התנהגות קורוזיה חמה וחמצון מחזורי של ציפויי מוליך CoMoCrSi + Cr₃C₂ על פלדת MDN 420 בתהליך ריסוס HVOF

הגנה על מתכות בתנאי חום קשים

מנועים מודרניים, תחנות כוח ודודי תעשייה פועלים בטמפרטורות גבוהות ותנאי קורוזיה כל כך קשים שהחלקים המתכתיים שלהם יכולים להידמות לשריפה ולהתפרק עם הזמן. החלפת רכיבים אלה יקרה ומסוכנת. המחקר הזה בוחן ציפוי מגן מיוחד, שנמרח על פלדת כוח נפוצה, שמטרתו למנוע חלודה, סדיקה והתפוררות של חלקים אלה כאשר הם חשופים לחום אינטנסיבי ולהצטברויות מלח תוקפניות.

מדוע המתכת מתפרקת בחום

בטורבינות, דודים ובתי זיקוק רבים, חלקי מתכת נחשפים גם לטמפרטורות גבוהות וגם לכימיקלים מאכלים. החמצן באוויר יוצר בהדרגה שכבות תחמוצת, בעוד מלחים מותכים — הנוצרים, למשל, מזהמים בדלק המכילים נתרן וונדיום — יכולים לתקוף את התחמוצות הללו ולפתוח נתיבי פעולה מהירים לפגיעה נוספת. פלדה חשופה בתנאים כאלה צוברת משקל כשהשכבות התחמוצתיות עבות וקראסטיות צומחות, ואז מאבדת חומר כשהשכבות מתמוטטות ונושרות. עם הזמן, מחזור זה של גדילה והתקלפות מוביל לדילול, לסדיקה ולאסון של רכיבים קריטיים.

מעיל מגן חדש וחזק לפלדה

החוקרים התמקדו בפלדת MDN 420, פלדת מרטנסיטית המשמשת ביישומים תובעניים, וציפו אותה בציפוי קומפוזיטי מבוסס קובלט, מוליבדן, כרום וסיליקון, מחוזק בחלקיקים קשים של כרומ-קרביד. באמצעות אקדח ריסוס במהירות גבוהה-חמצן-דלק (HVOF) הם ירו את האבקה במהירויות עיליות על גבי לוחות הפלדה, ובנו שכבה צפופה בעובי כ-0.2 מ"מ. בקרה קפדנית של תהליך הריסוס ייצרה ציפוי עם נקבוביות נמוכה וגסות משטח המתאימה לעמידות בפני שחיקה. בדיקה מיקרוסקופית הראתה מבנה קומפקטי עם פיזור טוב של החלקיקים הקשים ורק סדקים ונקבוביות קטנים, בעוד שבדיקות קושי הראו כי המשטח המצופה קשה יותר ממספר פעמים מהפלדה שמתחתיו.

כיצד הציפוי נלחם בחום ובמלח

על מנת לבחון את יעילות הציפוי, דגימות מצופות ולא מצופות הושמו למחזורי חימום ל-700 °C וקירור, באוויר (לבדיקת חמצון) או בתערובת של נתרן סולפט ותחמוצת ונדיום מותכת (לבדיקת קורוזיה חמה). באוויר, הציפוי עודד את גדילתן של שכבות דקות ורציפות של תחמוצת כרום וסיליקה על פניו. שכבות אלה פעלו כ"עור" הדוק שהאט את חדירת החמצן והיחיד חיברה בין המריחות של הריסוס. כתוצאה, הדגימות המצופות צברו משקל נמוך בהרבה לעומת הפלדה החשופה, כלומר פחות צבירת תחמוצת, וקצב החמצון שלהן נשאר נמוך ויציב לאורך 50 מחזורים.

מה קורה באמבט מלח מותך

ניסויי המלח המותך היו אגרסיביים בהרבה, המדמים תנאים בדודי ודלק ובטורבינות שבהם תרכובות נתרן וונדיום יכולות להימס ולרטב משטחים חמים. כאן, הציפוי עדיין התעל על הפלדה החשופה: עליות המשקל וקצבי הקורוזיה היו נמוכים בהרבה. עם זאת, ניתוחים מפורטים הראו שהמלח לא רק שוכב על פני השטח; הוא הגיב עם תחמוצות של מוליבדן וכרום בתוך הציפוי כדי ליצור תרכובות משולבות של מלח-תחמוצת. שלבים חדשים אלה, כגון מוליבדט נתרן וונדט נתרן, יצרו קשקשים נקבוביים הניתנים לשבר בקלות. נוצרו סדקים ובורות כאשר תחמוצות מוליבדן נדיפות התאדו והעור המגן התנתק מקומית, חשף חומר טרי לתקיפה נוספת.

איזון בין חוזק לשירות ארוך

בסך הכל, הציפוי הקטין באופן ניכר הן את קצבי החמצון והן את קצבי הקורוזיה החמה בהשוואה לפלדת MDN 420 חשופה — קבועי הקצב שנמדדו היו נמוכים פעמים רבות. השילוב של מטריצה חזקה מבוססת קובלט, חלקיקי קרביד קשים ותחמוצות מגן המתהוות מעצמן מאפשר לפלדה המצופה לעמוד בטמפרטורות גבוהות ובמלחים תוקפניים לפרקי זמן ארוכים יותר. יחד עם זאת, המחקר גם חושף את מגבלות ההגנה: כאשר תגובות מלוות במלח ותחמוצות נדיפות יוצרות נקבוביות וקשקשים חלשים, הנזק מצטבר בהדרגה. עבור הקורא הכללי, המסקנה היא שציפויים מתוכננים היטב יכולים לשמש כשריון עמיד בפני אש וכימיקלים לחלקים חמים, ולרכוש זמן פעולה רב יותר לפני כשל — אך שדרוגים נוספים, למשל איטום נקבוביות או התאמת הרכב, דרושים כדי לעמוד בתנאי הסביבה הקשים ביותר שמלאים במלחים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: ציפויים לטמפרטורות גבוהות, קורוזיה חמה, התנגדות לחמצון, רסס תרמי, הגנה על פלדת אל-חלד