and Erosion Properties of Steel : A Review / A. M. Ralls, A. K. Kasar, P. L. Menezes. – DOI 10.3390/jmmp5030097. – Direct text // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2021. – Vol. 5, Issue 3. – P. 97–103.

9. The role of electronic energy loss in ion beam modification of materials / W. J. Weber, D. M. Duffy, L. Thomé, Y. Zhang. – Text : electronic // Current Opinion in Solid State and Materials Science. – 2015. – Vol. 19, Issue 1. – URL: https://doi.org/10.1016/j.cossms.2014.09.003.

10. Steel thermal sprayed coatings : superficial hardening by Nitrogen ion implantation / M. Belotserkovsky, A. Yelistratov, A. Byeli, V. Kukareko. – Direct text // Welding journal. – 2009. – Vol. 88, Issue 12. – P. 243–248.