Development of multifunctional coatings for the naval industry

Abstract

A indústria naval, responsável pelo transporte marítimo de produtos, representa uma grande importância na economia mundial e, desta forma, é crucial preservar as suas estruturas durante o máximo período de tempo, evitando constantes intervenções de manutenção. O ambiente marinho é bastante agressivo, pelo facto de ser extramente corrosivo, especialmente em grades e filtros de aço. Estas estruturas capturam micro-organismos que se vão acumulando, sendo arrastados para outros habitats marinhos, prejudicando a fauna e flora do oceano. Este fenómeno é definido como o biofouling. De facto, a corrosão, comum em metais que são expostos ao ambiente marinho e, em conjunto com o biofouling, provoca o aumento de paragens para manutenção e, consequentemente, aumento nos custos de operação.Com esta preocupação, o presente trabalho envolveu o estudo e desenvolvimento de revestimentos anticorrosivos que irão ser a base para um revestimento com atividade antimicrobiana, que irá proteger as grades de agentes corrosivos e organismos que causam biofouling. Este revestimento base, constituído por nitreto de zircónio (ZrN), deve ter boas propriedades mecânicas tais como dureza e força de adesão e, por outro lado, boa resistência à corrosão que é influenciada pelas propriedades químicas, físicas e estruturais. O desenvolvimento dos revestimentos de ZrN foi feito através de pulverização catódica em magnetrão, uma técnica de Deposição Física por Vapor. Foram utilizadas duas fontes de energia para obter os filmes através desta tecnologia. Fonte de corrente direta (DCMS) e fonte de alta potência pulsada (HiPIMS - DOMS). Foi concluído que o uso de HiPIMS melhorou bastante as qualidades morfológicas dos filmes, assim como as propriedades mecânicas e corrosivas, através da deposição de filmes com uma morfologia densa, superfícies com baixa rugosidade, superfícies hidrofóbicas e baixas taxas de corrosão, apesar das baixas taxas de deposição. Especialmente os filmes depositados por HiPIMS e com alta percentagem de azoto constituíram uma boa proteção contra a corrosão, assim como uma melhoria geral nas propriedades quando comparado com o substrato sem revestimento.

The naval industry, responsible for maritime transport, represents a major weight in the worldwide economy, thus, it is crucial to preserve its structures for the longest time possible, avoiding constant maintenance interventions. The marine environment is known to be very aggressive being an extreme corrosive environment, mainly for sea chest gratings and filters. Moreover, these structures catch micro-organisms that get attached and accumulate in the gratings, getting dragged into other marine habitats and harming the fauna and flora of the sea. This phenomenon is defined as biofouling. Indeed corrosion, common in metals exposed to sweater and, together with biofouling, provoke important increasing in maintenance time stops and hence, a rise in the operation costs. With this concern, the present work involved the study and development of anticorrosive coatings that would be the baseline for an anti-biofouling coating, that would protect the sea chest gratings from corrosive agents and biofouling. This base coating, formed by zirconium nitride (ZrN), was expected to have good mechanical properties such as hardness and adhesion strength, and on the other hand, good corrosion resistance influenced by the chemical, physical and structural properties. The development of the ZrN coatings was performed by reactive magnetron sputtering (MS) technology, a Physical Vapor Deposition (PVD) technique. Two different power sources were applied to obtain the films through this technology. Direct Current (DCMS) and High-Power Impulse (HiPIMS – DOMS). The use of HiPIMS improved, in general, the morphological quality of the films, mechanical and anticorrosive properties, by the deposition of films with a dense morphology, low surface roughness, hydrophobicity and low corrosion rates, although having lower deposition rates. It was concluded that films deposited by HiPIMS with high nitrogen content, present a good protection against corrosion, as well as an improvement in general terms of all properties when compared to the uncoated substrate.