الخلاصةتم تصنيع طبقات السبائك القائمة على سبيكة Stellite6 Co على ركيزة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L باستخدام كسوة التغذية بسلك الليزر. تم تحليل التكوين، ومعدل التخفيف، والبنية المجهرية، والتركيب الكيميائي، والصلابة الدقيقة، ومقاومة التآكل لطبقات الكسوة. وتشير النتائج إلى أن عملية التكسية بالليزر ثنائية الطبقات يمكن أن تضمن التكوين الأمثل لطبقة التكسية بمعدل تخفيف أقل من 5%، كما أن معدل التخفيف موحد. إن البنية المجهرية لطبقة الكسوة عبارة عن بنية تحت الانصهار تتألف من محلول صلب غني بالتشعبات وكربيدات سهلة الانصهار شبكيًا، كما أن تركيز الكربيدات الشبكية في الطبقة العليا أعلى مقارنة بالطبقة السفلية. ينتج عن عملية الكسوة ثنائية الطبقة زيادة تدريجية في الصلابة في الاتجاه الرأسي لطبقة الكسوة، والتي تستقر بعد الوصول إلى سُمك 1.8 مم. تكون الصلادة الدقيقة الأفقية لطبقة الكسوة بالقرب من السطح متجانسة نسبيًا، وتتراوح بين 450 هرتز إلى 550 هرتز. تُظهر عملية التكسية ثنائية الطبقة مقاومة تآكل فائقة، مع معامل احتكاك يبلغ 0.37 وانخفاض في فقدان الكتلة بمقدار 53.91 تيرابايت في الثلاثي مقارنة بالمادة الأساسية. تتغير آلية التآكل في عملية الكسوة ثنائية الطبقة من التآكل اللاصق للركيزة إلى التآكل الكاشطة.

الفولاذ المقاوم للصدأ 316L هو فولاذ مقاوم للصدأ مع إضافة Mo إلى 18Cr-8Ni، مما يحسن من مقاومة التنقر في بيئة Cl- وله خصائص ميكانيكية ممتازة. ويستخدم على نطاق واسع في مجالات الطاقة والمواد الكيميائية وغيرها من المجالات لتصنيع خطوط الأنابيب والأجزاء الهيكلية في البيئات القاسية مثل درجات الحرارة العالية والضغط العالي والتآكل [1-2]. من أجل تحسين مقاومة التآكل ومقاومة التآكل لـ 316L، من الضروري عادةً إعداد طبقة وظيفية ذات أداء ممتاز على سطحه [3].

إحدى طرق المعالجة السطحية الشائعة الاستخدام هي الطلاء الكيميائي بالكروم، ولكن معالجة هذه الطريقة ملوثة بشكل خطير، وجودة الطلاء غير مستقرة. فالطلاء والركيزة غير مترابطين معدنيًا، وهناك خطر سقوط الطلاء عند استخدامه في درجات حرارة عالية لفترة طويلة [4]. تتمتع السبائك القائمة على الكوبالت (سبائك ستالايت) بقوة وصلابة ومقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل في كل من درجة حرارة الغرفة ودرجة الحرارة العالية، وهي مواد مثالية لطبقة مقاومة للتآكل ومقاومة للتآكل للفولاذ المقاوم للصدأ 316L في البيئات القاسية [5]. في الوقت الحالي، يشيع استخدام اللحام بقوس الأرجون وقوس البلازما وغيرها من طرق التكسية أو طرق الرش لتشكيل رابطة معدنية بين السبائك القائمة على الكوبالت والركيزة للحصول على طبقة سبيكة ذات أداء ممتاز. استخدم سانكارابانديان وآخرون [6] لحام الأرغون القوسي لكسوة سبيكة ستالايت6 على الركيزة A36. يمكن أن يؤدي المزيد من الكربيدات في طبقة سبيكة Stellite6 إلى تحسين مقاومة التآكل للركيزة بشكل فعال. ومع ذلك، عادةً ما يكون للسبائك القائمة على الكوبالت اختلافات كبيرة في الأداء عن الركيزة. تكون طاقة الكسوة القوسية كبيرة ومشتتة، مما قد يؤدي بسهولة إلى ارتفاع معدل تخفيف الطلاء وميل أكبر للتشقق [7]. يُستخدم رش اللهب بالأوكسي أسيتيلين في تحضير الطلاء لأن درجة حرارة مركز اللهب أقل من درجة حرارة القوس الكهربائي، ويسهل التحكم في معدل التخفيف، كما أن إمكانية الوصول إلى المعدات جيدة. استخدم Sun Delin [8] عملية رش المسحوق بلهب الأوكسي أسيتيلين لإجراء التسطيح على سطح البكرات المجوفة رقيقة الجدران. من خلال التحكم الصارم في العملية والتسخين المسبق والتبريد البطيء وغيرها من التدابير، تم الحصول على طلاء ذو تشكيل جيد وأداء ممتاز. استخدم كوستيل-ريلو وآخرون [9] رش اللهب بالأوكسي أسيتيلين بلهب NiCrBSi/WC-12Co المركب على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ لتحسين مقاومة التآكل التجويفي للركيزة. ومع ذلك، يتم تشغيل هذه الطريقة يدويًا، وهناك مشاكل مثل التحكم الصارم في درجة الحرارة أثناء عملية الرش، وكثافة العمالة العالية، وجودة الطلاء غير المستقرة بسبب التأثير البشري.

الكسوة بالليزر هي طريقة معالجة سطحية تستخدم الليزر لإذابة مادة الكسوة بسرعة على سطح الركيزة ثم تصلبها بسرعة للحصول على طبقة وظيفية عالية الأداء تشكل رابطة معدنية مع الركيزة [10]. تتميز الكسوة بالليزر بمزايا الطاقة المركزة، ومعدل التخفيف المنخفض، والأداء الجيد لطبقة الكسوة وسهولة التشغيل الآلي. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يصل قطر البقعة إلى أقل من 1 مم، كما أن التحكم أكثر دقة مقارنة بطرق المعالجة السطحية الأخرى [11]. درس Soltanipour وآخرون [12] تأثير معلمات عملية التكسية بالليزر على البنية المجهرية لطبقة تكسية مسحوق Stellite6 على ركيزة الفولاذ المقاوم للصدأ X19CrMoNbVN11-1. أدت الزيادة في طاقة الليزر إلى زيادة البلورات الخلوية في واجهة طبقة الكسوة والبلورات المتساوية على السطح. ومن خلال تحسين معلمات المعالجة، تم الحصول على طبقة تكسية منصهرة جيدًا وخالية من العيوب. قام ماكسيميليان وآخرون [13] بتكسية مسحوق سبيكة Stellite6 بالليزر على سطح الحديد الزهر الرمادي ودرسوا تأثير طاقة الليزر على معدل التخفيف، وهندسة وصلابة طبقة الكسوة. ووجدوا أن انخفاض الطاقة أدى إلى الحصول على بنية أدق والمزيد من الكربيدات، وبالتالي الحصول على طلاء بصلابة أعلى. وأجرى وانج ويدونج وآخرون [14] عملية تكسية بالليزر متعددة الممرات لمسحوق سبيكة ستلايت 6 بالليزر على سطح فولاذ القالب الساخن H13 ووجدوا أن طبقة التكسية متعددة الممرات كانت لها صلابة أعلى من طبقة التكسية أحادية الطبقة، وكان تقلب صلابتها الطولية أكبر، ولكن لم يؤثر ذلك على اتجاه تغير الصلابة الكلية. في نهاية المطاف، زادت الكسوة بالليزر من صلابتها الدقيقة وحسّنت خصائص السطح بشكل فعال.

استخدم Leunda وآخرون [15] الكسوة بالليزر لتحضير طبقات كسوة NiCr-WC على الجدار الداخلي لأجزاء ذات ثقب أسطواني مزدوج. من خلال تحسين معلمات العملية، تم تسخين الركيزة إلى 350 درجة مئوية وأضيفت طبقة عازلة وسيطة لتقليل ميل التشقق في طبقة الكسوة. تم تحسين معدل استخدام مادة التكسية باستخدام مساحيق غير منتظمة الشكل، وأخيرًا تم تحضير طبقة تكسية ممتازة وجيدة التشكيل على الجدار الداخلي للفتحة الأسطوانية المزدوجة بطول 300 مم وقطر داخلي 110 مم. قام تشو مينغدونغ وآخرون [16] بإجراء كسوة مسحوق ليزر سبيكة Stellite6 على مستوى الفولاذ المقاوم للصدأ 304LN والجدار الداخلي لثقب صغير. من خلال تحسين معلمات عملية الكسوة الليزرية المستوية، تم الحصول على معدل تخفيف منخفض وطبقة كسوة خالية من العيوب. أظهرت نتائج اختبارات التآكل واختبارات التآكل أن الكسوة بالليزر حسّنت من مقاومة التآكل ومقاومة التآكل لسطحها والجدار الداخلي للثقب الصغير. في الوقت الحاضر، يركز البحث حول الكسوة بالليزر للسبائك القائمة على الكوبالت بشكل أساسي على مواد المسحوق. ومع ذلك، فإن الكسوة بالليزر لمواد المسحوق تعاني من مشاكل الاستخدام المنخفض للمواد والتلوث العالي. وبالإضافة إلى ذلك، فإن انقطاع مواد المسحوق يؤدي بسهولة إلى تأثير الليزر على الركيزة، مما يؤدي إلى إجهاد حراري كبير. ويلزم اتخاذ تدابير معينة للتحكم في درجة الحرارة لمنع التشققات والتشوهات وغيرها من المشاكل. ومع ذلك، يكون الاقتران بين السلك والليزر أفضل، ويجب أن يكون التحكم في درجة الحرارة أصغر، ويكون معدل استخدام المواد قريبًا من 100%، لذلك فقد حظي باهتمام واسع النطاق [17]. لذلك ، تستخدم هذه الورقة البحثية كسوة تغذية الأسلاك بالليزر لإعداد طلاء سبيكة من سبائك الكوبالت Stellite6 بسمك 3 مم على ركيزة 316L ، وتدرس تأثير عملية الكسوة بالليزر على معدل التخفيف وجودة تشكيل طبقة الكسوة ، وتحلل تأثير عملية الكسوة على الهيكل والأداء ، وتوفر أساسًا تجريبيًا لتحسين مقاومة التآكل وعمر الخدمة لسطح الفولاذ المقاوم للصدأ 316L.

1 المواد والطرق التجريبية

• مواد التكسية بالليزر

واختار الاختبار ركيزة مقاس 30 مم × 30 مم × 10 مم، وكانت مادة الركيزة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316L. وكانت مادة الكسوة عبارة عن سلك لحام صلب من ستلايت 6 مقاس 1.2 مم. يظهر التركيب الكيميائي لمادة الركيزة ومادة الكسوة في الجدول 1.

• طريقة التكسية بالليزر

تم استخدام ليزر الألياف YLS-4000 في التجربة، وكان القطر الاسمي للبقعة 200 ميكرومتر. أثناء عملية التكسية ، تم استخدام روبوت صناعي سداسي المحاور MOTOMAN NX100 للتحكم في الحركة ، وتم استخدام جهاز تثبيت سلك اللحام لضمان الحركة المحورية لسلك اللحام والليزر. كانت طريقة تغذية السلك هي التغذية الجانبية. تم صقل سطح الركيزة قبل التكسية وتنظيفه بالإيثانول اللامائي لإزالة الشوائب مثل قشور أكسيد السطح والزيت. أثناء التكسيم، يتم استخدام مسار “على شكل قوس” لإجراء تكسية متعددة على سطح الركيزة. يبلغ سمك الكسوة 3 مم، ومن أجل تحقيق سمك موحد، يتم تكسية طبقة إضافية على حافة الركيزة لمنع انهيار البركة المنصهرة. اختارت التجربة عدة مجموعات تمثيلية من معلمات عملية تكسية أسلاك الليزر للمناقشة، مع الأخذ في الاعتبار ثلاثة عوامل: طاقة الليزر، وسرعة تغذية الأسلاك، وعدد طبقات التكسية. تظهر خطة الاختبار المحددة في الجدول 2. معلمات عملية الكسوة المتبقية هي معدل التداخل 50%، و99.9% غاز الأرجون النقي لغاز التدريع المحوري، ومعدل تدفق الغاز 20 لتر/الدقيقة.

• طريقة الكشف

قُطعت عينتان كتلتان مقاس 5.5 مم × 4 مم × 10 مم من طبقة الكسوة بالقرب من الوسط وبالقرب من الحافة عن طريق القطع السلكي، وتم تحليل عناصر طبقة الكسوة كمياً باستخدام مطياف الفلورة بالأشعة السينية المحمول باليد ThermoScientific Niton XL5 Plus (XRF). وبأخذ الحديد كعنصر، تم حساب معدل التخفيف وفقًا للمعادلة (1).

حيث: ω طبقة

(الحديد) هو محتوى الحديد في طبقة الكسوة؛ ω القاعدة

(Fe) هو محتوى الحديد في المادة الأساسية 316L، والذي يعتبر ثابتًا قدره 71.329% بعد الكشف بالترددات الراديوية السينية؛ ω المادة

(Fe) هو محتوى الحديد في مادة الكسوة.

تم استخدام قطع الأسلاك لقطع 12 مم × 10 × 12 مم

شرائح مم × 2 مم من المقطع العرضي لطبقة الكسوة. بعد ترصيع الشرائح، تم صقلها أولاً خطوة بخطوة بورق صنفرة مائي 150# ~ 3000#، ثم صقلها ميكانيكياً إلى سطح مرآة مع 2.5

عجينة ألماس ميكرومتر. المحلول المتآكل المحضر بواسطة 5 جم

CuSO4

+50 ملليتر حمض الهيدروكلوريك + 50 ملليتر حمض الهيدروكلوريك2

استُخدِم O لكشط

10 ثوانٍ، ثم شُطفت بالكحول وجُفِّفت لصنع عينة معدنية. ولوحظ التشكل العياني للمقطع العرضي لطبقة الكسوة باستخدام جهاز مجسم

استُخدِم المجهر الميكروسكوبي المقلوب ICX41 لمراقبة البنية المجهرية الدقيقة لكل منطقة مجهرية من طبقة الكسوة، واستُخدِم المجهر الإلكتروني المكتبي الماسح الضوئي TM4000Plus لمراقبة البنية المجهرية بتكبير أعلى، واستُخدِم طيف EDS لتحليل المسح الخطي والمسح النقطي. استُخدم جهاز اختبار الصلابة الميكروية HV-1000TPTA لاختبار الصلابة الدقيقة لطبقة الكسوة في الاتجاه الطولي وعلى بعد 0.5 مم من السطح في الاتجاه العرضي للكشف عن قانون تغير الصلابة وتوحيد الصلابة. كانت معلمات اختبار الصلابة هي الحمل 500 جم وزمن الانتظار 10 ثوانٍ. استُخدم جهاز اختبار الاحتكاك والتآكل MFT-5000 لإجراء اختبارات الاحتكاك الجاف والتآكل على الركيزة وطبقة الكسوة في درجة حرارة الغرفة. كان وضع الاحتكاك عبارة عن احتكاك كروي قرصي، وكان شريك الاحتكاك كرة سيراميك Si3N4 بقطر 6.35 مم، وكانت ظروف اختبار الاحتكاك: الحمل 35 نيوتن، والسرعة 300 دورة/دقيقة، وزمن التآكل 30 دقيقة، ونصف قطر التآكل 4.5 مم. قبل التآكل وبعده، تم استخدام ميزان دقيق (دقة 0.1 مجم) لقياس زيادة الوزن وفقدانه. تم استخدام مجهر المسح الضوئي بالليزر OLS51003D لمراقبة مورفولوجيا سطح العينة بعد التآكل، واستخدمت SEM و EDS لمراقبة مورفولوجيا التآكل المجهري.

2 النتائج التجريبية والمناقشة

2.1 تحليل الشكل الكلي لطبقة الكسوة

تظهر في الشكل 1 نتائج اختبار المورفولوجيا العيانية المستعرضة ومعدل التخفيف لطبقات الكسوة المغذية بأسلاك الليزر لطبقات الكسوة في عمليات مختلفة. وبمقارنة المخطط 1 والمخطط 2، فإن معدل التخفيف لطبقتين من الكسوة أقل بكثير من معدل التخفيف لطبقة كسوة واحدة. والفرق في معدل التخفيف بين مواضع الحافة والوسط لطبقة الكسوة في المخطط 2 صغير، مما يشير إلى أن عملية الكسوة المكونة من طبقتين تساعد على توحيد معدل التخفيف. يكون سمك الطبقة الثانية في الموضع الأوسط لطبقة الكسوة في المخطط 2 أصغر، بينما يكون سمك الطبقة الثانية في موضع الحافة أكبر. ويرجع ذلك إلى أنه عندما تصل الكسوة الليزرية إلى الحافة وتكون طاقة الليزر كبيرة، تتراكم درجة حرارة طبقة الكسوة عالية جدًا عندما تكون سرعة تغذية السلك بطيئة جدًا، مما يؤدي إلى انهيار الحوض المنصهر والذوبان المفرط للطبقة الأولى. ويمكن أيضًا أن نرى من خطوط الاندماج في المخطط 1 والمخطط 2 أن المزيد من المواد الأساسية تنصهر بالقرب من الحافة، وهو ما يرتبط أيضًا بتراكم درجة الحرارة.

بمقارنة المخطط 2 والمخطط 3، عندما يتم تقليل طاقة الليزر من 3200 واط إلى 2600 واط وزيادة سرعة تغذية السلك من 40 مم/ث إلى 55 مم/ثانية، ينخفض معدل التخفيف لطبقة الكسوة في المخطط 3 بشكل كبير، ويكون الفرق في معدل التخفيف بين الحافة والوسط صغيرًا وأكثر اتساقًا. يكون خط الاندماج في المخطط 3 أكثر استقامة من خط الاندماج في المخطط 2، مما يشير إلى أن تأثير تراكم درجة الحرارة أصغر وأن الركيزة تذوب بدرجة أقل عند الحافة. كما أن سمك الطبقة الثانية من المخطط 3 أكثر اتساقًا عند الحافة والموضع الأوسط، مما يشير أيضًا إلى أن تأثير تراكم درجة الحرارة أصغر. وبالنظر إلى معدل التخفيف وتكوين طبقة الكسوة، تم تحديد المخطط 3 ليكون معلمة العملية المثلى لكسوة الليزر للتغذية السلكية بالليزر.

2.2 البنية المجهرية لطبقة الكسوة

وقد لوحظت البنية المجهرية لطبقة الكسوة لكل مخطط معالجة، كما هو موضح في الشكل 2. يمكن ملاحظة أن الهياكل المجهرية لطبقات الكسوة الليزرية المغذية بالأسلاك في مخططات المعالجة الثلاثة متشابهة، وجميعها عبارة عن هياكل ناقصة التكامل تتألف من بنية شجيرية بيضاء وبنية شبكة بينية رمادية سوداء بين الحبيبات. من أسفل طبقة الكسوة إلى أعلى طبقة الكسوة، تزداد البنية البينية الحبيبية الرمادية-السوداء تدريجيًا، وتتناقص البنية الشجيرية البيضاء تدريجيًا. تكون هذه الظاهرة أكثر وضوحًا في بنية المخطط 3، لأنه يستخدم طاقة ليزر أصغر وسرعة تغذية سلك أسرع، مما يؤدي إلى انخفاض معدل التخفيف. من الجزء السفلي من طبقة الكسوة إلى الجزء العلوي من طبقة الكسوة، ينقسم مورفولوجيا الحبيبات تقريبًا إلى أربع مناطق: منطقة بلورية مستوية، ومنطقة بلورية خلوية وبلورية عمودية، ومنطقة تشعبية، ومنطقة بلورية متساوية التشعب.

بالنسبة للطبقة السفلية لطبقة الكسوة، هناك واجهة واضحة بين طبقة الكسوة والركيزة، أي خط الانصهار، مما يشير إلى أن طبقة الكسوة والركيزة تشكل رابطة معدنية جيدة. عند خط الانصهار، يكون البركة المنصهرة على تماس مباشر مع الركيزة، ويكون التدرج الحراري (G) للواجهة الصلبة-السائلة كبيرًا، ومعدل التصلب (R) صغيرًا، ويكون G/R كبيرًا، مما يتسبب في نمو بلورات طبقة الكسوة على شكل بلورات مستوية. بينما تستمر الواجهة الصلبة-السائلة في التحرك لأعلى من الأسفل، تتراكم الحرارة تدريجيًا، وينخفض تدرج درجة الحرارة، ويزداد معدل التصلب، أي ينخفض G/R، مما يؤدي إلى منطقة تبريد فائق التركيب ضيقة جدًا في مقدمة الواجهة الصلبة-السائلة. تنمو البلورة على طول الاتجاه ذي معدل التبريد الأسرع، ويتم كبح اتجاهات النمو الأخرى، مما يؤدي إلى انتفاخات وتشكيل بلورات خلوية وبلورات عمودية.

بالنسبة لمنتصف طبقة الكسوة، تتحرك الواجهة الصلبة-السائلة أكثر نحو مركز طبقة الكسوة، وينخفض G/R أكثر، وتتغير البلورة تدريجيًا من بلورات عمودية خشنة إلى تشعبات عمودية تتكون بشكل أساسي من تشعبات أولية خشنة وتشعبات ثانوية دقيقة. يعتمد اتجاه نمو التشعبات على اتجاه تدفق الحرارة والاتجاه البلوري. عندما يتم تكسية الطبقة الثانية، تعمل دورتها الحرارية على الجزء العلوي من الطبقة الأولى، مما يؤدي إلى ذوبانها جزئيًا وتظهر خصائص التبلور المشترك مع طبقة التكسية الثانية، وتتسبب في نمو حبيباتها. بمقارنة الأشكال 2 (أ2) و(ب2) و(ج2)، فإن طاقة الليزر المنخفضة وسرعة تغذية الأسلاك الأسرع في المخطط 3 تجعل البنية البينية بين الطبقات أكثر رمادية سوداء بين الطبقات؛ كما أن الفرق في حجم الحبيبات بين الطبقة الثانية والطبقة الأولى أكثر وضوحًا، مع وجود تشعبات أكثر. تتسبب الدورة الحرارية ذات درجة الحرارة الأعلى عند تكسية الطبقة الثانية في نمو حبيبات الطبقة الأولى، بينما تتسبب طاقة الليزر الأصغر وسرعة تغذية الأسلاك الأسرع في جعل حبيبات الطبقة الثانية دقيقة.

بالنسبة للجزء العلوي من طبقة الكسوة، فهو على تماس مباشر مع الهواء، مع معدل نقل حرارة أسرع، ومعدل تصلب أسرع، ومعدل G/R صغير جدًا، والبلورات هي في الأساس تشعبات صغيرة غير اتجاهية وبلورات متساوية الشكل. بمقارنة الشكل 2 (a3) و(b3) و(c3)، يحتوي المخطط 3 على هياكل بينية رمادية سوداء أكثر من الشكل 2، ومن الواضح أن الهياكل أدق بسبب طاقة الليزر المنخفضة وسرعة تغذية الأسلاك السريعة.

يتم مسح توزيع عنصر طبقة كسوة سلك الليزر في الاتجاه الطولي للعملية المثلى للمخطط 3، وتظهر النتائج في الشكل 3. يمكن ملاحظة أنه من الركيزة إلى طبقة الكسوة، يزداد عنصر Co ويقل عنصر Fe. يتغير محتوى العنصر بطريقة متدرجة، ويكون موضع الطفرة عند خط الاندماج وبين الطبقتين الأولى والثانية، مما يشير إلى أن طبقة الكسوة تنصهر جيدًا مع الركيزة، وتساعد الكسوة طبقتين على تقليل معدل التخفيف من الأعلى. في إطار المخطط 3، يكون الليزر وسلك اللحام مقترنين بشكل جيد، وتذوب الطبقة الأخيرة أقل من الطبقة السابقة عند التكسية.

لوحظت البنية المجهرية لطبقة الكسوة المغذية بسلك الليزر في العملية المثلى للمخطط 3 بواسطة SEM، كما هو موضح في الشكل 4. يمكن ملاحظة أن البنية المجهرية لطبقة الكسوة الليزرية Stellite6 بالليزر هي بنية نموذجية ناقصة الانصهار تتكون من بنية شجيرية مؤيدة للانصهار (A) وبنية شبكية سهلة الانصهار (B). يكون التركيب سهل الانصهار في الجزء السفلي من طبقة الكسوة أقل شبكية من الهيكل العظمي، في حين أن التركيب سهل الانصهار في الجزء العلوي من طبقة الكسوة يكون أكثر شبكية، وهو ما يتوافق مع الخصائص الهيكلية تحت المجهر الضوئي. تم فحص المناطق الهيكلية النموذجية (A و B) لطبقة الكسوة بشكل أكبر. تظهر النتائج في الجدول 3. تحتوي البنية التشعبية المؤيدة للانصهار (A) على المزيد من عناصر Co وهي عبارة عن محلول صلب غني ب Co. يحتوي التركيب الشبكي سهل الانصهار (B) على المزيد من عناصر C و Cr و W. يُعتقد أنه عبارة عن كربيدات سهلة الانصهار من الكروم وW. كما أفاد Hu Xiyun [18] أن بنية طبقة الكسوة الليزرية Stellite6 عبارة عن محلول صلب مؤيد للانصهار وكربيدات سهلة الانصهار، وهو ما يشبه الوضع في هذه المقالة. بالمقارنة مع الجزء السفلي من طبقة الكسوة، فإن الجزء العلوي من طبقة الكسوة يحتوي على توزيع شبكة كربيد سهل الانصهار، مما يشير إلى أن عملية الكسوة ثنائية الطبقة مفيدة لزيادة الكربيد العلوي عن طريق تقليل معدل التخفيف.

2.3 أداء طبقة الكسوة

تم اختبار صلابة طبقة الكسوة المغذية بسلك الليزر لكل مخطط في الاتجاهين الطولي والعرضي، وتظهر النتائج في الشكل 5. كما يتضح من الشكل 5 (أ)، تبلغ صلابة الركيزة 316L 180-230HV، وهي أقل بكثير من صلابة طبقة الكسوة. تزداد صلابة الركيزة بالقرب من خط الانصهار قليلاً. من الركيزة إلى طبقة الكسوة، تزداد الصلابة بشكل ملحوظ. ومن أسفل طبقة الكسوة إلى أعلى طبقة الكسوة، يستخدم المخططان 2 و3 عملية تكسية من طبقتين، وتظهر الصلابة زيادة تدريجية في الصلابة. أي أن هناك تغيرًا كبيرًا في صلابة طبقة الكسوة عند موضع 1.8-2 مم، وهو ما يتسق مع اتجاه تغيرات العناصر التي أظهرها مسح خط EDS في الشكل 3، مما يشير إلى أن عملية الكسوة ثنائية الطبقة يمكن أن تحسن صلابة الجزء العلوي من طبقة الكسوة عن طريق تقليل معدل التخفيف. بالمقارنة مع المخطط 2، يتميز المخطط 3 بقدرة ليزر منخفضة وسرعة تغذية سريعة للأسلاك. صلابة طبقة الكسوة الثانية أعلى، عند 450-550HV. يحتوي الجزء العلوي من طبقة الكسوة في المخطط 3 على هياكل كربيد سهلة الانصهار موزعة في شبكة وتشعبات أدق وبلورات متساوية التشعب، مما يساعد على تحسين صلابتها. يختبر الشكل 5 (ب) انتظام صلابة طبقة الكسوة في الاتجاه العرضي. يتشابه اتجاه صلابة طبقة الكسوة في كل مخطط مع نتائج اختبار الصلابة الطولية. تتراوح الصلابة المستعرضة لطبقة الكسوة في المخطط 3 بين 450 و550HV، وهي صلابة موحدة نسبيًا. صلابة مركز طبقة الكسوة أعلى قليلاً من صلابة الموضع القريب من الحافتين. ويرجع ذلك أساسًا إلى أنه عند التكسية عند الحافة، يتسبب تراكم الحرارة في ارتفاع درجة الحرارة. عند التكسية عند الحافة، تكون الركيزة المنصهرة أكثر قليلاً، ويكون معدل التخفيف أعلى قليلاً، وتكون الحبيبات أكثر خشونة.

أُجريت اختبارات الاحتكاك والتآكل على الركيزة 316L وطبقة الكسوة الليزرية Stellite6 في المخطط 1 والمخطط 3. تمت مقارنة وتحليل أداء الاحتكاك والتآكل للركيزة والكسوة ذات الطبقة الواحدة وعمليات الكسوة ذات الطبقتين. تظهر النتائج في الشكل 6. يوضح الشكل 6 (أ) أن معاملات الاحتكاك للعينات الثلاث تغيرت جميعها بشكل كبير في البداية، وهي مرحلة التآكل أثناء التشغيل. ويرجع ذلك إلى أن وجود خشونة السطح وعدم استواء سطح التلامس على المستوى المجهري تسبب في تذبذب معامل الاحتكاك بشكل كبير. بعد ذلك، اتجه معامل الاحتكاك إلى الاستقرار لأن النتوءات المجهرية على سطح التلامس كانت ناعمة [19]. في مرحلة التآكل المستقر، كان معامل الاحتكاك للركيزة 316L 0.47 في المتوسط، وهو أعلى من معاملات الاحتكاك للكسوة ذات الطبقة الواحدة (0.37) والكسوة ذات الطبقتين (0.37). الشكل 6 (ب) يقارن ويحلل فقدان الوزن للعينات الثلاث قبل التآكل وبعده. يبلغ الفقد في وزن الركيزة 316L 11.5 مجم، في حين أن الفقد في وزن الطبقة المقاومة للتآكل Stellite6 بعد تكسية طبقة واحدة هو 7.3 مجم، أي أقل بمقدار 36.51 تيرابايت 3 تيرابايت من الركيزة؛ ويبلغ الفقد في وزن الطبقة المقاومة للتآكل Stellite6 بعد تكسية طبقتين 5.3 مجم، أي أقل بمقدار 53.91 تيرابايت 3 تيرابايت من الركيزة. لذلك ، يمكن لطبقة الكسوة بالليزر Stellite6 أن تحسن من مقاومة التآكل للركيزة 316L ، وتكون مقاومة التآكل لعملية الكسوة المكونة من طبقتين أفضل.

يظهر شكل ندبة التآكل للعينات الثلاث بعد التآكل بالاحتكاك في الشكل 7. ويبين الشكل 7 (أ) و(د) و(ز) أن ندبة التآكل في الركيزة 316L واسعة وعميقة؛ في حين أن ندبة التآكل في طبقة الكسوة الليزرية Stellite6 ضيقة وضحلة ويوجد عدد قليل من علامات الأخدود موزعة على المستوى المجهري؛ أما ندبة التآكل في الكسوة ذات الطبقتين فهي أضيق وأقل عمقًا، ويوجد عدد أكبر من علامات الأخدود. يوضح الشكل 7 (ج) و(و) و(ط) الملامح المورفولوجية المستعرضة لندوب التآكل في العينات الثلاث. عرض التآكل للركيزة 316L هو 1380 ميكرومتر، وأقصى عمق تآكل هو 41.5 ميكرومتر؛ بينما عرض التآكل لطبقة الكسوة هو 867.5 ميكرومتر، وهو أصغر بكثير من الركيزة، وأقصى عمق تآكل هو 43.8 ميكرومتر، وهو ما يعادل الركيزة؛ عرض التآكل للكسوة ذات الطبقتين هو 750 ميكرومتر، وهو الأصغر، وأقصى عمق تآكل هو 29.0 ميكرومتر، وهو الأصغر أيضًا. لذلك ، يمكن لطبقة الكسوة بالليزر Stellite6 أن تقلل من عرض التآكل وعمق الركيزة 316L ، ويمكن لعملية الكسوة المكونة من طبقتين أن تقلل من ذلك أكثر.

كما استُخدمت تقنية SEM لتوصيف مورفولوجيا التآكل للعينات الثلاث، كما هو موضح في الشكل 8. يُظهر الشكل 8 (أ) و(ج) و(هـ) أن خاصية الأخدود لطبقة الكسوة الليزرية Stellite6 أكثر وضوحًا من الركيزة 316L. يمكن ملاحظة أن حافة ندبة التآكل في الركيزة 316L يمكن ملاحظتها بوضوح أنها مقذوفة ومتراكمة بسبب تشوه البلاستيك أثناء التآكل؛ ظاهرة البثق عند حافة ندبة التآكل لطبقة الكسوة أكثر طفيفة، وحافة ندبة التآكل لطبقة الكسوة ناعمة نسبيًا. تُظهر نتائج مسح خط EDS وجود بروز في محتوى O في موقع تآكل الركيزة 316L، مما يشير إلى أن الحرارة الناتجة عن الاحتكاك والتآكل قد تسببت في أكسدته، في حين أن محتوى O لسطح التآكل لطبقة الكسوة وطبقة الكسوة لم يتغير إلا قليلاً، مما يشير إلى أن درجة الأكسدة أثناء التآكل صغيرة. بمزيد من التوسع في مورفولوجيا التآكل، كما هو مبين في الشكل 8 (ب) و(د) و(و)، يمكن ملاحظة التشوه البلاستيكي، والتشقق، وتساقط المادة، وظاهرة التآكل اللاصق للمادة التي تشكل حطام التآكل من الركيزة 316L. وذلك لأن مصفوفة 316L لينة نسبيًا. عندما تكون قوة القص أثناء الاحتكاك والتآكل أكبر من قوة الخضوع لـ 316L، ستخضع المصفوفة لتشوه بلاستيكي، مما يشكل ثقوبًا صغيرة وشقوقًا دقيقة. مع زيادة وقت التآكل، تتوسع الشقوق الدقيقة وتتساقط المصفوفة في طبقات. يمكن ملاحظة وجود كمية صغيرة من أخاديد الحرث في شكل التآكل، مما يشير إلى أن شكل تآكل مصفوفة 316L هو في الأساس تآكل لاصق وكمية صغيرة من التآكل الكاشطة. كما أبلغ وانغ وآخرون [20] عن خصائص مورفولوجيا تآكل مماثلة للفولاذ المقاوم للصدأ 316L. تكون ظاهرة التشوه البلاستيكي لمورفولوجيا التآكل لطبقة الكسوة أقل، وبشكل رئيسي كمية كبيرة من مورفولوجيا أخدود الحرث، مما يشير إلى أن شكل التآكل هو في الأساس تآكل كاشط وكمية صغيرة من التآكل اللاصق. تحتوي طبقة الكسوة بالليزر Stellite6 على محلول صلب من Cr وW وعناصر أخرى، مما يحسن من صلابة ومقاومة التشوه لطبقة الكسوة. تعمل الكربيدات سهلة الانصهار الشبكية الموجودة بين الحبيبات كنقاط صلبة، مما يعيق تشوه المصفوفة. أثناء التآكل، تتساقط الكربيدات الصلبة جزئيًا بسبب تركيز الإجهاد لتكوين حفر. تعمل الجسيمات الصلبة المتساقطة كمواد كاشطة، مما يتسبب في تشكيل طبقة الكسوة لتكوين مورفولوجيا الأخدود. يشبه شكل التآكل لطبقتين من الكسوة شكل طبقة الكسوة الواحدة. تنخفض ظاهرة التشوه البلاستيكي بشكل أكبر، ويتسق شكل التآكل مع شكل طبقة الكسوة الواحدة.

3 خاتمة

• كُسِيت سبيكة Stellite6 على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ 316L باستخدام عملية تكسية سلك الليزر ثنائي الطبقة. من خلال ضبط معلمات العملية، يمكن الحصول على طبقة تكسية بسماكة 3 مم تقريبًا مع تشكيل جيد وعدم وجود عيوب مثل الشوائب والشقوق. يكون معدل التخفيف في مركز وحافة طبقة الكسوة موحدًا نسبيًا وأقل من 5%.
• إن البنية المجهرية لطبقة الكسوة المغذية بالأسلاك الليزرية عبارة عن بنية ناقصة الانصهار، أي محلول صلب ما قبل الانصهار غني بالتشعبات وشبكة من كربيدات ما قبل الانصهار من الكروم والكربيدات سهلة الانصهار. تكون الكربيدات سهلة الانصهار أقل في الجزء السفلي من طبقة الكسوة وأكثر في الجزء العلوي. ستؤدي طاقة الليزر الأصغر وسرعة تغذية الأسلاك الأسرع إلى تكوين المزيد من الكربيدات سهلة الانصهار الشبكية في الجزء العلوي من طبقة الكسوة. (3) من الركيزة إلى طبقة الكسوة الأولى ثم إلى طبقة الكسوة الثانية، تزداد صلابة طبقة الكسوة بالليزر المغذية بسلك Stellite6 بطريقة متدرجة في الاتجاه الطولي وتستقر في النهاية بعد سمك 1.8 مم؛ تكون صلابة طبقة الكسوة موحدة نسبيًا في الاتجاه العرضي بالقرب من السطح، وتتراوح من 450 إلى 550 HV، وتكون صلابة المركز أعلى قليلاً من صلابة الحافة، وهو ما يرتبط بتراكم الحرارة أثناء الكسوة. (4) تم تقييم مقاومة التآكل لطبقة الكسوة المغذية بسلك الليزر عن طريق اختبار الاحتكاك والتآكل. أظهرت النتائج أن وضع التآكل لطبقة الكسوة يتغير من التآكل اللاصق للركيزة 316L إلى التآكل الكاشطة بسبب المحلول الصلب للكروم والوايت وعناصر أخرى ووجود عدد كبير من الكربيدات الصلبة الشبكية، مما يحسن بشكل كبير من مقاومة التآكل للركيزة. يبلغ معامل الاحتكاك لسطح الكسوة مع طبقتين من الكسوة 0.37، وينخفض فقدان الوزن بمقدار 53.9% مقارنة بالركيزة.