Gorąca korozja i zachowanie podczas cyklicznej oksydacji powłok kompozytowych CoMoCrSi + Cr₃C₂ na stali MDN 420 uzyskanych metodą natrysku HVOF

Ochrona metali w ekstremalnym cieple

Nowoczesne silniki, elektrownie i kotły przemysłowe pracują w tak wysokich temperaturach i w tak agresywnych warunkach korozyjnych, że ich metalowe elementy z czasem dosłownie ulegają zużyciu. Wymiana tych części jest kosztowna i obarczona ryzykiem. W badaniu przeanalizowano specjalną powłokę ochronną nanoszoną na powszechnie stosowaną stal wysokowytrzymałą, której celem jest zapobieganie rdzewieniu, pękaniu i kruszeniu się elementów narażonych na intensywne ciepło i agresywne osady solne.

Dlaczego gorący metal się rozpada

W wielu turbinach, kotłach i zakładach chemicznych elementy metalowe doświadczają jednocześnie wysokich temperatur i agresywnych chemikaliów. Tlen z powietrza stopniowo tworzy warstwy tlenków, podczas gdy topniejące sole — powstające np. z zanieczyszczeń paliwa zawierających sód i wanad — mogą atakować te tlenki i otwierać szybkie drogi dla dalszych uszkodzeń. Niepokryta stal w takich warunkach przybiera na masie wskutek narastania grubych, łuszczących się warstw tlenków, a następnie traci materiał, gdy te łuski odrywają się. Z czasem cykl wzrostu i odpryskiwania prowadzi do przerzedzania, pęknięć i uszkodzenia krytycznych elementów.

Wytrzymała „kurta” dla stali

Naukowcy skupili się na stali MDN 420 — stali martenzytycznej stosowanej w wymagających zastosowaniach — i pokryli ją powłoką kompozytową z kobaltu, molibdenu, chromu i krzemu, wzmacnianą twardymi cząstkami węglika chromu. Za pomocą pistoletu natryskowego HVOF (high-velocity oxy-fuel) wyrzucali ten proszek z prędkościami nadźwiękowymi na stalowe płytki, tworząc gęstą warstwę o grubości około dwóch dziesiątych milimetra. Staranna kontrola procesu natrysku pozwoliła uzyskać powłokę o niskiej porowatości i chropowatości powierzchni odpowiedniej do odporności na ścieranie. Badania mikroskopowe wykazały zwartą strukturę z dobrze rozprowadzonymi twardymi cząstkami i jedynie drobnymi pęknięciami oraz porami, natomiast testy twardości pokazały, że powleczona powierzchnia była ponad trzykrotnie twardsza od podłoża stalowego.

Jak powłoka walczy z temperaturą i solą

Aby ocenić skuteczność powłoki, próbki powlekane i niepowlekane były wielokrotnie ogrzewane do 700 °C i chłodzone, albo w powietrzu (test utleniania), albo w mieszaninie stopionego siarczanu sodu i tlenku wanadu (test gorącej korozji). W powietrzu powłoka sprzyjała tworzeniu cienkich, ciągłych warstw tlenku chromu i krzemionki na powierzchni. Warstwy te działały jak szczelna skóra, która spowalniała dyfuzję tlenu do wnętrza i uszczelniała mikroszczeliny między odpryskami natrysku. W rezultacie próbki powlekane przybierały na wadze znacznie mniej niż niepowlekana stal, co oznaczało znacznie mniejsze nagromadzenie tlenków, a tempo utleniania pozostawało niskie i stabilne przez 50 cykli.

Co się dzieje w kąpieli solnej

Testy w stopionych solach były znacznie bardziej agresywne i odtwarzały warunki panujące w kotłach i turbinach opalanych paliwem, gdzie związki sodu i wanadu mogą się topić i zwilżać gorące powierzchnie metalowe. Tutaj powłoka nadal przewyższała niepowlekaną stal: przyrosty masy i szybkości korozji były dramatycznie mniejsze. Jednak szczegółowe analizy wykazały, że sól nie pozostawała tylko na powierzchni — reagowała z tlenkami molibdenu i chromu w powłoce, tworząc złożone związki soli z tlenkami. Nowe fazy, takie jak molibdenian sodu i wanadan sodu, wytwarzały porowate, łatwo kruche łuski. Pęknięcia i ubytki powstawały w miarę odparowywania lotnych tlenków molibdenu, a ochronna „skóra” lokalnie się odrywała, odsłaniając świeży materiał podatny na dalsze ataki.

Równowaga między wytrzymałością a długowiecznością

Ogólnie powłoka znacząco zmniejszyła zarówno tempo utleniania, jak i gorącej korozji w porównaniu z niepowlekaną stalą MDN 420 — zmierzone stałe szybkości były wielokrotnie niższe. Połączenie wytrzymałej matrycy na bazie kobaltu, twardych cząstek węglików i samoutwarzających się ochronnych tlenków pozwala powlekanej stali wytrzymywać wyższe temperatury i działanie agresywnych soli przez dłuższy czas. Mimo to badanie ujawnia też ograniczenia tej ochrony: tam, gdzie reakcje wywołane solą i lotne tlenki tworzą pory i słabe łuski, uszkodzenia stopniowo się kumulują. Dla laika wniosek jest taki, że starannie zaprojektowane powłoki mogą działać jak ognioodporna, chemicznie odporna zbroja dla gorących elementów metalowych, znacznie wydłużając czas eksploatacji przed awarią — ale ta „zbroja” musi być dalej udoskonalana, na przykład przez uszczelnianie porów lub modyfikację składu, aby wytrzymać najsurowsze środowiska zawierające sole.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: powłoki wysokotemperaturowe, gorąca korozja, odporność na utlenianie, natrysk termiczny, ochrona stali nierdzewnej