التآكل المضاد للكهربة الناتج عن التجويف لطلاء CoCrFeNiAlx المطبق بالتصفيح بالليزر على سطح TC4

حماية السفن من مطرقة الماء الخفية

تتعرض السفن والمعدات البحرية الحديثة باستمرار لتهديد خفي: فقاعات صغيرة في مياه سريعة تتحطم على المعادن مثل مطارق مجهرية. هذه العملية، المسماة التجويف، يمكن أن تأكل الدفّات والمضخات وأجزاء الهيكل، ولا سيما في مياه البحر المالحة حيث تنضم التآكل الكيميائي إلى الهجوم الميكانيكي. تستكشف هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الطلاءات الواقية المصنوعة من سبائك "عالية الإنتروبيا" وتوضح كيف أن ضبط عنصر واحد — الألومنيوم — بعناية يمكن أن يحسّن عمر مكون بحري بشكل كبير.

لماذا يمكن للفقاعات أن تكسر المعدن

عندما يتدفق الماء بسرعة حول هيكل السفينة أو المروحة، قد ينخفض الضغط محليًا لدرجة يتكون فيها فقاعات بخارية فجأة، ثم تنهار على بعد أجزاء من المِليمتر من سطح المعدن. كل انهيار يولد موجة صدم ونفاث ماء عالي السرعة يضرب المعدن بسرعة قد تصل لمئات الأمتار في الثانية. في مياه البحر، تتحول هذه الضربات الميكانيكية الخالصة إلى ضربة مزدوجة: السطح يتعرض لإجهاد، وتتكون تشققات وفتحات صغيرة، وتهاجم التآكلات المدفوعة بالملح هذه النقاط الضعيفة، مما يجعل الضرر ينتشر أسرع وأعمق. حتى سبائك التيتانيوم القوية مثل TC4، المستخدمة عادة في المعدات البحرية، يمكن أن تطور أسطحًا خشنة تشبه قرص العسل وتفقد مادة بسرعة تحت هذا الهجوم المركب.

طبقات جديدة متعددة المعادن لأسطح أقوى

لمواجهة هذه المشكلة، طور الباحثون طبقات قائمة على سبائك CoCrFeNiAlx عالية الإنتروبيا، التي تمزج بين خمسة معادن بكميات متقاربة بدل الاعتماد على عنصر رئيسي واحد كما في الفولاذ. رَشّوا هذه الطلاءات على التيتانيوم TC4 باستخدام التصفيح بالليزر، وهي عملية تذيب طبقة سطحية رقيقة وتندمج فيها مسحوقات المعادن لتكوّن طبقة كثيفة وملتحمة بسمك يقارب 700 ميكرومتر. بزيادة محتوى الألومنيوم تدريجيًا، أمكنهم جعل البنية الداخلية تتحول من طور أحادي أكثر مرونة إلى مزيج من الأطوار ثم إلى طور أكثر صلابة وتصلبًا. يتبيّن أن هذه "الهندسة" الداخلية — كيفية ترتيب الحبوب والأطوار — أمر حاسم لمقاومة كل من الاصطدام والتآكل.

إيجاد منطقة التوازن في محتوى الألومنيوم

بعد ذلك اختبر الفريق مدى سرعة فقد العينات المطلية وغير المطلية للكتلة عند تعرضها لتجويف شديد، أولاً في ماء نقي ثم في ماء البحر الاصطناعي. كما درسوا سهولة بدء وانتشار التآكل باستخدام تقنيات كهربائية كيميائية. برز نمط واضح: مع زيادة الألومنيوم تحسنت المقاومة ضد التجويف والتآكل في البداية ثم ساءت لاحقًا. قدم تركيب موسوم CoCrFeNiAl0.2 أفضل أداء إجمالي. بالمقارنة مع TC4 العاري في الماء المقطر، فقد هذا الطلاء حوالي 5% فقط من المادة بعد 24 ساعة من التجويف. في ماء البحر، حيث كان الضرر أسوأ بنحو 100 مرة عمومًا، ظل الطلاء المحسّن يتفوق على التيتانيوم بشكل كبير، مظهراً أضحل الحفر وأملس الأسطح.

كيف يقاوم الطلاء الهجوم

كشفت الصور المجهرية وقياسات الصلابة سبب فعالية هذا التكوين تحديدًا. بنيته الداخلية المختلطة توفق بين القوة واللدونة: فهي قوية بما يكفي لمقاومة الانطباع الناتج عن اصطدامات الفقاعات، لكنها تظل قادرة على التشوه قليلًا وامتصاص الطاقة بدل التصدّع. تحت انهيارات الفقاعات المتكررة، تصبح الطبقة العلوية من الحبوب أدق وأكثر كثافة، ما يؤدي فعليًا إلى تصلب السطح أكثر. في الوقت نفسه، يتفاعل الألومنيوم والكروم في الطلاء مع الأكسجين لتشكيل طبقة أكسيد رقيقة ومكتظة من Al₂O₃ وCr₂O₃. تعمل هذه الطبقة كدرع يتكون ذاتيًا، وتبطئ التآكل وتساعد على عرقلة نمو الحفر والتشققات. عندما يزيد الألومنيوم أكثر من اللازم، يصبح الطلاء مهيمنًا بطور أكثر صلابة يفقد اللدونة، فلا يعود قادرًا على تلطيف الصدمات ويبدأ في المعاناة من أضرار أكثر عمقًا وهشاشة.

ما يعنيه هذا للسفن والمعدات البحرية

من خلال ضبط عنصر واحد فقط في طلاء متعدد المعادن بعناية، يبيّن المؤلفون أنه من الممكن إطالة عمر مكونات التيتانيوم العاملة في مياه البحر القاسية بشكل ملحوظ. يجمع طلاء CoCrFeNiAl0.2 بين بنية داخلية ملائمة وطبقة أكسيد واقية، محدِّداً كلًا من التآكل الميكانيكي الناتج عن التجويف والهجوم الكيميائي المضاف من الأملاح. بالنسبة لبنائي السفن، ومصممي التوربينات، والمهندسين البحريين، يشير هذا العمل إلى طلاءات لا تكتفي بتحمل ضربات المحيط المستمرة فحسب، بل تبطئ أيضًا التآكل الخفي الذي يليها. عمليًا، يعني ذلك معدات أكثر أمانًا، إصلاحات أقل، واستخدامًا أكثر كفاءة للمواد والطاقة طوال عمر السفينة.

الاستشهاد: Gao, PH., Liu, J., Chen, BY. et al. Anti-cavitation corrosion of laser-cladded CoCrFeNiAl_x on TC4 surface. npj Mater Degrad 10, 46 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00758-z

الكلمات المفتاحية: تآكل التجويف, تآكل بحري, سبائك عالية الإنتروبيا, طبقات واقية, سبائك التيتانيوم