پوشش‌های نانوساختار برای آلیاژهای آلومینیوم هوافضا

آلیاژهای آلومینیوم، به ویژه سری‌های 2xxx (Al-Cu) و 7xxx (Al-Zn-Mg)، به دلیل نسبت استحکام به وزن فوق‌العاده، ستون فقرات صنعت هوافضا هستند. این آلیاژها در ساخت بدنه، بال‌ها، و اجزای سازه‌ای حیاتی هواپیماها و ماهواره‌ها به کار می‌روند. با این حال، این آلیاژها در برابر خوردگی، به خصوص در محیط‌های مرطوب و حاوی یون کلرید، و همچنین در برابر سایش و آسیب‌های محیطی در مدارهای پایین زمین (LEO) آسیب‌پذیر هستند. سیستم‌های پوششی سنتی مبتنی بر کرومات، با وجود کارایی بالا، به دلیل سمیت و خطرات زیست‌محیطی در حال حذف شدن هستند، که این امر نیاز فوری به توسعه جایگزین‌های پیشرفته و سازگار با محیط زیست را ایجاد کرده است. فناوری نانو با ارائه پوشش‌های نانوساختار، راهکارهای انقلابی برای این چالش ارائه داده است.

فناوری‌های پیشرفته پوشش‌دهی نانوساختار

پوشش‌های نانوساختار با مهندسی مواد در مقیاس نانومتر، خواص سطحی آلیاژهای آلومینیوم را به سطحی بی‌سابقه ارتقا می‌دهند. چندین فناوری کلیدی در این حوزه پیشرو هستند:

• آندایزینگ نانوساختار (Hard Anodizing): این فرآیند الکتروشیمیایی با کنترل دقیق پارامترها (مانند ولتاژ، دما و ترکیب الکترولیت)، یک لایه اکسید آلومینیوم (Al2​O3​) بسیار سخت، متراکم و با ساختار متخلخل نانومتری بر روی سطح ایجاد می‌کند. این لایه به عنوان یک زیرساخت ایده‌آل برای مراحل بعدی پوشش‌دهی عمل می‌کند.
• لایه‌نشانی اتمی (Atomic Layer Deposition – ALD): فناوری ALD یک روش لایه‌نشانی بخار شیمیایی است که امکان رشد لایه‌های بسیار نازک (در حد نانومتر)، یکنواخت، بدون عیب (pinhole-free) و کاملاً همدیس (conformal) را حتی بر روی سطوح با هندسه پیچیده فراهم می‌کند. این ویژگی، ALD را برای آب‌بندی (sealing) منافذ نانومتری لایه‌های آندایز شده و ایجاد یک سد محافظ نهایی، بی‌نظیر می‌سازد.  
• فرآیند سل-ژل (Sol-Gel): این روش شیمیایی در دمای پایین، امکان ایجاد پوشش‌های هیبریدی آلی-معدنی را فراهم می‌کند. این پوشش‌ها چسبندگی عالی به زیرلایه آلومینیومی دارند و می‌توانند به عنوان حامل برای بازدارنده‌های خوردگی عمل کنند.
• آلیاژسازی سطحی با لیزر (Laser Surface Alloying – LSA): در این روش، یک پرتو لیزر پرانرژی برای ذوب یک لایه نازک از سطح آلیاژ به همراه پودرهای افزودنی (مانند SiC, TiC, Ni) استفاده می‌شود. انجماد سریع مذاب، یک لایه سطحی آلیاژی با ریزساختار نانومتری و خواص مکانیکی و مقاومت به سایش بسیار بالا ایجاد می‌کند.

هم‌افزایی فناوری‌ها: رویکرد دو مرحله‌ای آندایزینگ و ALD

یکی از موفق‌ترین و نوآورانه‌ترین راهکارها، ترکیب دو مرحله‌ای “آندایزینگ سخت” و “لایه‌نشانی اتمی” است.  

1. مرحله اول (آماده‌سازی زیرلایه): ابتدا، سطح آلیاژ آلومینیوم (مانند AA2024-T3) تحت فرآیند آندایزینگ سخت در دمای پایین (مثلاً ۱ درجه سانتی‌گراد) و ولتاژ کنترل‌شده قرار می‌گیرد. این کار یک لایه اکسید آلومینیوم متخلخل (AAO) با سختی و چگالی بالا ایجاد می‌کند.  
2. مرحله دوم (آب‌بندی و پوشش‌دهی): سپس، لایه متخلخل ایجاد شده با استفاده از فناوری ALD در دمای پایین (مثلاً ۱۲۵ درجه سانتی‌گراد) با یک یا چند لایه نانومتری از اکسیدهای سرامیکی مانند Al2​O3​، TiO2​ یا نانولایه‌های چندتایی Al2​O3​/TiO2​ آب‌بندی و پوشش داده می‌شود.  

این رویکرد ترکیبی، مزایای هر دو فناوری را به کار می‌گیرد: سختی و چسبندگی لایه آندایز شده با خواص سدکنندگی بی‌نقص و همدیس لایه ALD.

نتایج و بهبود عملکرد

پوشش‌های نانوساختار تولید شده با این روش‌های پیشرفته، بهبود چشمگیری در عملکرد آلیاژهای آلومینیوم هوافضا ایجاد می‌کنند:

• مقاومت به خوردگی فوق‌العاده: پوشش نانولایه Al2​O3​/TiO2​ که با این روش دو مرحله‌ای تولید شده، پس از ۱۰۰۰ ساعت آزمون پاشش نمک (Salt Spray Test) هیچ نشانه‌ای از خوردگی از خود نشان نمی‌دهد. این پوشش‌ها با جلوگیری کامل از نفوذ یون‌های خورنده به سطح فلز، از خوردگی حفره‌ای (Pitting Corrosion) نیز جلوگیری می‌کنند.  
• سختی و مقاومت به سایش بی‌نظیر: سختی سطح این پوشش‌ها به GPa 5.5 می‌رسد که به طور قابل توجهی بالاتر از سختی خود آلیاژ است. این سختی بالا، مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر سایش و خراش ایجاد می‌کند.  
• مقاومت در برابر محیط فضا: این پوشش‌ها در برابر اکسیژن اتمی (که در مدارهای پایین زمین یک عامل مخرب است) مقاومت بسیار بالایی دارند و پس از شبیه‌سازی یک سال قرارگیری در معرض این شرایط، تنها آسیب‌های نانومتری ناچیزی را نشان می‌دهند.  

این پیشرفت‌ها نه تنها طول عمر و قابلیت اطمینان قطعات حیاتی هوافضا را افزایش می‌دهند، بلکه راه را برای طراحی سازه‌های سبک‌تر و کارآمدتر در آینده هموار می‌سازند.