התנגדות לבלאי עקב קביטציה וקורוזיה של ציפויי CoCrFeNiAlx בלייזר על משטח TC4

הגנה על ספינות מפגיעה בלתי נראית של מים

ספינות וציוד חופי מודרניים עומדים כל הזמן בפני איום סמוי: בועיות זעירות במים זורמים שפוגעות במתכת כמו פטישי-מיקרו. תהליך זה, הקרוי קביטציה, עלול לשחוק פרופלורים, משאבות ורכיבי גוף ספינה, במיוחד במי ים מלוחים שבהם קורוזיה כימית מצטרפת להתקפה. המחקר הזה בוחן סוג חדש של ציפוי מ"סגסוגות בעלות אנטרופיה גבוהה" ומראה כיצד כוונון מדוד של רכיב אחד — אלומיניום — יכול לשפר באופן דרמטי את חיי הרכיב הימי.

מדוע בועות יכולות לשבור מתכת

כאשר מים זורמים במהירות סביב גוף ספינה או פרופלור, הלחץ המקומי יכול לרדת עד לנקודה שבה נוצרות בועות אדי מים המקרסות פתאום במרחק של אלפית מילימטר מהמשטח המתכתי. כל התמוטטות מייצרת גל הלם וזרם מים במהירות גבוהה הפוגע במתכת בעוצמות של עד מאות מטרים לשנייה. במי ים, המלחים המומסים הופכים את ההתקפה המכאנית לדו־שלבית: פני השטח נלחצים, נוצרים סדקים ומכתשים זעירים, וקורוזיה מונעת מלח תוקפת את הנקודות החלשות האלה, מה שמאיץ את התפשטות הנזק לעומק ולרוחב. גם סגסוגות טיטניום חזקות כגון TC4, הנפוצות בציוד ימי, עלולות לפתח משטחים מחוספסים בדמוי כוורת ולאבד חומר במהירות תחת שילוב התקפות זה.

ציפויים מרובי־מתכות למשטחים עמידים יותר

כדי להילחם בתופעה, החוקרים פיתחו ציפויים המבוססים על סגסוגות CoCrFeNiAlx בעלות אנטרופיה גבוהה, שמערבבות חמישה מתכות בכמויות דומות במקום להישען על יסוד יחיד כמו בפלדה. הם השימו את הציפויים על טיטניום TC4 באמצעות הלייזר קלדינג, תהליך הממיס שכבת שטח דקה וממזג לתוכה אבקת מתכת ליצירת שכבה דחוסה ומודבקת בעובי של כ־700 מיקרומטר. על ידי הגדלת תכולת האלומיניום בהדרגה, המבנה הפנימי השתנה משלב יחיד וגמיש יותר לתערובת של שלבים ובהמשך לשלב קשה וקשיח יותר. ה"ארכיטקטורה" הפנימית הזו — אופן סידור הגרעינים והשלבים — התבררה כחשובה להתנגדות גם לזעזועים מכאניים וגם לקורוזיה.

מציאת נקודת האיזון בתכולת האלומיניום

הקבוצה בדקה לאחר מכן כמה מהר המדגם המצופה והמדגם החשוף איבדו מסה כאשר נחשפו לקביטציה אינטנסיבית, תחילה במים מזוקקים ואחר כך במי ים מלאכותיים. הם בחנו גם עד כמה קל לקורוזיה להתחיל ולהתפשט באמצעות טכניקות אלקטרוכימיות. דפוס ברור התגלה: עם עליית תכולת האלומיניום, ההתנגדות לקביטציה ולקורוזיה השתפרה תחילה ואז החמירה. הרכב שסומן CoCrFeNiAl0.2 הציע את הביצועים הטובים ביותר בסך הכל. בהשוואה ל‑TC4 החשוף במים מזוקקים, ציפוי זה איבד רק כ‑5% מהחומר לאחר 24 שעות של קביטציה. במי ים, שבהם הנזק היה כ‑100 פעם גדול יותר באופן כללי, הציפוי המותאם עדיין התבלט בהישגים גבוהים בהשוואה לטיטניום, והציג את המכתשים השטחיים השפלים ביותר ואת המשטח החלק ביותר.

כיצד הציפוי נלחם בחזרה

דימות מיקרוסקופי ומדידות קשיות חשפו מדוע פורמולציה זו כל כך יעילה. המבנה הפנימי המעורב שואף לאיזון בין חוזק לבין פלסטיות: הוא חזק דיה להתנגד לשקעי הדחיסה של פגיעות הבועות אך עדיין מסוגל לעוות מעט ולספוג אנרגיה במקום לסדוק. תחת התמוטטות בועות חוזרת ונשנית, השכבה העליונה של הגרעינים מתעבה והופכת לדקה וצפופה יותר, מה שמקשיח בפועל את המשטח עוד יותר. במקביל, האלומיניום והכרום בציפוי מגיבים עם חמצן ויוצרים סרט תחמוצתי דק וצפוף של Al₂O₃ ו‑Cr₂O₃. סרט זה מתפקד כשריון היוצר עצמו, מאט את תהליך הקורוזיה ועוזר לחסום את גדילת המכתשים והסדקים. עם זאת, כאשר כמות האלומיניום גבוהה מדי, הציפוי נשלט על ידי שלב קשיח יותר שאיבד פלסטיות, ולכן אינו יכול יותר לרכך את המכות ומתחיל לסבול נזקים עמוקים ושבירים יותר.

מה המשמעות עבור ספינות וציוד חופי

על ידי כוונון מדוד של יסוד אחד בלבד בציפוי מרובי־מתכות, המחברים מראים שניתן להאריך משמעותית את חיי הרכיבים הטיטניים העובדים בתנאי מי ים קשים. ציפוי CoCrFeNiAl0.2 משלב מבנה פנימי מועדף עם עור תחמוצתי מגן, ומגבילה גם שחיקה מכנית מקביטציה וגם התקפה כימית ממלחים. לבוני אוניות, מתכנני טורבינות ומהנדסי חופים, עבודה זו מציגה כיוון לציפויים שאינם רק עמידים למכות האוקיינוס המתמשכות אלא גם מאטים את הקורוזיה הסמויה שבאה בעקבותיה. במונחי יישום מעשי, פירוש הדבר ציוד בטוח יותר, פחות תיקונים ושימוש יעיל יותר בחומרים ובאנרגיה לאורך חיי הכלי.

ציטוט: 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

מילות מפתח: בוית שבירת קביטציה, קורוזיה ימית, סגסוגות בעלות אנטרופיה גבוהה, ציפויים מגנים, סגסוגות טיטניום