对于用于车辆和飞机的材料来说，长期的防腐是至关重要的，以确保在极端操作条件下的结构完整性。两种化学预处理工艺被广泛应用于工业环境中，用于制备涂层附着力和保护铝合金表面免受腐蚀。虽然受到严格管制，但这两种工艺都使用了大量具有已知环境和健康风险的有害化合物。
美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的一个多学科科学家团队应用了一种激光干涉结构(简称LIS)技术，该技术在消除对这些危险化学品的需求方面取得了重大进展。LIS方法的新应用响应了美国国防部对军用车辆和飞机系统腐蚀防护非化学替代品的研究项目的呼吁。
铬酸盐转换涂层，或称CCC，使用六价铬，一种已知的致癌物质，以抑制腐蚀。硫酸阳极氧化(SAA)使用硫酸，可严重刺激皮肤和眼睛，吸入后可导致永久性肺损伤。每年有数百万加仑用过的化学溶液作为危险废物被处理掉。
军方拥有1.2万多架飞机、1万辆坦克、数百艘舰船以及大量其他车辆和武器系统。国防部拥有并运营数百家制造和维修这些车辆和设备的工业设施，每年在防腐方面的支出超过200亿美元。该机构的战略环境研究与发展计划，或称SERDP，是与能源部和环境保护署一起计划和执行的，“专注于开发替代技术，以消除对环境有影响的材料和工艺，”SERDP及其姊妹项目“环境安全技术认证项目”的项目经理罗宾·尼桑说。
“我们的防御系统需要维修和翻新，”他说。“我们的项目正在投资开发替代工艺，以确保稳健的性能，可持续的做法，并消除环境风险。”
在连续三篇论文中，ORNL材料科学家Adrian Sabau和一组化学家和制造科学家描述、演示和分析了LIS技术，并将其性能与传统的溶剂密集型方法进行了比较。这项研究的共同作者包括橡树岭国家实验室的Jiheon Jun, Mike Stephens, Dana McClurg, Harry Meyer III, Donovan Leonard和Jian Chen。
Sabau专门从事金属铸造和凝固等材料加工，他和他的团队最近完成了一个利用LIS在汽车应用中进行粘接的项目。当他读到国防部关于非溶剂表面制备研究的呼吁时，Sabau认识到类似的技术也可以有效地提高涂层的附着力。
在他们的实验中，他们将一束纳秒脉冲激光的主光束分裂成两束，并将它们聚焦在试样表面的同一点上，从而对铝合金薄板进行处理。该工艺使周期性结构的表面变得粗糙，改变了表面化学性质和亚表面微观结构。
“在激光加工中，你会在表面上影响大量的能量，我们需要了解基片上发生了什么。它是损坏了吗?裂纹吗?是否存在不利于腐蚀防护的微观结构效应?”Sabau说。
物理化学家迈耶和显微镜学家伦纳德对《光学与激光技术》中概述的表征工作做出了贡献。Meyer使用x射线光电子能谱(XPS)进行了表面化学分析。
迈耶说:“XPS是一种材料表征技术，可以确定固体材料表面(最上面的5到8纳米)上有哪些元素。”“在激光加工之前，XPS被用于确定接收到的铝合金板材的化学成分，其中显示了大量的碳。再次使用XPS来确定激光处理是否清洁了表面。结果表明，碳排放量显著减少，这是我们的关键发现之一。XPS和电子显微镜的结果帮助我们了解天然氧化物是如何通过激光加工改变的。”
Sabau补充道:“在研究地下特征时，我们偶然发现了一个有益的方面。在最上层，我们看到富铜沉淀物的溶解，在那里可以引发腐蚀。”
铝合金板材清洗后，表面能量往往会使涂层无法正确粘附，这是工业表面涂层的一个已知问题。该团队的下一篇论文发表在《国际粘附与粘合剂杂志》上，研究了涂层的粘附性，发现LIS方法提供了与行业标准和溶剂密集型CCC和SAA技术一样的粘附性。基于LIS技术的涂层附着力专利于2021年获得。
在黏附研究中，McClurg对材料进行了轮廓测量，这是一种绘制表面轮廓并提供粗糙度测量的技术。
发表在《腐蚀:科学与工程杂志》(Corrosion: The Journal of Science and Engineering)上的第三篇论文，概述了Sabau的团队使用美国军方用于飞机机翼和机身的环氧底漆进行的最终测试。
技术人员Mike Stephens完成了一项精细且时间敏感的任务，即在经过不同处理的合金薄板上，按照严格的国防部要求喷涂底漆和面漆。然后，他将样本暴露在2000小时的盐雾中，以检测多个时期的耐腐蚀性。Jun领导了腐蚀测试，研究了lis制备的表面与常规制备的合金基材相比，有或没有底漆和面漆。
“激光干涉处理的基底表现出更高的耐腐蚀性，”Jun说，他将这一结果归因于富铜沉淀的溶解。然而，在涂有底漆或底漆和面漆的样品上，LIS的效果不如化学溶剂技术，一些样品在盐雾暴露96小时内出现水泡。然而，这些水泡很小，经过数百小时的暴露仍保持稳定。
研究小组测试了第二组样品，这些样品在涂底漆前简单地用丙酮擦拭，几乎没有腐蚀，而且水泡的形成延迟了数百小时。
Jun说，进一步的研究来优化LIS是值得的。
他说:“我们的研究方法结合了实验室规模的电化学测量和工业采用的ASTM(美国材料测试协会)盐雾测试，非常成功，有助于深入了解激光干涉处理的效果。”
“对于在环境温度下进行的没有溶剂的过程，大多数样品表现得非常好，”Sabau说。“这项技术是朝着非化学强化涂层表面准备的正确方向迈出的一大步。”
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