Efeito da dopagem e da topografia na tribologia e resistência à corrosão de filmes de DLC

Abstract

A crescente demanda na produção de energia tem impulsionado a extração de petróleo e gás natural. Grande parte das reservas de petróleo está localizada em ambientes de difícil exploração, e os componentes utilizados nesses ambientes estão muitas vezes expostos a atmosferas extremamente corrosivas, com altas concentrações de cloretos, CO2 e/ou H2S, com altas pressões e temperatura. No território brasileiro, as maiores reservas de petróleo encontramse no pré-sal, que possui como características particulares a alta concentração de cloretos e a presença de CO2. Um dos meios de mitigação da corrosão é a seleção de ligas resistentes à corrosão. Dentre elas, os aços inoxidáveis austeníticos apresentam bom equilíbrio entre custo, propriedades mecânicas e resistência à corrosão. No entanto, o meio ácido e salino do pré-sal pode ocasionar a corrosão localizada até mesmo nesses materiais, sendo a utilização de revestimentos protetivos uma alternativa para melhorar a vida útil dos componentes expostos a esses ambientes. Os revestimentos do tipo Diamond-Like Carbon (DLC) apresentam-se como uma ótima alternativa para este fim, visto que além possuírem boa estabilidade química, podem garantir ao material revestido a melhora em propriedades mecânicas como a dureza, melhora na resistência ao desgaste e diminuição do coeficiente de atrito, combinação de características que pode gerar um grande aumento da vida útil do componente. A utilização do DLC na melhora da resistência à corrosão é estudada em diversos materiais, inclusive nos aços austeníticos, mas não é amplamente investigada em ambientes com a presença de CO2. Desse modo, foi investigado o desempenho de diferentes tipos de DLC na proteção à corrosão de aço inoxidável, em ambientes aquosos com NaCl e CO2. Foram depositados quatro tipos de DLC: um DLC base, tipo amorfo hidrogenado; um dopado com silício (DLC-S); um filme multicamadas (DLC-M), e um dopado com flúor (DLC-F). Os quatro tipos de filme apresentaram diferenças químicas e estruturais, evidenciadas pelas análises por espectroscopia Raman, microscopia eletrônica de varredura (MEV), espectroscopia de raios X por energia dispersiva (EDS) e espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X (XPS). O desempenho tribológico dos filmes foi avaliado via testes de durabilidade, onde o DLC base apresentou a maior durabilidade, seguida pelo DLC-F e DLC-M. Os filmes DLC-S não apresentaram desempenho tribológico satisfatório. Para a caracterização da resistência à corrosão, foram realizados testes de polarização potenciodinâmica (PP) em soluções de NaCl e de NaCl saturada com CO2. Os filmes de DLC apresentaram excelente desempenho na resistência à corrosão em NaCl, sendo o melhor desempenho obtido pelos filmes DLC-F, seguido do DLC-M, pelo DLCS e pelo DLC base. O aço 316L apresentou elevada susceptibilidade à corrosão na solução saturada por CO2, porém a deposição de DLC também melhorou a resistência à corrosão nesse ambiente. Os filmes de DLC, DLC-S e DLC-M apresentaram valores de potencial de corrosão (Ecorr) e corrente de corrosão (Icorr) similares; os filmes de DLC-F, no entanto, apresentaram Ecorr elevados e Icorr menores que os outros tipos de filme, evidenciando a melhor resistência à corrosão dos filmes dopados com flúor.

Abstract: The increasing demand for energy production has expanded oil and gas extraction. Significant part of the oil deposits is situated in harsh exploration sites. Components used in these environments are often exposed to highly corrosive media, with a high chloride, CO2 and/or H2S concentrations at high pressures and temperatures. In the Brazilian territory, the largest oil deposits are situated at the pre-salt layer, that presents a particularly high content of NaCl and the presence of CO2. One way to minimize the corrosion effect is the selection of corrosionresistant alloys (CRAs). Among these materials, the austenitic stainless steels have a good balance of cost, mechanical properties, and corrosion resistance. However, the acidic and salty environment of the pre-salt may induce localized corrosion even in the CRAs. Hence the use of protective coatings is an alternative to enhance the lifespan of the components exposed to these environments. The Diamond-like carbon (DLC) coatings are a great alternative for this application, as besides having good chemical stability, they improve mechanical properties of the coated material, such as higher hardness and wear resistance and lower friction coefficient, a combination of properties that may greatly extend the lifespan of the equipment. The use of DLC for the improvement of corrosion resistance is studied on plenty of materials, including austenitic stainless steel, but it is not widely researched in CO2-containing media. Therefore, the performance of different types of DLC coatings on the anti-corrosion protection of stainless steel was evaluated in aqueous environments containing NaCl and CO2. Four types of DLC were tested: a hydrogenated amorphous DLC, a silicon-doped film (DLC-S), a multilayered film (DLC-M), and a fluorine-doped film (DLC-F). The four types of films showed chemical and structural differences, evidenced by Raman, SEM/EDS and XPS analysis. The tribological performance of the films was evaluated in scuffing resistance tests; the base DLC showed the highest resistance, followed by the DLC-F and the DLC-M. The DLC-S films didn?t exhibit satisfactory tribological performance. Electrochemical tests of potentiodynamic polarization (PP) were conducted for corrosion characterization in NaCl and CO2-saturated NaCl solutions. The DLC films showed excellent anti-corrosion properties in the NaCl tests, being the best results the ones of the DLC-F, followed by the DLC-M, the DLC-S and the DLC. The 316L stainless steel showed high corrosion susceptibility in the CO2-saturated solution, but the DLC deposition also improved corrosion resistance in this setting. The DLC, DLC-S and DLC-M showed similar corrosion potential (Ecorr) and (Icorr) values; however, the DLC-F showed higher Ecorr and lower Icorr values than the other films, highlighting the best corrosion resistance of the fluorine-doped DLC films.