مع تطور استكشاف الموارد القطبية والشحن القطبي، تم توجيه اهتمام كبير نحو المواد المستخدمة في المعدات القطبية وتقنيات الحماية من التلف في البيئات القاسية. ولمعالجة احتياجات الحماية من التآكل في الفولاذ الهندسي البحري وتقييم أداء الفولاذ المقاوم للصدأ في ظروف درجات الحرارة المنخفضة، تم استخدام تقنية التكسية بالليزر لتصنيع طلاءات من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 316L والفولاذ المزدوج المقاوم للصدأ 2205 على سطح الفولاذ FH690. وخضعت هذه الطلاءات لاختبار تعريض لمدة عام واحد في بيئة الغلاف الجوي لمحطة تشونغشان في القارة القطبية الجنوبية. كشفت النتائج أن الطلاءات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ قللت بشكل فعال من معدل تآكل الركيزة الفولاذية البحرية. تم تحليل البنية المجهرية، والصلادة الدقيقة، والسلوك الترايبولوجي، وسلوك التآكل الكهروكيميائي، وثبات العينات في ظل ظروف درجات الحرارة المنخفضة القطبية. أشارت النتائج إلى أن طلاء 316L أظهر تآكلًا طفيفًا في حين أظهر طلاء 2205 تآكلًا انتقائيًا طفيفًا. حافظت كلتا الطبقتين على مستويات الصلابة الدقيقة ومقاومة التآكل قبل التعرض، مع انخفاض طفيف في مقاومة التآكل. أظهرت الطلاءات المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ المكسوة بالليزر ثباتًا في بنية الطور والأداء في بيئة التعرض الجوي في القطب الجنوبي، مما يوفر حماية فعالة للركيزة الفولاذية ذات درجة الحرارة المنخفضة. تقدم هذه النتائج دعمًا قيّمًا لتقييم القدرة على التكيف البيئي للمواد المستخدمة في المعدات القطبية وتطوير تقنيات الطلاء المقاوم للتآكل.

في السنوات الأخيرة، ومع الاحتباس الحراري، وندرة الموارد، والتغيرات البيئية، حظي استكشاف الموارد القطبية، والنهوض بالشحن القطبي، وحماية المصالح القطبية باهتمام متزايد من الدول في جميع أنحاء العالم. وقد أثبتت الأبحاث أن منطقة القطب الشمالي تحتوي على ما يقرب من 301 تيرابايت 3 طن من الغاز الطبيعي غير المطور في العالم و131 تيرابايت 3 طن من احتياطيات النفط غير المطورة في العالم، بينما تستضيف القارة القطبية الجنوبية أكبر حقل فحم في العالم، يقع تحت الغطاء الجليدي في شرق القارة القطبية الجنوبية، باحتياطي يقدر بحوالي 500 مليار طن. وفي عمليات استكشاف المناطق القطبية وتنميتها والحفاظ عليها، فإن الأداء التشغيلي للمعدات القطبية عالية الأداء مثل كاسحات الجليد والمنصات البحرية والمحطات الأرضية له أهمية بالغة في عمليات الاستكشاف والتطوير والحفاظ على المناطق القطبية. ومع ذلك، فإن البيئة القطبية معقدة وقاسية، حيث يبلغ متوسط درجات الحرارة السنوية حوالي -22.3 درجة مئوية تحت الصفر في القطب الشمالي وما بين -28.9 درجة مئوية و -35 درجة مئوية في جميع أنحاء القارة القطبية الجنوبية. ويشهد شهر إلى 4 أشهر فقط من السنة متوسط درجات حرارة شهرية تتراوح بين صفر درجة مئوية و10 درجات مئوية، مع ظروف مناخية قاسية تخفض درجات الحرارة إلى ما يصل إلى -70 درجة مئوية تحت الصفر. إلى جانب العواصف الجافة، والأشعة فوق البنفسجية الشديدة، ودورات التجمد والذوبان والتساقط العاصف للثلوج، تتعرض المعدات القطبية لأضرار تآكل طويلة وشديدة بسبب التعرض لدرجات الحرارة المنخفضة في الغلاف الجوي. بالنسبة للمكونات المتحركة في كاسحات الجليد ومنصات الحفر وأنظمة التخزين، يجب أيضًا مراعاة الأضرار الإضافية الناجمة عن أحمال الإجهاد والتآكل. وبالتالي، لطالما كانت القدرة على التكيف البيئي للمواد المستخدمة في المعدات القطبية نقطة محورية في الأبحاث العلمية المكثفة.

في الوقت الحالي، تتكون المواد المعدنية للمعدات القطبية في المقام الأول من الفولاذ منخفض الحرارة، وهو فولاذ عالي الأداء مصمم لإظهار صلابة ممتازة وقابلية لحام ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة. ويشمل ذلك عادةً الفولاذ منخفض السبيكة القائم على الفريت والفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ من الحديد والكروم والنيكل. يُستخدم الفولاذ منخفض الحرارة منخفض السبائك على نطاق واسع نظرًا لفعاليته من حيث التكلفة ويتم إنتاجه عادةً باستخدام عملية التحكم الميكانيكي الحراري (TMCP)، والتي تعزز القوة والمتانة وقابلية اللحام وتقلل من محتوى الكربون. أجرى وانج تشاويي وآخرون تجارب لحام باستخدام اللحام بالقوس المغمور على فولاذ بدرجة حرارة منخفضة بسُمك 54 مم بسُمك 460 ميجا باسكال للسفن القطبية المنتجة باستخدام عملية التحكم الميكانيكي الحراري (TMCP). ووجدوا أنه عند درجة حرارة منخفضة للغاية تصل إلى -70 درجة مئوية، أظهرت العينات من المنطقة المتأثرة بالحرارة ذات البنية المجهرية الثنائية المجهرية الهشة كسرًا هشًا، في حين أظهرت المادة الأساسية ذات البنية المجهرية ثنائية الطور من الفريت-البانيت قوة كسر أعلى ومقاومة أكبر لانتشار الشقوق. بحث سون شيبين وآخرون في السلوك الترايبولوجي لألواح الصلب البحري TMCP FH36 بسماكات مختلفة عند درجات حرارة 20 درجة مئوية و5 درجات مئوية و20 درجة مئوية تحت الصفر. وكشفت النتائج التي توصلوا إليها أن البنية المجهرية السطحية تتكون في المقام الأول من الفريت والبيرلايت، بينما تضمنت منطقة منتصف السماكة الفريت والبيرلايت والباينيت الحبيبي. أثرت البنية المجهرية بشكل مباشر على الصلابة ومقاومة التآكل، حيث كان التآكل الكاشطة الآلية المهيمنة، مصحوبًا بالتآكل الناتج عن التعب والتآكل اللاصق. مع انخفاض درجة الحرارة، ازدادت صلابة السطح الموضعية، لكن انفصال المواد بسبب الاحتكاك أدى إلى تفاقم التآكل، مما أدى إلى مسارات تآكل أوسع وأعمق وزيادة حجم التآكل. درس لي وآخرون سلوك التآكل المبكر للصلب EH36 منخفض الحرارة في بيئة محاكاة الغلاف الجوي البحري القطبي، مشيرين إلى أن التآكل ظل في مرحلة متسارعة في درجات الحرارة المنخفضة، بمعدل 0.47 جم-م²-ح-¹. يوفر الفولاذ عالي القوة FH690 ذو درجة الحرارة المنخفضة خصائص ميكانيكية ممتازة في درجات الحرارة المنخفضة؛ ومع ذلك، في البيئات التي يقترن فيها التآكل والتآكل، تفشل منتجات التآكل الرخوة والمسامية في مقاومة قوى القص الاحتكاكية، كما أن التآكل الجلفاني بين الركيزة المكشوفة ونواتج التآكل يزيد من سرعة التدهور. تكون البنية المجهرية للفولاذ منخفض الحرارة المصنوع من سبائك الفولاذ منخفضة الحرارة عرضة للتغيرات التي تسببها الحرارة والقوى الميكانيكية، مما يؤدي إلى عدم استقرار الخواص الميكانيكية والتآكل. بالإضافة إلى ذلك، يؤدي عدم وجود عناصر تخميل إلى تآكل سريع في بيئات Cl- البحرية، مما يقلل بشكل كبير من عمر الخدمة في ظل ظروف التآكل والتآكل المقترنة.

عادةً ما يبدأ تلف المواد، مثل التآكل والتآكل، على السطح. ومن خلال استخدام تقنيات التكسية بالأشعة عالية الطاقة لتصنيع طلاءات عالية الأداء مع مقاومة متكاملة للتآكل والتآكل في درجات الحرارة المنخفضة على سطح الفولاذ الهندسي البحري الصلب الصلب ذي درجة الحرارة المنخفضة، يمكن تحقيق تحسينات كبيرة في أداء خدمة المعدات الهندسية في البيئات القطبية القاسية. أظهرت الطلاءات المحضرة عن طريق التكسية بالليزر على ركائز الفولاذ البحري EH32 صلابة ومقاومة تآكل فائقة مقارنةً بالركيزة بعد اختبار التآكل والتجميد في درجات الحرارة المنخفضة عند درجة حرارة منخفضة عند درجة حرارة -80 درجة مئوية. يعد اختيار مواد الطلاء المناسبة عالية الأداء أمرًا بالغ الأهمية لتعزيز عمر خدمة الفولاذ البحري. يعالج الفولاذ المقاوم للصدأ، بفضل مقاومته الممتازة للتآكل، نقص عناصر التخميل في الفولاذ البحري منخفض الحرارة ويضمن، باعتباره سبيكة قائمة على الحديد، ترابطًا معدنيًا قويًا أثناء عملية التكسية. ويفتقر الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ إلى الانتقال من الدكتايل إلى الهش في درجات الحرارة المنخفضة، مما يوفر صلابة استثنائية للصدمات ومقاومة للتآكل. يوفر الفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج قوة أعلى ومقاومة تآكل محسنة، مع ترسيب متحكم به للمراحل الثانوية يحافظ على صلابة جيدة. يؤدي التباين غير المنتظم للمناخ القطبي إلى تعقيد محاكاة اختبارات التآكل الناتج عن التعرض للغلاف الجوي، مما يجعل التعرض الميداني طويل الأجل للغلاف الجوي في المناطق القطبية أكثر طرق التقييم موثوقية.

تتناول هذه الدراسة متطلبات المواد للمعدات الهندسية القطبية والحاجة إلى الحماية من التلف في البيئات القاسية. تم استخدام تقنية التكسية بالليزر لتصنيع طلاءات من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 316L والفولاذ المزدوج المقاوم للصدأ 2205 على سطح الفولاذ FH690، ثم تم إجراء اختبار التعرض في البيئة الجوية لمحطة تشونغشان في القارة القطبية الجنوبية. تم تحليل الصلادة الدقيقة، والسلوك الترايبولوجي، وسلوك التآكل الكهروكيميائي، وثبات العينات تحت ظروف درجات الحرارة المنخفضة القطبية لتوفير رؤى حول القدرة على التكيف البيئي والحماية من التآكل لمواد المعدات القطبية. تم فحص الفعالية الوقائية للطلاءات المكسوة بالليزر 316L و2205 المكسوة بالليزر على الفولاذ FH690 في بيئة التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي.

التحضير التجريبي
1.1 تحضير الطلاء وظروف التعرض للقطب الجنوبي
كانت مادة الركيزة المستخدمة في هذه التجربة من الفولاذ FH690 بأبعاد 100 مم × 25 مم × 10 مم. تم صقل السطح أولاً بورق صنفرة 1500 حبة لتحقيق خدوش متجانسة، ثم تم تنظيفه بالموجات فوق الصوتية باستخدام الإيثانول اللامائي لإزالة الشوائب السطحية والزيت، ثم جُفِّف للاستخدام اللاحق. اختيرت مساحيق سبائك الفولاذ المقاوم للصدأ من 316L و2205، بأحجام جسيمات تتراوح بين 48 و74 ميكرومتر، كمواد طلاء وجُفِّفت في بيئة مفرغة عند درجة حرارة 50 درجة مئوية لمدة 24 ساعة قبل التكسية.

تم تطبيق مساحيق السبائك بشكل موحد على سطح الركيزة باستخدام طريقة المسحوق المضبوط مسبقًا، بسماكة طلاء تبلغ حوالي 2 مم وأبعاد مستوية 50 مم × 25 مم. تم استخدام ليزر أشباه الموصلات المقترن بالألياف (ليزر RECI، DAC4000) بطاقة خرج قصوى تبلغ 4 كيلوواط للتكسية. كانت معلمات الكسوة على النحو التالي: طاقة ليزر 1.6 كيلوواط، وقطر البقعة 2 مم، وسرعة مسح 800 مم/دقيقة، ومعدل تداخل 251 تيرابايت في 3 تيرابايت، وحماية الغلاف الجوي بالأرجون. بعد التكسية، تم صقل الطلاءات بورق صنفرة 1500 حبة لمطابقة حالة الركيزة، وتم حفر ثقوب في مواقع محددة لتجميع العينات، وتم تصوير الحالة الأولية للعينات ووزنها.

اتبع تثبيت العينات للتعرض للغلاف الجوي في أنتاركتيكا معيار GB/T 14165-2008، مع وضع سطح العينة بزاوية 45 درجة على المستوى الأفقي، كما هو موضح في الشكل 1. نُشرت العينات في محطة تشونغشان في أنتاركتيكا لمدة اختبار مدتها سنة واحدة (من ديسمبر 2022 إلى ديسمبر 2023). عند الاسترجاع، تم تصوير العينات، وتم غمر العينات التي تحتوي على نواتج تآكل في محلول إزالة الصدأ الذي يحتوي على 100 مل من حمض الهيدروكلوريك و100 مل من الماء منزوع الأيونات و0.3 غرام من سداسي ميثيلين تيترامين للتنظيف بالموجات فوق الصوتية. ثم شطفت العينات بالكحول وجففت وصورت ووزنت. تم استخدام التفريغ الكهربائي السلكي لمعالجة العينات إلى عينات أصغر بمساحة سطح 10 مم × 10 مم للاختبار اللاحق.

1.2 توصيف العينة واختبار الأداء قبل التعرض للقطب الجنوبي وبعده
تم توصيف الطلاءات قبل وبعد التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي من حيث التشكل والتركيب وبنية الطور باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM، ZEISS Gemini300)، ومطياف تشتت الطاقة بالأشعة السينية (EDS، Oxford INCA 80)، ومقياس حيود الأشعة السينية (XRD، Bruker D8 Advance)، ومجهر المسح بالليزر متحد البؤر (CLSM، Keyence VK-X250).

تم قياس الصلادة الدقيقة باستخدام جهاز اختبار الصلادة الدقيقة من فيكرز (Veiyee QHV-1000SPTA) عند 20 نقطة مختارة عشوائيًا على سطح الطلاء، مع تطبيق حمولة 200 جم وزمن مكوث 15 ثانية. تم تقييم السلوك الترايبولوجي الانزلاقي الجاف الخطي للطلاء باستخدام آلة اختبار الاحتكاك والتآكل متعددة الوظائف (Rtec MFT-5000) مع قوة عمودية مطبقة تبلغ 10 نيوتن ومدة تآكل تبلغ 1800 ثانية، ومسافة ترددية تبلغ 3 مم، وكرة سيراميك SiN (قطر 6.35 مم) كسطح مضاد. تم تحليل مسارات التآكل باستخدام مقياس التآكل ثلاثي الأبعاد (Bruker Contour GT-K). تم تقييم سلوك التآكل عند درجة حرارة 10 ± 0.1 درجة مئوية باستخدام محطة عمل كهروكيميائية (Gamry Reference 3000) في محلول 3.5 بالوزن.% NaCl مع نظام ثلاثي الأقطاب: سلك بلاتيني كقطب مضاد، وقطب كهربائي Ag/AgCl كقطب مرجعي، والطلاء كقطب كهربائي عامل، مغلف براتنج الإيبوكسي لكشف منطقة عمل 10 مم × 10 مم. أجري اختبار جهد الدائرة المفتوحة (OCP) لمدة 1800 ثانية بتردد أخذ عينات قدره 0.5 ثانية -¹، تلاه التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS) عند دائرة مفتوحة بتردد يتراوح بين 100 كيلو هرتز و10 ميجا هرتز. تم إجراء الاستقطاب الديناميكي الجهد بمعدل مسح قدره 1 مللي فولت-ث¹، بدءاً من جهد ابتدائي قدره -0.3 فولت بالنسبة إلى OCP وينتهي عندما تصل كثافة تيار الاستقطاب الأنودي إلى 1 مللي أمبير-سم-²، ما ينتج منحنى الاستقطاب Tafel. تم تكرار كل اختبار ترايبولوجي وكهروكيميائي ثلاث مرات على الأقل لضمان الدقة.

2 النتائج والمناقشة
2.1 تحليل المورفولوجيا وفقدان الكتلة
يظهر التشكل المجهري للطلاءات بعد التحضير في الشكل 2. حقق كل من الطلاءين ترابطًا معدنيًا مرضيًا مع الركيزة، حيث أظهر بنية موحدة وكثيفة دون عيوب مثل الشقوق أو المسام أو الشوائب أو عدم الاندماج في الواجهة. يرد التحليل التركيبي للعناصر الرئيسية في الطلاءات في الجدول 1. يشكّل الكروم والميو، وهما عنصران حاسمان مقاومان للنقر في الفولاذ المقاوم للصدأ، طبقة تخميل كثيفة في البيئات المسببة للتآكل، بينما يُعد النيكل عنصر التثبيت الأساسي للأوستنيت. بينما يؤدي التلبيس بالليزر، أثناء تحقيق الترابط المعدني بين الطلاء والركيزة، إلى بعض التخفيف، مع انتقال عناصر من الركيزة إلى الطلاء، مما يؤدي إلى انخفاض محتويات الكروم والنيكل قليلاً مقارنةً بالتركيبات الاسمية للفولاذين المقاومين للصدأ.

يوضح الشكل 3 المورفولوجيا العيانية للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ في حالتهما الأولية، بعد عام واحد من التعرض في محطة تشونغشان في أنتاركتيكا، وبعد إزالة الصدأ. في حالتها الأولية، أظهرت الركيزة الفولاذية FH690 والطلاء 316L والطلاء 2205 بريقًا معدنيًا لامعًا (الشكلان 3 أ، 3 د) مع خصائص سطحية ممتازة. بعد عام واحد من التعريض في محطة تشونغشان، ظلت الطلاءات ملتصقة جيدًا بالركيزة دون تشقق أو تفكك. خضعت الركيزة الفولاذية FH690 للتآكل، وتفاعلت مع الأكسجين لتكوين طبقة أكسيد موحدة وفضفاضة، وتحولت من بريق معدني إلى لون بني (الشكلان 3 ب، 3 هـ). تشمل نواتج التآكل الأساسية للصلب FH690 في بيئة الغلاف الجوي البحري α-FeOOH، وβ-FeOOH، و Fe₃O₄O₄. وبوضعها بزاوية 45 درجة على الأرض، تسبب هطول الأمطار وتساقط الثلوج في أنتاركتيكا في تدفق نواتج التآكل من الركيزة FH690 على الطلاءات، مما أدى إلى تحول بعض المناطق إلى اللون البني المائل للرمادي. بعد إزالة الصدأ، اختفت نواتج التآكل ذات اللون البني المائل للرمادي على أسطح الطلاء، وأظهر شكل سطح الطلاء 316L و2205 انحرافًا ضئيلًا عن حالته الأولية (الشكلان 3ج، 3و)، مما يشير إلى الحماية الفعالة للركيزة FH690.

وقد تم الإبلاغ عن السمات المجهرية للفولاذ منخفض السبائك بعد التآكل في بيئة الغلاف الجوي في القطب الجنوبي، والتي عادةً ما تكون نواتج تآكل متكتلة أو صفائحية أو شبيهة بالبتلات مصحوبة بتشققات وخصائص تنقر. يظهر الشكل 4 في الشكل 4 المورفولوجيا المجهرية للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ بعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان. وأظهر سطح الطلاء 316L العديد من الثقوب في الحفر، مع وجود اختلافات ضئيلة في محتوى العنصر المعدني داخل الحفر وخارجها، على الرغم من أن محتوى الأكسجين كان أعلى على جدران الحفر. يعتمد الفولاذ المقاوم للصدأ على عناصر تخميل سهلة مثل الكروم والمونيوم لتشكيل طبقة أكسيد كثيفة لمقاومة التآكل الكلور- Cl-؛ يشير محتوى الأكسجين الأعلى إلى وجود طبقة تخميل أكثر كثافة، مع تفضيل تآكل المناطق ذات المحتوى المنخفض من طبقة التخميل. أظهر سطح طلاء 2205 خصائص تآكل انتقائية، حيث أظهرت مناطق الأوستينيت (B2) ذات المحتوى المنخفض من الكروم تآكلًا تفضيليًا، بينما أظهرت مناطق الفريت (B1) ذات المحتوى العالي من الكروم مستويات أكسجين أعلى وجودة طبقة تخميل فائقة.

يظهر الشكل 5 في الشكل 5 التشكل البؤري بالليزر للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ بعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان في القارة القطبية الجنوبية. أظهر الطلاء 316L العديد من مواقع التآكل الصغيرة، مع تجمّع بعض الحفر الصغيرة واندماجها في حفر أكبر، حيث بلغ عمق أعمقها 12.89 ميكرومتر. في المقابل، لم يُظهر طلاء 2205 أي سمات تآكل تنقر، حيث خضع في المقام الأول لتآكل انتقائي طفيف، مع مورفولوجية مجهرية تعكس البنية ثنائية الطور المميزة للفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج.

كشف التحليل الطوري للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ في حالتهما الأولية وبعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان (الشكل 6) أن الطلاءين 316L و2205 حافظا على بنية أوستنيتي أحادية الطور مستقرة وبنية أوستنيتي-فريتي ثنائية الطور على التوالي، قبل وبعد التعرض. شهدت أسطح الطلاء تآكلًا طفيفًا فقط دون تراكم كبير لنواتج التآكل. وبالنظر إلى أن سُمك طبقة التخميل لا يتجاوز عادةً 10 نانومتر، لم يتم اكتشاف أي قمم حيود إضافية. أظهر الطلاء 316L و2205 المكسو بالليزر ثبات الطور في بيئة التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي.

استنادًا إلى النتائج المذكورة أعلاه، فإن نواتج التآكل التي لوحظت على العينات نشأت من الركيزة، في حين أن الطلاءات نفسها لم تُظهر أي تغييرات كبيرة. تم استخدام طريقة الفقد الكتلي للتحقق من معدل تآكل العينات وتقييم الفعالية الوقائية لطلاءات الفولاذ المقاوم للصدأ. في دراسات التآكل الناتجة عن التعرض للغلاف الجوي، يتم حساب فقدان كتلة التآكل ومعدل تآكل المواد المعدنية باستخدام المعادلات التالية: حيث ω تمثل ω فقدان كتلة التآكل لكل وحدة مساحة (جم/م²)، ν تشير إلى معدل التآكل (مم/سم مكعب)، m_t هي كتلة العينة بعد إزالة الصدأ (جم)، m_0 هي كتلة العينة قبل التعرض (جم)، S هي مساحة سطح العينة (سم²)، ρ هي كثافة الفولاذ منخفض السبائك (حوالي 7.86 جم/سم مكعب)، و t هي مدة التعرض (ساعة).

يرد في الشكل 7 الفقد الكتلي المحسوب ومتوسط معدل التآكل للصلب FH690 تحت حماية الطلاءين. تحت الطلاء 316L، بلغ الفقد الكتلي للفولاذ FH690 12.5 مجم-سم²، بمتوسط معدل تآكل 15.9 ميكرومتر-أ¹؛ وتحت الطلاء 2205، بلغ الفقد الكتلي 12.8 مجم-سم²، بمتوسط معدل تآكل 16.3 ميكرومتر-أ¹. أظهر كلا الطلاءين تآكلًا ضئيلًا في بيئة الغلاف الجوي في القطب الجنوبي، مما يوفر حماية فعالة للركيزة الفولاذية FH690. كان متوسط معدلات التآكل تحت الطلاءين متطابقًا تقريبًا، حيث يُعزى كل فقدان الكتلة إلى الركيزة المكشوفة. وبالمقارنة مع معدل تآكل الفولاذ البحري غير المحمي 690 من فئة MPa في الغلاف الجوي للقطب الجنوبي (18.7 ميكرومتر في الألف ¹)، تم تحقيق انخفاض كبير.

2.2 الصلابة الدقيقة
يوضح الشكل 8 متوسط الصلادة الدقيقة لسطحي طلاء الفولاذ المقاوم للصدأ. كانت قيم الصلادة الصغرى الأولية للطلاءات 316L و2205 هي 279.19 HV₀ و392.77 HV₀₂₂₂₂، على التوالي. وعادةً لا تتجاوز الصلادة المجهرية للسبائك المصبوبة 316L 200 HV₀₂، في حين أن صلادة المسبوكة 2205 تبلغ حوالي 300 HV₀₂₂. يمكن أن تُعزى الصلابة الأعلى للطلاءات المكسوة بالليزر إلى عاملين: أولاً، ينتج عن التبريد السريع أثناء التكسية بالليزر هياكل حبيبات متشعبة ومتساوية دقيقة مما يساهم في تقوية صقل الحبوب؛ ثانيًا، يسمح الترابط المعدني بين الركيزة والطلاء باختلاط عناصر من الفولاذ FH690 في طلاءات الفولاذ المقاوم للصدأ، مما يعزز الصلابة. وهذا ما تدعمه نتائج EDS (الجدول 1)، والتي تشير إلى تخفيف الحديد، مما يقلل من محتوى العناصر الأخرى. بعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان، ظلت الصلادة الدقيقة للطلاءات دون تغيير تقريبًا، مما يدل على قدرة ممتازة على التكيف البيئي.

2.3 السلوك الترايبولوجي
يعرض الشكل 9 السلوك الترايبولوجي للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ قبل وبعد التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي. في ظل ظروف الاحتكاك الانزلاقي الجاف، استقر معامل الاحتكاك (COF) بعد 300 ثانية تقريبًا، ليصل إلى قيمة ثابتة تبلغ حوالي 0.7. بعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان، انخفض معامل الاحتكاك COF للطلاء 316L بشكل طفيف مقارنة بحالته الأولية، بينما ظل معامل الاحتكاك لطلاء 2205 دون تغيير. وظل فقدان حجم التآكل في كلا الطلاءين ثابتًا قبل وبعد التعرض، حيث أظهر الطلاء 2205 حجم تآكل أقل من الطلاء 316L. كانت ملامح مسار التآكل للطلاء 2205 أكثر ضحالة من الطلاء 316L، مما يشير إلى مقاومة تآكل فائقة. أظهر الطلاء 316L حوافًا واضحة عند حواف مسار التآكل، ناتجة عن تشوه البلاستيك تحت ضغط الكرة المنزلقة. تم حساب معدل التآكل (μ) للطلاءات باستخدام معادلة أرتشارد: حيث V هو حجم التآكل المقاس (مم³)، وN هو الحمل العادي (N)، وd هو إجمالي مسافة الانزلاق (م).

تشير النتائج المحسوبة، الموضحة في الشكل 9 د، إلى أن معدلات تآكل الطلاء 316L و2205 كانت تقريبًا 8.35 × 10-⁶ ملمتر مكعب-ن-¹-م-¹ و7.85 × 10-⁶ ملمتر مكعب-ن-¹-م-¹، على التوالي. بعد التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي، ظلت معدلات التآكل لكلا الطلاءين عند مستوياتها قبل التعرض، مما يدل على مقاومة تآكل مستقرة.

يصور الشكل 10 مورفولوجيا مسار التآكل للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ بعد عام واحد من التعرض في محطة تشونغشان، مع نتائج المسح النقطي EDS الواردة في الجدول 2. كان عرض مسار التآكل للطلاء 316L 565.72 ميكرومتر، بينما كان عرض مسار التآكل للطلاء 2205 يبلغ 495.71 ميكرومتر، وهو ما يتسق مع الفقد الكتلي الأكبر الذي لوحظ في الطلاء 316L. من الناحية الشكلية، أظهر كلا الطلاءين أخاديد حرث وطبقات نقل في مسارات التآكل، مما يشير إلى حدوث تآكل كاشط ولاصق. أظهر الطلاء 316L انتشارًا أكبر لطبقات النقل، حيث كان التآكل اللاصق أكثر بروزًا، بينما أظهر الطلاء 2205 أخاديد أكثر وضوحًا في الحرث، مما يشير إلى أن التآكل الكاشطة هي الآلية السائدة. أظهرت طبقات النقل محتوى عاليًا للغاية من الأكسجين، ويُعزى ذلك إلى الحرارة الاحتكاكية أثناء التآكل الترددي الذي يعزز أكسدة عناصر التخميل مثل الكروم والمونيوم.

2.4 سلوك التآكل الكهروكيميائي
يُظهر الشكل 11 منحنيات الاستقطاب الديناميكي التقويمي للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ، مع بارامترات التآكل الكهروكيميائية المدرجة في الجدول 3. بعد عام واحد من التعرض للغلاف الجوي في محطة تشونغشان، أظهر منحنى الاستقطاب الكهروكيميائي الديناميكي لطلاء 316L تغيرًا طفيفًا في الاتجاه، على الرغم من أن إمكانات الانهيار التنقر (E_b، 536.8 مللي فولت في البداية، و503.7 مللي فولت بعد التعرض) تحولت قليلاً في وقت سابق، وتضاعفت كثافة التيار السلبي (i_p). ظل الفاصل الزمني للتخميل (ΔE) للطلاء 2205 حوالي 1300 م فولت تقريبًا، لكن كثافة التيار السلبي (i_p) زادت من 2.455 ميكرو أمبير-سم² إلى 4.177 ميكرو أمبير-سم² بعد التعرض. بعد التعرض، انخفضت مقاومة التآكل لكل من الطلاءات 316L و2205 بدرجات متفاوتة، ويعزى ذلك إلى العيوب السطحية الناجمة عن الغلاف الجوي القطبي الجنوبي المتآكل.

يعرض الشكل 12 نتائج التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS) للطلاءين المصنوعين من الفولاذ المقاوم للصدأ. بعد سنة واحدة من التعرض للغلاف الجوي، أظهرت مخططات نيكويست (الشكل 12 أ) للطلاءات 316L و2205 انخفاضًا في أنصاف أقطار القوس السعوي، مما يشير إلى انخفاض مقاومة نقل الشحنة واستقرار طبقة التخميل. في مخططات بودي (الشكل 12 ب)، انخفض معامل المعاوقة (|Z|) عند 0.1 هرتز، والذي يعكس عادةً مقاومة الاستقطاب للمادة في المحلول، بعد التعرض لكلا الطلاءين، مما يشير إلى انخفاض مقاومة التآكل. بالإضافة إلى ذلك، تشير زاوية الطور الأكبر والمدى الأوسع في منطقة التردد المتوسط إلى ثبات أكبر في طبقة التخميل. بعد التعريض، ضاقت زاوية الطور متوسطة التردد للطلاء 316L وتضاءلت، بينما انخفضت زاوية الطلاء 2205 أيضًا، مما يعكس انخفاضًا في جودة طبقة التخميل. وبالنظر إلى وجود ثابتين زمنيين في عملية التآكل، تم استخدام نموذج الطبقة المزدوجة (في الشكل 12 أ) لملاءمة البيانات، كما هو موضح في الجدول 4. كانت مقاومة الطبقة الخارجية المسامية (R_p) أقل بكثير من مقاومة الطبقة الداخلية (R_c)، مما يشير إلى أن مقاومة تفاعل القطب الكهربائي للطلاءات كانت محكومة في المقام الأول بخطوة نقل الشحنة. بعد التعرض، انخفض R_c لكلا الطلاءين. على الرغم من الانخفاض الطفيف في مقاومة التآكل بعد التعرض للغلاف الجوي في القطب الجنوبي، حافظت الطلاءات المكسوة بالليزر على حالة تخميل مستقرة ومعدل تآكل منخفض، واستمرت في توفير حماية فعالة للصلب البحري منخفض الحرارة.

3 خاتمة

في هذه الورقة البحثية، تم تحضير طلاءات من الفولاذ الأوستنيتي المقاوم للصدأ 316L والفولاذ المقاوم للصدأ المزدوج 2205 على ركيزة الفولاذ البحري منخفض الحرارة FH690 باستخدام تقنية الكسوة بالليزر. تم تعريض الطلاءات للغلاف الجوي لمدة عام واحد في محطة تشونغشان في القارة القطبية الجنوبية. تم تحليل التأثير الوقائي، والبنية المجهرية، والصلابة، والاحتكاك والتآكل، وسلوك التآكل الكهروكيميائي للطلاءين. وكانت النتائج على النحو التالي:

(1) حدث تأليب طفيف على سطح طلاء 316L، وحدث تآكل انتقائي طفيف على سطح طلاء 2205. يمكن لكلا الطلاءين من الفولاذ المقاوم للصدأ الحفاظ على هيكل طوري مستقر، والذي يلعب دورًا وقائيًا جيدًا على الركيزة الفولاذية FH690 ويقلل من معدل التآكل الجوي للركيزة.

(2) بالكاد تغيرت الصلادة الدقيقة للطلاءين؛ وكان معامل الاحتكاك مستقرًا عند حوالي 0.7، وتم الحفاظ على معدلات التآكل للطلاء 316L و2205 عند حوالي 8.35 و7.85 × 10-6 ملم3-ن-1-م-1 على التوالي؛ وتعرض الطلاء 316L بشكل رئيسي للتآكل اللاصق، بينما تعرض الطلاء 2205 بشكل رئيسي للتآكل الكاشطة. كان الطلاءان قادرين على الحفاظ على مقاومة ميكانيكية ومقاومة تآكل مستقرة قبل وبعد التعرض للقطب الجنوبي.

(3) تم توليد كمية صغيرة من عيوب التآكل على سطح الطلاءين، مما أدى إلى زيادة في كثافة التيار السلبي، وإمكانية الانهيار المبكر للطلاء 316L، وانخفاض في مقاومة طبقة التخميل للطلاءين، ولكنهما كانا لا يزالان قادرين على الحفاظ على تأثير تخميل جيد ومعدل تآكل منخفض.