Influência das características topográficas da superfície texturizada a laser sobre os mecanismos de adesão e falhas em tinta exposta a ambientes úmidos e corrosivos

Abstract

Revestimentos orgânicos são frequentemente aplicados para proteger estruturas metálicas expostas a ambientes altamente corrosivos, como os encontrados em cenários marinhos offshore. O desempenho do revestimento, especialmente no que diz respeito à sua resistência à propagação da corrosão, depende significativamente da topografia e morfologia da superfície antes da aplicação. No entanto, estabelecer uma conexão direta entre adesão e proteção contra corrosão é desafiador, especialmente em superfícies com topografia estocástica como a obtida por meio de jateamento abrasivo. O objetivo deste estudo é avaliar o efeito da topografia e morfologia de superfícies sobre os mecanismos de propagação da corrosão em superfícies revestidas com revestimentos orgânicos e submetidas a ambientes úmidos e corrosivos, assim como, na adesão mecânica na interface entre o revestimento e o aço. Para isso, o processo de texturização a laser é utilizado para modificar deliberadamente a rugosidade e topografia da superfície, de maneira determinística, criando geometrias específicas que potencialmente melhoram a adesão do revestimento e a resistência à corrosão. Desta forma, foi possível avaliar como a textura pode influenciar os mecanismos de propagação da corrosão, assim como de adesão de revestimentos. O processo de texturização a laser possibilitou a fabricação de topografias de ranhuras nas superfícies de aço, com variações na largura e profundidade das ranhuras na ordem de 50 µm, 100 µm e 200 µm, mantendo razões de aspecto iguais. As texturas foram geradas em dois padrões distintos, assemelhando-se a ranhuras paralelas e ranhuras em grade, além disso, a área texturizada foi variada nas superfícies. Como referência, foram utilizadas superfícies jateadas com granalha de aço e superfícies jateadas com esferas de vidro. Inicialmente, foi caracterizada a topografia, a tortuosidade, a rugosidade e molhabilidade das superfícies. Posteriormente, as amostras foram revestidas com epóxi anticorrosivo para avaliar a resistência do revestimento à propagação da corrosão e sua adesão ao substrato. Essa avaliação foi realizada por meio de ensaios cíclicos de corrosão acelerada (ISO 12944-9) e de adesão, incluindo os testes de pull-off e o de Shaft Load Blister Test (SLBT). Os resultados dos ensaios de corrosão acelerada demonstraram melhorias significativas nas superfícies de aço ASTM A-36 texturizadas a laser e revestidas com epóxi. As dimensões de ranhuras testadas melhoraram significativamente a resistência à corrosão quando comparadas à superfície não texturizada, alcançando taxas de delaminação de 2 a 10 vezes menores. As taxas de delaminação são menores para a faixa de valores de tortuosidade da superfície de 2,5 a 2,9. Entre as condições testadas, os resultados mostram uma tendência de estabilização das taxas de delaminação para áreas texturizadas maiores, indicando um ponto ótimo para as condições de área texturizada de 50% a 60%. Para condições de área texturizada baixa (10%), apesar de possuir a mesma área texturizada e área de contato efetiva, o design único do padrão em grade parece ser mais eficaz, apresentando uma área danificada 55% menor. Os valores de resistência de adesão foram 50-210% maiores nas superfícies texturizadas a laser em comparação com a superfície microjateada, influência atribuída às intensificadas interações mecânicas na interface revestimento e aço. Ainda, a geometria específica das estruturas das ranhuras modificou a propagação de trincas, afetando a resistência à adesão e os mecanismos de descolamento. Além do mais, os resultados mostram uma tendência inversa entre a resistência à adesão e a taxa de delaminação do revestimento orgânico. Segundo os resultados, dobrar a resistência à adesão reduziu a taxa de delaminação em mais da metade. Este trabalho demonstrou que a texturização a laser é uma técnica eficaz para melhorar a resistência à corrosão e a adesão de revestimentos em superfícies de aço, superando métodos convencionais como o jateamento abrasivo.

Abstract: Organic coatings are commonly used to protect metallic structures exposed to highly corrosive environments, such as those found in offshore marine scenarios. The performance of the coating, particularly regarding its resistance to corrosion propagation, significantly depends on the surface's topography and morphology before application. However, establishing a direct connection between adhesion and corrosion protection is challenging, especially on surfaces with stochastic topography like those obtained through abrasive blasting. The objective of this study is to evaluate the effect of surface topography and morphology on the mechanisms of corrosion propagation on surfaces coated with organic coatings and subjected to humid and corrosive environments, as well as on the mechanical adhesion at the interface between the coating and steel. In this context, the laser texturing process is used to deliberately modify the roughness and topography of the surface in a deterministic manner, creating specific geometries that potentially improve coating adhesion and corrosion resistance. In this way, it was possible to assess how the texture can influence corrosion propagation mechanisms and coating adhesion. The laser texturing process enabled the fabrication of groove topographies on steel surfaces, with variations in groove width and depth in the order of 50 µm, 100 µm, and 200 µm, maintaining equal aspect ratios. The textures were generated in two distinct patterns, resembling parallel grooves and grid-like patterns, also the textured area on the surfaces was varied. Grit-blasted and bead-blasted surfaces were used as reference. Initially, the topography, tortuosity, roughness, and wettability of the surfaces were characterized. Subsequently, the samples were coated with anticorrosive organic coating to evaluate the coating's resistance to corrosion propagation and its adhesion to the substrate. This evaluation was performed through accelerated cyclic corrosion tests (ISO 12944-9) and adhesion tests, including pull-off tests and Shaft Load Blister Test (SLBT). The results of the accelerated corrosion tests demonstrated significant improvements in the laser-textured ASTM A-36 steel surfaces coated with organic coating. The tested groove dimensions significantly improved corrosion resistance compared to the bead-blasted surface, achieving delamination rates ranging from 2 to 10 times lower. The delamination rates are lower for the surface tortuosity values range of 2.5 to 2.9. Among the tested conditions, the results show a tendency for stabilization of delamination rates for larger textured areas, indicating an optimal point for textured area conditions between 50% and 60%. For low textured area conditions (10%), despite having the same textured area and effective contact area, the unique design of the grid-like pattern appears to be more effective, presenting a 55% smaller damaged area. Adhesion strength values were 50-210% higher on laser-textured surfaces compared to the bead-blasted surface, an influence attributed to intensified mechanical interactions at the coating/steel interface. Additionally, the specific geometry of the groove structures modified the crack propagation, affecting adhesion strength and detachment mechanisms. Furthermore, the results show an inverse tendency between adhesion strength and the delamination rate of the organic coating. According to the results, doubling the adhesion strength at the interface reduced the delamination rate by more than half. This work demonstrated that laser texturing is an effective technique for improving corrosion resistance and adhesion of coatings on steel surfaces, with a superior performance than the conventional methods such as abrasive blasting.