Heetcorrosie en cyclische oxidatiegedrag van CoMoCrSi + Cr₃C₂ composietcoatings op MDN 420-staal via HVOF-spuitproces

Metalen beschermen in extreme hitte

Moderne motoren, energiecentrales en industriële ketels werken zo heet en in zulke bijtende omstandigheden dat hun metalen onderdelen in de loop van de tijd als het ware weg kunnen branden. Het vervangen van deze componenten is kostbaar en risicovol. Deze studie onderzoekt een speciale beschermende coating die op een veelgebruikt hoogwaardig staal wordt gespoten en bedoeld is om die onderdelen te beschermen tegen roest, scheuren en broosheid wanneer ze worden blootgesteld aan intense hitte en agressieve zoutafzettingen.

Waarom heet metaal uiteenvalt

In veel turbines, ketels en chemische installaties worden metalen onderdelen zowel aan hoge temperaturen als aan corrosieve chemicaliën blootgesteld. Zuurstof in de lucht vormt geleidelijk oxidelagen, terwijl gesmolten zouten — ontstaan bijvoorbeeld uit brandstofonzuiverheden met natrium en vanadium — deze oxiden kunnen aantasten en snelle doorgangen voor verdere schade openen. Onbedekt staal dat aan dergelijke omstandigheden wordt blootgesteld, neemt in massa toe doordat dikke, schilferige oxidelaag groeit, en verliest vervolgens materiaal wanneer deze lagen afschilferen. Naarmate dit groeien-en-afschilferen zich herhaalt, leidt het tot uitdunning, scheurvorming en uiteindelijk falen van kritische componenten.

Een sterke nieuwe jas voor staal

De onderzoekers richtten zich op MDN 420-staal, een martensitisch roestvast staal dat in veeleisende toepassingen wordt gebruikt, en bedekten het met een composietcoating gemaakt van kobalt, molybdeen, chroom en silicium, versterkt met harde chroomcarbide-deeltjes. Met een high-velocity oxy-fuel (HVOF) spuitpistool schoten ze dit poeder met supersonische snelheid op stalen platen en bouwden zo een dichte laag op van ongeveer tweehonderdste millimeter dik. Zorgvuldige controle van het spuitproces leverde een coating met lage porositeit en een oppervlaktestructuur die geschikt is om slijtage te weerstaan. Microscopisch onderzoek toonde een compacte structuur met goed verdeelde harde deeltjes en slechts kleine scheurtjes en poriën, terwijl hardheidstests lieten zien dat het gecoate oppervlak meer dan drie keer harder was dan het onderliggende staal.

Hoe de coating hitte en zout tegengaat

Om te beoordelen hoe goed de coating werkte, werden zowel gecoate als niet-gecoate staalmonsters herhaaldelijk verhit tot 700 °C en afgekoeld, hetzij in lucht (om oxidatie te testen) of in een mengsel van gesmolten natriumsulfaat en vanadiumoxide (om heetcorrosie te testen). In lucht bevorderde de coating de groei van dunne, continue lagen chroomoxide en silica aan het oppervlak. Deze lagen fungeerden als een strakke huid die de inwendige diffusie van zuurstof vertraagde en microkieren tussen spuitlagen afdichtte. Als gevolg daarvan namen de gecoate monsters veel minder in gewicht toe dan bloot staal, wat duidt op veel minder oxideopbouw, en bleef hun oxidatiesnelheid laag en stabiel gedurende 50 cycli.

Wat er in een zoutbad gebeurt

De tests met gesmolten zout waren veel agressiever en imiteerden omstandigheden in brandstofgestookte ketels en turbines waar natrium- en vanadiumverbindingen kunnen smelten en hete metalen oppervlakken bevochtigen. Ook hier presteerde de coating beter dan bloot staal: gewichtstoenames en corrosiesnelheden waren aanzienlijk lager. Gedetailleerde analyses lieten echter zien dat het zout niet simpelweg op het oppervlak bleef liggen. Het reageerde met oxiden van molybdeen en chroom in de coating en vormde complexe zout-oxide verbindingen. Deze nieuwe fasen, zoals natriummolybdaat en natriumvanadaat, creëerden poreuze, gemakkelijk afbreekbare schalen. Scheuren en putjes ontstonden toen vluchtige molybdeeenoxiden verdampten en de beschermende huid lokaal losliet, waardoor vers materiaal blootgesteld werd aan verdere aantasting.

Balans tussen sterkte en lange levensduur

Al met al verminderde de coating zowel oxidatie- als heetcorrosiesnelheden aanzienlijk vergeleken met onbedekt MDN 420-staal — de gemeten snelheidconstanten waren meerdere malen lager. De combinatie van een taaie kobaltgebaseerde matrix, harde carbidedeeltjes en zelfvormende beschermende oxiden stelt het gecoate staal in staat hogere temperaturen en bijtende zouten langer te weerstaan. De studie toont echter ook de grenzen van deze bescherming: waar zoutgedreven reacties en vluchtige oxiden poriën en zwakke schalen creëren, hoopt schade zich geleidelijk op. Voor een leek is de kernboodschap dat slim ontworpen coatings als vuurvaste, chemisch bestendige pantserplaten voor hete metalen onderdelen kunnen werken en veel meer bedrijfstijd vóór falen mogelijk maken — maar dat dit pantser verder verfijnd moet worden, bijvoorbeeld door poriën te dichten of de samenstelling aan te passen, om de zwaarste zoutbelaste omgevingen te weerstaan.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: hoge-temperatuur coatings, heetcorrosie, oxidatiebestendigheid, thermisch spuiten, bescherming van roestvrij staal