Comportamento di corrosione a caldo e ossidazione ciclica di rivestimenti compositi CoMoCrSi + Cr₃C₂ su acciaio MDN 420 ottenuti con spruzzatura HVOF

Proteggere i metalli in condizioni di calore estremo

I motori moderni, le centrali elettriche e le caldaie industriali funzionano a temperature così elevate e in condizioni così corrosive che le loro parti metalliche possono letteralmente consumarsi nel tempo. Sostituire questi componenti è costoso e rischioso. Questo studio esplora un rivestimento protettivo speciale, spruzzato su un comune acciaio ad alta resistenza, che mira a impedire che quelle parti arrugginiscano, si incrinino o si sfaldino quando sono esposte a calore intenso e depositi salini aggressivi.

Perché il metallo si disintegra

In molte turbine, caldaie e impianti chimici, le parti metalliche sono sottoposte sia ad alte temperature sia a sostanze chimiche corrosive. Lossigeno dellaria forma lentamente strati di ossido, mentre i sali fusi — prodotti, per esempio, da impuriti del combustibile contenenti sodio e vanadio — possono attaccare questi ossidi e aprire vie rapide per ulteriori danni. Lacciaio nudo esposto a tali condizioni aumenta di peso man mano che crescono spesse croste di ossido a sfaldamento, per poi perdere materiale quando queste croste si staccano. Nel tempo, questo ciclo di crescita e distacco provoca assottigliamento, crepe e il cedimento di componenti critici.

Una nuova corazza resistente per lacciaio

I ricercatori si sono concentrati sullacciaio MDN 420, un acciaio inossidabile martensitico impiegato in applicazioni gravose, e lo hanno rivestito con un composito a base di cobalto, molibdeno, cromo e silicio, rinforzato con particelle dure di carburo di cromo. Utilizzando una pistola HVOF (high-velocity oxy-fuel), hanno proiettato questa polvere a velociti supersoniche su lastre dacciaio, formando uno strato denso spesso circa due decimi di millimetro. Un controllo accurato del processo di spruzzatura ha prodotto un rivestimento a bassa porosità e con una rugosità superficiale adatta a resistere allusura. Lesame microscopico ha mostrato una struttura compatta con particelle dure ben distribuite e solo piccole crepe e pori, mentre i test di durezza hanno rivelato che la superficie rivestita risultava pi di tre volte pi dura rispetto allacciaio sottostante.

Come il rivestimento combatte calore e sali

Per valutare lefficacia del rivestimento, campioni di acciaio rivestiti e non rivestiti sono stati riscaldati ripetutamente a 700 °C e raffreddati, sia in aria (per testare lossidazione) sia in una miscela di solfato di sodio fuso e ossido di vanadio (per testare la corrosione a caldo). In aria, il rivestimento ha favorito la crescita di sottili strati continui di ossido di cromo e silice sulla sua superficie. Questi strati hanno agito come una pelle compatta che ha rallentato la diffusione verso linterno dellossigeno e ha sigillato i microspazi tra gli spruzzi depositati. Di conseguenza, i campioni rivestiti hanno registrato un incremento di peso molto inferiore rispetto allacciaio nudo, ovvero molto meno accumulo di ossido, e il loro tasso di ossidazione rimaneva basso e costante su 50 cicli.

Cosa succede in un bagno salino

I test con sali fusi sono risultati molto pi aggressivi, riproducendo condizioni presenti in caldaie e turbine alimentate a combustibile dove composti di sodio e vanadio possono fondere e bagnare le superfici metalliche calde. Anche qui il rivestimento ha avuto prestazioni superiori rispetto allacciaio nudo: i guadagni di peso e i tassi di corrosione sono stati drasticamente inferiori. Tuttavia, analisi dettagliate hanno mostrato che il sale non si limitava a restare in superficie. Reagiva con gli ossidi di molibdeno e cromo allinterno del rivestimento formando complessi ossido-sali. Queste nuove fasi, come il molibdato di sodio e il vanadato di sodio, generavano scale porose e facilmente frangibili. Si sono formate crepe e cavit mentre ossidi volatili di molibdeno evaporavano e la pelle protettiva si staccava localmente, esponendo materiale fresco ad attacchi successivi.

Bilanciare resistenza e lunga durata

Complessivamente, il rivestimento ha ridotto in modo sostanziale sia i tassi di ossidazione sia quelli di corrosione a caldo rispetto allacciaio MDN 420 nudo: le costanti di tasso misurate sono risultate di diversi ordini di grandezza inferiori. La combinazione di una matrice a base di cobalto resistente, particelle dure di carburo e ossidi protettivi autoformanti consente allacciaio rivestito di sopportare temperature elevate e sali corrosivi per periodi pi lunghi. Tuttavia, lo studio mette anche in luce i limiti di questa protezione: dove reazioni indotte dai sali e ossidi volatili creano porosit e scale fragili, il danno si accumula gradualmente. Per il lettore non specialista, la conclusione che rivestimenti progettati con cura possono agire come unarmatura ignifuga e resistente agli agenti chimici per le parti metalliche calde, consentendo tempi di funzionamento molto maggiori prima del guasto — ma che questa armatura deve essere ulteriormente perfezionata, ad esempio sigillando i pori o modificando la composizione, per resistere agli ambienti pi ostili ricchi di sali.

Citazione: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

Parole chiave: rivestimenti ad alta temperatura, corrosione a caldo, resistenza allossidazione, spruzzatura termica, protezione dellacciaio inox