تأثير اللحام بالليزر متعدد الطبقات على البنية الدقيقة ومقاومة التآكل لطبقات SiC/Ni60A

إطالة عمر أجزاء القطارات

تعتمد القطارات الحديثة على أجزاء فولاذية تتحمل أحمالاً كبيرة—محاور، وتروس، ومحامل—تتعرض لصدمات وبيئات قاسية. استبدال هذه المكونات الكبيرة مكلف ويهدر المواد. تستكشف هذه الدراسة طريقة لإعادة بناء الأسطح الفولاذية المتآكلة بغطاء واقٍ مطبق بالليزر، بهدف جعل الإصلاحات أقوى، وأكثر ديمومة، وأكثر اقتصادية لصناعة السكك الحديدية والصناعات الثقيلة الأخرى.

بناء غطاء جديد بالضوء

يركز الباحثون على طريقة إصلاح تُسمى اللحام بالليزر بالترسيب (cladding)، حيث يذيب ليزر قوي تياراً من مسحوق المعدن على سطح الفولاذ المتضرر، مكوِّناً طبقة ملتحمة بقوة. يستخدمون فولاذاً إنشائياً شائعاً (AISI 1045) ويغطونه بسبيكة قائمة على النيكل تُدعى Ni60A، مخلوطة بجسيمات صلبة جداً من كربيد السيليكون (SiC). بدلاً من تمريرة واحدة فقط، يقومون بتراكم ما يصل إلى أربع طبقات من هذا الطلاء المركب للوصول إلى السمك المطلوب عندما يكون الضرر الأصلي عميقاً—بمقدار ملليمتر أو أكثر. السؤال المركزي هو كيف يغير إضافة طبقات أكثر البنية الداخلية وما يترتب عليها من مقاومة التآكل.

ما الذي يحدث داخل الطلاء

من خلال قطع وتلميع المقطع العرضي للفولاذ المرمم وفحصه بواسطة المجاهر وتحليل الأشعة السينية، يكشف الفريق أن الطلاء أبعد ما يكون عن البساطة. تحت حرارة الليزر الشديدة، تتحلل جزئياً جزيئات SiC، وتتفاعل عناصرها مع النيكل والحديد والكروم من المسحوق والفولاذ أدناه. هذا يُنشئ خليطاً من جسيمات مجهرية شديدة الصلابة—كربيدات ومركبات سيلسيدية—مضمنة في مصفوفة معدنية غنية بالنيكل. في الطلاءات ذات الطبقة الواحدة، تهيمن بنية بلورية صغيرة الشكل تقريباً. عندما تُضاف الطبقة الثانية والثالثة، تزداد أنماط البلورات الشجرية المعروفة بالدندرايتات، وتميل الجسيمات الصلبة إلى التجمّع عند حدود الحبيبات وداخل الشقوق.

الشقوق والمسام والضغوط الخفية

زيادة عدد الطبقات تعني أن كل تمريرة جديدة تعيد تسخين الطبقات السابقة مراراً. تعمل دورات التسخين المتكررة هذه كأنها سلسلة من المعالجات الحرارية السريعة وغير المتكافئة. النتيجة هي تراكم ضغوط متبقية وحبسها وتكوين عيوب داخلية دقيقة. تُظهر القياسات أن الضغوط الشدية—التي تشد المادة—عالية بشكل خاص عند واجهات الطبقات، لتصل إلى نحو 350 ميغاباسكال بين الطبقة الأولى والثانية. في الوقت نفسه، يزداد عدد المسام وعرض وعدد الشقوق بشكل ملحوظ عند الانتقال من طبقة واحدة إلى أربع طبقات. في الطلاءات الأثخن، تتبع الشقوق مسارات مستقيمة عبر مناطق هشة غنية بالجسيمات الصلبة، وهو دليل على أن البنية المحلية أصبحت قوية لكن هشة.

الصلابة والتآكل والنقطة المثلى

يقيس الفريق كيف تؤثر هذه التغيرات الداخلية على الأداء عبر قياس الصلابة عبر الطلاء وإجراء اختبارات تآكل بكرة سير صلبة من السيراميك تنزلق على السطح. تظهر الطبقة الواحدة أو المزدوجة صلابة عالية للغاية مقارنة بالفولاذ الأصلي، لكن إضافة مزيد من الطبقات تُلَيِّن الطلاء ككل تدريجياً. كل طبقة جديدة تقوم جزئياً بتلطيف—بمعنى تليين—الطبقات أدناها، والحرارة الزائدة تشجع تكوّن أطوار أكثر هشاشة ومزيد من العيوب. تبرز الطبقة المزدوجة: إذ تبلغ صلابتها المتوسطة نحو 4.3 أضعاف صلابة الفولاذ الأساسي، وفقدان الوزن في اختبارات التآكل يقارب خُمس ما يفقده المعدن غير المطلي. مع ثلاث وأربع طبقات، يزداد فقدان التآكل مجدداً لأن الشقوق والمسام والجسيمات الهشة تعزز التقشر المحلي تحت الاحتكاك الانزلاقي. عبر جميع الطبقات، النمط الرئيسي للتآكل هو التآكل الالتصاقي، حيث تلتحم بقع مجهرية من المادة لفترات وجيزة ثم تُمزق، مع وجود خدوش كشطية احتكاكية فوق ذلك.

إيجاد استراتيجية إصلاح عملية

بالنسبة للمهندسين الراغبين في إصلاح أجزاء القطارات المتآكلة بعمق بدل استبدالها، تشير هذه الدراسة إلى قاعدة تصميم واضحة. يمكن لطلاءات SiC/Ni60A المرسوبة بالليزر أن تحسّن الصلابة ومقاومة التآكل بشكل كبير، لكن المزيد من الطبقات ليس دائماً أفضل. للضرر الأعمق من نحو نصف ملليمتر، توفر طبقتان أو ثلاث كحد أقصى—بسمك إجمالي يتراوح بين 1.5 و2.5 ملليمتر—أفضل توازن بين حماية قوية وتشقق وضغوط داخلية قابلة للإدارة. بعد ذلك، يؤدي زيادة السمك إلى عوائد متناقصة ومخاطر متزايدة من العيوب. باختصار، يمكن للحَذاق في التحكم باللحام بالليزر متعدد الطبقات أن يحول الأسطح الفولاذية المتعبة إلى مكونات متينة وطويلة العمر، شرط اختيار عدد الطبقات مع مراعاة الضغوط الداخلية والبنية الدقيقة للطلاء.

الاستشهاد: Wang, Z., Qi, C. & Wang, K. Effect of multilayer laser cladding on the microstructure and wear resistance of SiC/Ni60A coatings. Sci Rep 16, 13761 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43832-x

الكلمات المفتاحية: اللحام بالليزر, طبقات مقاومة للتآكل, مكونات السكك الحديدية, سبائك قائمة على النيكل, تعزيز بكربيد السيليكون