سلوك التآكل الحراري والأكسدة الدورية لطبقات مركبة CoMoCrSi + Cr₃C₂ على فولاذ MDN 420 بعملية الرش HVOF

حماية المعادن في درجات حرارة قاسية

تعمل المحركات الحديثة ومحطات الطاقة والغلايات الصناعية في درجات حرارة عالية وفي ظروف متآكلة تجعل أجزاءها المعدنية تحترق حرفياً مع مرور الوقت. استبدال هذه المكونات مكلف ومحفوف بالمخاطر. تستكشف هذه الدراسة طلاءً وقائياً خاصاً يُرَشّ على فولاذ شائع عالي المتانة، يهدف إلى منع تلك الأجزاء من الصدأ والتشقق والتفتت عند التعرض لحرارة شديدة وترسبات ملحية عدائية.

لماذا ينهار المعدن الساخن

في العديد من التوربينات والغلايات والمصانع الكيميائية، تتعرض الأجزاء المعدنية لدرجات حرارة مرتفعة ومواد كيميائية متآكلة في آنٍ واحد. يشكل الأكسجين في الهواء بطبقات أكاسيد ببطء، بينما يمكن للأملاح المصهورة — الناتجة مثلاً عن شوائب الوقود التي تحتوي على الصوديوم والفاناديوم — مهاجمة هذه الأكاسيد وفتح مسارات سريعة لمزيد من الضرر. يزداد وزن الفولاذ العاري المعرض لمثل هذه الظروف نتيجة نمو قشور أكسيدية سميكة ومتقشرة، ثم يفقد مادته عندما تنفصل هذه القشور. مع مرور الزمن يؤدي هذا التكرار من النمو والتقشر إلى ترقق وتشقق وفشل المكونات الحرجة.

درع جديد قوي للفولاذ

ركز الباحثون على فولاذ MDN 420، وهو فولاذ مقاوم للصدأ مارتنسيتي يُستخدم في تطبيقات متطلبة، وغطوه بطبقة مركبة مصنوعة من الكوبالت والمولبيدنيوم والكروم والسيليكون، معززة بجسيمات كربيد الكروم الصلبة. باستخدام مسدس رش عالي السرعة بالأكسجين والوقود (HVOF)، قذفوا هذه المسحوق بسرعات تفوق الصوت على صفائح الفولاذ، مكونين طبقة كثيفة بسمك يقارب اثنين من أعشار المليمتر. أدى التحكم الدقيق في عملية الرش إلى طلاء منخفض المسامية وذو خشونة سطح مناسبة لمقاومة الانهاك. أظهرت الفحوصات المجهرية بنية مدمجة مع توزيع جيد للجسيمات الصلبة ووجود شقوق ومسامات صغيرة فقط، بينما كشفت اختبارات الصلابة أن السطح المطلي أصبح أكثر من ثلاثة أضعاف صلابة الفولاذ الأساسي.

كيف يقاوم الطلاء الحرارة والملح

لاختبار فعالية الطلاء، خضعت عينات مطلية وغير مطلية لتسخين متكرر حتى 700 °م ثم تبريد، إما في الهواء (لاختبار الأكسدة) أو في مزيج من كبريتات الصوديوم وأكسيد الفاناديوم المذاب (لاختبار التآكل الحراري). في الهواء، شجع الطلاء نمو طبقات رقيقة ومستمرة من أكسيد الكروم والسيليكا على سطحه. عملت هذه الطبقات كجلد محكم يبطئ انتشار الأكسجين نحو الداخل ويختم الفجوات الدقيقة بين رقائق الرش. نتيجة لذلك، اكتسبت العينات المطلية وزناً أقل بكثير من الفولاذ العاري، ما يعني تراكم أكاسيد أقل بكثير، وبقي معدل أكسدتها منخفضاً ومستمراً خلال 50 دورة.

ماذا يحدث في حمام الملح

كانت اختبارات الأملاح المذابة أكثر عدائية بكثير، مقلدة ظروف الغلايات والتوربينات التي قد تذوب فيها مركبات الصوديوم والفاناديوم وتبلل الأسطح المعدنية الساخنة. هنا، تفوق الطلاء أيضاً على الفولاذ العاري: كانت زيادة الأوزان ومعدلات التآكل أقل بكثير. ومع ذلك، أظهرت التحليلات التفصيلية أن المالِح لم يبقَ ببساطة على السطح؛ بل تفاعل مع أكاسيد المولبيدنيوم والكروم داخل الطلاء لتكوين مركبات معقدة من الملح والأكسيد. نشأت مراحل جديدة، مثل مومات الصوديوم وفانادات الصوديوم، خلَّفت قشوراً مسامية وهشة يسهل كسرها. تشكلت شقوق وحفر مع تبخر أكاسيد المولبيدنيوم المتطايرة وانفصال الجلد الواقي محلياً، مما كشف مواداً جديدة لهجوم لاحق.

موازنة المتانة والعمر الطويل

بشكل عام، قلل الطلاء إلى حد كبير من معدلات الأكسدة والتآكل الحراري مقارنةً بفولاذ MDN 420 العاري — حيث كانت ثابتاته القياسية للمعدل أقل بعدة مرات. يتيح الجمع بين مصفوفة قوية قائمة على الكوبالت، وجسيمات كربيد صلبة، وأكاسيد واقية تتشكل ذاتياً للفولاذ المطلي تحمل درجات حرارة مرتفعة وأملاح متآكلة لفترات أطول. ومع ذلك تكشف الدراسة أيضاً حدود هذه الحماية: حيث تولد التفاعلات الناتجة عن الأملاح والأكاسيد المتطايرة مسامات وقشور ضعيفة، يتراكم الضرر تدريجياً. للخلاصة العامة، يمكن تشبيه ذلك بأن الطلاءات المصممة بذكاء تعمل كدروع مقاومة للحريق والمواد الكيميائية لأجزاء المعادن الساخنة، مما يمنح وقت تشغيل أطول قبل الفشل — لكن هذه الدروع تحتاج إلى مزيد من التحسين، مثلاً بسد المسام أو تعديل التركيب، لتحمل أقسى البيئات المشبعة بالأملاح.

الاستشهاد: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

الكلمات المفتاحية: طبقات حرارية عالية الحرارة, التآكل الحراري, مقاومة الأكسدة, الرش الحراري, حماية الفولاذ المقاوم