با توسعه اکتشاف منابع قطبی و حمل‌ونقل قطبی، توجه قابل‌توجهی به مواد مورد استفاده برای تجهیزات قطبی و فناوری‌های حفاظتی در برابر آسیب در محیط‌های شدید معطوف شده است. برای پاسخگویی به نیازهای حفاظت در برابر خوردگی فولاد مهندسی دریایی و ارزیابی عملکرد فولاد ضد زنگ تحت شرایط دمایی پایین، از فناوری پوشش‌دهی لیزری برای ساخت پوشش‌های فولاد ضد زنگ آستنیتی 316L و فولاد ضد زنگ دوپلکس 2205 بر روی سطح فولاد FH690 استفاده شد. این پوشش‌ها تحت آزمایش قرار گرفتن در معرض یک‌ساله در محیط جوی ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب قرار گرفتند. نتایج نشان داد که پوشش‌های فولاد ضد زنگ به طور مؤثر نرخ خوردگی زیرلایه فولادی دریایی را کاهش دادند. ریزساختار، ریزسختی، رفتار اصطکاکی، رفتار خوردگی الکتروشیمیایی و پایداری نمونه‌ها تحت شرایط دمایی پایین قطبی مورد تحلیل قرار گرفتند. یافته‌ها نشان داد که پوشش 316L دچار خوردگی چاله‌ای جزئی شد، در حالی که پوشش 2205 خوردگی انتخابی خفیفی را نشان داد. هر دو پوشش سطوح پیش از قرارگیری در معرض عوامل محیطی خود از سختی‌پذیری میکرو و مقاومت به سایش را حفظ کردند، با کاهش جزئی در مقاومت به خوردگی. پوشش‌های فولاد ضد زنگ پوشش‌داده‌شده با لیزر در محیط قرارگیری در معرض جو قطب جنوب، پایداری در ساختار فازی و عملکرد خود را نشان دادند و محافظت مؤثری از زیرلایه فولادی در دمای پایین به عمل آوردند. این نتایج پشتیبانی ارزشمندی برای ارزیابی سازگاری با محیط زیست مواد مورد استفاده در تجهیزات قطبی و پیشبرد فناوری‌های پوشش‌های ضد خوردگی فراهم می‌کنند.

در سال‌های اخیر، با گرم شدن زمین، کمبود منابع و تغییرات زیست‌محیطی، اکتشاف منابع قطبی، توسعه حمل‌ونقل قطبی و حفاظت از منافع قطبی توجه فزاینده‌ای را از سوی کشورهای سراسر جهان به خود جلب کرده است. تحقیقات نشان داده است که منطقه قطب شمال حاوی حدود ۳۰۱ تریلیون فوت مکعب از ذخایر گاز طبیعی و ۱۳۱ تریلیون فوت مکعب از ذخایر نفتی توسعه‌نیافته جهان است، در حالی که قطب جنوب میزبان بزرگترین زغال‌سنگ‌زار جهان است که در زیر پوشش یخ قطب جنوب شرقی قرار دارد و ذخیره‌ای در حدود ۵۰۰ میلیارد تن برآورد می‌شود. در فرآیندهای اکتشاف، توسعه و حفاظت از مناطق قطبی، عملکرد عملیاتی تجهیزات قطبی با کارایی بالا مانند یخ‌شکن‌ها، سکوهای فراساحلی و ایستگاه‌های زمینی از اهمیت حیاتی برخوردار است. با این حال، محیط قطبی پیچیده و سخت است و دمای متوسط سالانه آن در قطب شمال تقریباً -۲۲.۳ درجه سانتی‌گراد و در سراسر قاره قطب جنوب بین -۲۸.۹ درجه سانتی‌گراد تا -۳۵ درجه سانتی‌گراد است. تنها ۱ تا ۴ ماه از سال، دماهای متوسط ماهانه بین ۰ تا ۱۰ درجه سانتی‌گراد را تجربه می‌کند و شرایط آب و هوایی شدید، دمای کاری را تا ۷۰- درجه سانتی‌گراد پایین می‌آورد. این عوامل در کنار بادهای خشک، تابش فرابنفش شدید، چرخه‌های یخ‌زدگی و آب‌شدگی، و کولاک‌های شدید، باعث آسیب خوردگی طولانی‌مدت و شدید ناشی از قرار گرفتن در معرض جو در دمای پایین بر تجهیزات قطبی می‌شوند. برای قطعات متحرک در یخ‌شکن‌ها، دکل‌های حفاری و سیستم‌های ذخیره‌سازی، باید آسیب‌های اضافی ناشی از تنش و بارهای سایش را نیز در نظر گرفت. در نتیجه، سازگاری محیطی مواد برای تجهیزات قطبی از دیرباز یکی از محورهای اصلی تحقیقات علمی گسترده بوده است.

در حال حاضر، مواد فلزی برای تجهیزات قطبی عمدتاً از فولادهای دمای پایین تشکیل می‌شوند که فولادهای با عملکرد بالا هستند و برای نمایش چقرمگی و قابلیت جوشکاری عالی در دماهای پایین طراحی شده‌اند. این فولادها معمولاً شامل فولادهای کم‌آلیاژ مبتنی بر فریت و فولادهای ضدزنگ آستنیتی Fe-Cr-Ni هستند. فولادهای کم‌آلیاژ دمای پایین به دلیل مقرون‌به‌صرفه بودن به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند و معمولاً با استفاده از فرآیند کنترل ترمومکانیکی (TMCP) تولید می‌شوند که استحکام، چقرمگی، قابلیت جوشکاری را افزایش داده و محتوای کربن را کاهش می‌دهد. وانگ چائوی و همکاران آزمایش‌های جوشکاری را با استفاده از جوشکاری قوس زیر آب (SAW) بر روی فولاد دمای پایین با ضخامت ۵۴ میلی‌متر و گرید ۴۶۰ مگاپاسکال که با فرآیند TMCP برای کشتی‌های قطبی تولید شده بود، انجام دادند. آنها دریافتند که در دمای بسیار پایین -۷۰ درجه سانتی‌گراد، نمونه‌های ناحیه متأثر از حرارت با ریزساختار منحصراً باینیتی، شکست شکننده‌ای از خود نشان دادند، در حالی که ماده پایه با ریزساختار دوفازی فریت-باینیت، مقاومت به شکست بالاتری و مقاومت بیشتری در برابر گسترش ترک داشت. سون شیبین و همکاران رفتار اصطکاکی صفحات فولادی دریایی TMCP FH36 با ضخامت‌های مختلف را در دماهای ۲۰ درجه سانتی‌گراد، ۵- درجه سانتی‌گراد و ۲۰- درجه سانتی‌گراد مورد بررسی قرار دادند. یافته‌های آنها نشان داد که ریزساختار سطح عمدتاً از فریت و پرلیت تشکیل شده است، در حالی که منطقه میانی ضخامت دارای فریت، پرلیت و بینیت دانه‌ای بود. ریزساختار مستقیماً بر سختی و مقاومت به سایش تأثیر گذاشت، و سایش سایشی به عنوان مکانیزم غالب همراه با سایش خستگی و چسبندگی بود. با کاهش دما، سختی موضعی سطح افزایش یافت، اما جدا شدن مواد به دلیل اصطکاک، سایش را تشدید کرد و منجر به ایجاد مسیرهای سایش وسیع‌تر و عمیق‌تر و حجم سایش بیشتر شد. لی و همکاران رفتار خوردگی اولیه فولاد دمای پایین EH36 را در یک محیط جوی دریایی قطبی شبیه‌سازی‌شده مطالعه کردند و متوجه شدند که خوردگی در دماهای پایین در فاز تسریع‌شده باقی می‌ماند، با نرخ 0.47 گرم بر متر مربع بر ساعت. فولاد کم‌آلیاژ دمای پایین FH690 با استحکام بالا، خواص مکانیکی عالی در دمای پایین ارائه می‌دهد؛ با این حال، در محیط‌هایی با آسیب همزمان سایش-خوردگی، محصولات خوردگی شل و متخلخل در برابر نیروهای برشی اصطکاکی مقاومت نمی‌کنند و خوردگی گالوانیک بین زیرلایه در معرض دید و محصولات سایش، تخریب را بیشتر تسریع می‌کند. ریزساختار فولادهای کم‌آلیاژ دمای پایین در برابر تغییرات ناشی از نیروهای حرارتی و مکانیکی حساس است که منجر به ناپایداری در خواص مکانیکی و سایش می‌شود. علاوه بر این، عدم وجود عناصر پاسیواسیون‌کننده منجر به خوردگی سریع در محیط‌های دریایی حاوی یون کلر (Cl⁻) می‌شود و عمر مفید را در شرایط سایش-خوردگی هم‌زمان به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد.

آسیب‌های ماده‌ای، مانند سایش و خوردگی، معمولاً از سطح آغاز می‌شوند. با به‌کارگیری فناوری‌های پوشش‌دهی با پرتو پرانرژی برای ساخت پوشش‌های با عملکرد بالا که دارای مقاومت یکپارچه در برابر سایش و خوردگی در دمای پایین بر روی سطح فولاد مهندسی دریایی مقاوم در دمای پایین هستند، می‌توان بهبودهای قابل‌توجهی در عملکرد خدماتی تجهیزات مهندسی در محیط‌های قطبی شدید به دست آورد. پوشش‌های تهیه شده از طریق کلادینگ لیزری روی زیرلایه‌های فولاد دریایی EH32، پس از آزمون انجماد-خوردگی در دمای پایین (−80 درجه سانتی‌گراد)، سختی و مقاومت به سایش بهتری نسبت به زیرلایه نشان دادند. انتخاب مواد پوشش با کارایی بالا و مناسب برای افزایش عمر مفید فولاد دریایی بسیار حیاتی است. فولاد ضد زنگ، با مقاومت عالی در برابر خوردگی، کمبود عناصر پاسیوکننده در فولاد دریایی در دمای پایین را برطرف می‌کند و به عنوان یک آلیاژ مبتنی بر آهن، پیوند متالورژیکی محکمی را در طول فرآیند پوشش‌دهی تضمین می‌کند. فولاد ضد زنگ آستنیتی فاقد گذار چکش‌خوار-شکننده در دماهای پایین است و مقاومت ضربه‌ای استثنایی و مقاومت در برابر خوردگی را ارائه می‌دهد. فولاد ضد زنگ دوپلکس استحکام بالاتر و مقاومت سایش بهبودیافته را فراهم می‌کند و رسوب‌گذاری کنترل‌شده فازهای ثانویه، استحکام خوبی را حفظ می‌کند. تغییرپذیری نامنظم آب‌وهوای قطبی، شبیه‌سازی آزمایش‌های خوردگی در معرض جو را پیچیده می‌سازد و در نتیجه، قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض جو در مناطق قطبی به روش ارزیابی قابل اعتمادترین تبدیل می‌شود.

این مطالعه نیازهای مواد برای تجهیزات مهندسی قطبی و لزوم محافظت در برابر آسیب در محیط‌های شدید را بررسی می‌کند. از فناوری پوشش‌دهی لیزری برای ساخت پوشش‌های فولاد ضدزنگ آستنیتی 316L و فولاد ضدزنگ دوپلکس 2205 بر روی سطح فولاد FH690 استفاده شد و سپس آزمون‌های قرارگیری در معرض در محیط جوی ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب انجام گرفت. میکروسختی، رفتار اصطکاکی، رفتار خوردگی الکتروشیمیایی و پایداری نمونه‌ها تحت شرایط دمایی پایین قطبی برای ارائه بینش‌هایی در مورد سازگاری با محیط و حفاظت در برابر خوردگی مواد تجهیزات قطبی مورد تحلیل قرار گرفت. اثربخشی حفاظتی پوشش‌های لیزر کلد 316L و 2205 بر فولاد FH690 در محیط قرارگیری در معرض جو ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب مورد بررسی قرار گرفت.

آماده‌سازی تجربی
۱.۱ آماده‌سازی پوشش و شرایط قرارگیری در معرض قطب جنوب
مواد زیرلایه مورد استفاده در این آزمایش فولاد FH690 با ابعاد 100 × 25 × 10 میلی‌متر بود. سطح ابتدا با سمباده دانه 1500 صیقل داده شد تا خراش‌های یکنواختی ایجاد شود، سپس با اتیلن بی‌آب به روش اولتراسونیک تمیز شد تا ناخالصی‌ها و روغن سطحی حذف گردد و در نهایت برای استفاده بعدی خشک شد. پودرهای آلیاژ فولاد ضد زنگ 316L و 2205 با اندازه ذرات بین 48 تا 74 میکرومتر به‌عنوان مواد پوشش انتخاب و پیش از پوشش‌دهی به مدت 24 ساعت در دمای 50 درجه سانتی‌گراد در محیط خلأ خشک شدند.

پودرهای آلیاژی به‌طور یکنواخت با استفاده از روش پودر پیش‌تنظیم‌شده روی سطح زیرلایه اعمال شدند، با ضخامت پوشش تقریباً ۲ میلی‌متر و ابعاد صفحه‌ای ۵۰ × ۲۵ میلی‌متر. برای پوشش‌دهی از لیزر نیمه‌رسانای متصل به فیبر (RECI Laser, DAC4000) با حداکثر توان خروجی ۴ کیلووات استفاده شد. پارامترهای کلادینگ به شرح زیر بود: توان لیزر ۱.۶ کیلووات، قطر نقطه ۲ میلی‌متر، سرعت اسکن ۸۰۰ میلی‌متر بر دقیقه، نرخ همپوشانی ۲۵۱TP3T و حفاظت در جو آرگون. پس از روکش‌کاری، پوشش‌ها با سمباده ۱۵۰۰ دانه صیقل داده شدند تا با وضعیت زیرلایه مطابقت داشته باشند، سوراخ‌ها در مکان‌های مشخص برای مونتاژ نمونه حفر شدند و وضعیت اولیه نمونه‌ها عکسبرداری و وزن‌کشی شد.

ثابت‌سازی نمونه‌ها برای قرارگیری در معرض جو در قطب جنوب، مطابق با استاندارد GB/T 14165-2008 انجام شد، به طوری که سطح نمونه در زاویه ۴۵ درجه با صفحه افقی قرار گرفت، همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است. نمونه‌ها در ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب برای مدت آزمایش ۱ ساله (دسامبر ۲۰۲۲ تا دسامبر ۲۰۲۳) مستقر شدند. پس از بازیابی، از نمونه‌ها عکس‌برداری شد و نمونه‌هایی که دارای محصولات خوردگی بودند، برای تمیزکاری با امواج فراصوت در محلولی شامل ۱۰۰ میلی‌لیتر HCl، ۱۰۰ میلی‌لیتر آب مقطر و ۰.۳ گرم هگزامتیلن‌تترامین غوطه‌ور شدند. سپس نمونه‌ها با الکل آبکشی، خشک، عکس‌برداری و وزن‌کشی شدند. از ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی سیمی برای فرآوری نمونه‌ها به قطعات کوچکتر با مساحت سطح ۱۰ × ۱۰ میلی‌متر برای آزمایش‌های بعدی استفاده شد.

۱.۲ مشخصه‌یابی نمونه و آزمون عملکرد قبل و بعد از قرارگیری در معرض شرایط قطب جنوب
پوشش‌ها پیش و پس از قرارگیری در معرض جو قطب جنوب از نظر ریخت‌شناسی، ترکیب و ساختار فازی با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM، ZEISS Gemini300)، طیف‌سنج پراکنده انرژی پرتو ایکس (EDS، Oxford INCA 80)، دستگاه دیفرانسیومتر پرتو ایکس (XRD، Bruker D8 Advance) و میکروسکوپ لیزری اسکن‌کننده کنفوکل (CLSM، Keyence VK-X250) مشخصه‌سنجی شدند.

میکروسختی با استفاده از دستگاه سختی‌سنجی ویکرز (Veiyee QHV-1000SPTA) در 20 نقطه تصادفی روی سطح پوشش، با بار اعمالی 200 گرم و زمان ماندگاری 15 ثانیه اندازه‌گیری شد. میانگین 20 اندازه‌گیری به عنوان سختی سطح پوشش در نظر گرفته شد. رفتار اصطکاکی لغزشی خشک خطی پوشش‌ها با استفاده از یک دستگاه آزمون اصطکاک و سایش چندمنظوره (Rtec MFT-5000) با نیروی نرمال اعمالی 10 نیوتن، مدت زمان سایش 1800 ثانیه، فاصله رفت و برگشت 3 میلی‌متر و یک توپ سرامیکی SiN (قطر 6.35 میلی‌متر) به عنوان سطح مقابل، ارزیابی شد. ردهای سایش با استفاده از مورفومتر سه‌بعدی (Bruker Contour GT-K) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند. رفتار خوردگی در دمای ۰.۱±۱۰ درجه سانتی‌گراد با استفاده از ایستگاه کاری الکتروشیمیایی (Gamry Reference 3000) در محلول ۳.۵ وزنی NaCl با سیستم سه‌الکترودی ارزیابی شد: یک سیم پلاتین به عنوان الکترود مقابل، یک الکترود Ag/AgCl به عنوان الکترود مرجع، و پوشش به عنوان الکترود کار، که در رزین اپوکسی محبوس شده بود تا یک ناحیه کاری ۱۰ × ۱۰ میلی‌متری را در معرض دید قرار دهد. آزمایش پتانسیل مدار باز (OCP) به مدت ۱۸۰۰ ثانیه با فرکانس نمونه‌برداری ۰.۵ Hz⁻¹ انجام شد و پس از آن طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) در پتانسیل مدار باز با محدوده فرکانسی ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۱۰ میلی‌هرتز صورت گرفت. پolarization پوتنشیودینامیک با نرخ اسکن ۱ میلی‌ولت بر ثانیه، با شروع از پتانسیل اولیه -۰.۳ ولت نسبت به OCP و پایان زمانی که تراکم جریان قطبی آنودی به ۱ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع رسید، انجام شد و منحنی قطبی‌سازی تافل را به دست داد. هر آزمون tribological و الکتروشیمیایی حداقل سه بار برای اطمینان از دقت تکرار شد.

۲ نتایج و بحث
۲.۱ ریخت‌شناسی و تحلیل کاهش جرم
ریخت‌شناسی میکروسکوپی پوشش‌ها پس از آماده‌سازی در شکل 2 نشان داده شده است. هر دو پوشش پیوند متالورژیکی رضایت‌بخشی با زیرلایه برقرار کردند و ساختارهای یکنواخت و متراکم بدون عیوبی مانند ترک‌ها، حفره‌ها، ناخالصی‌ها یا عدم ذوب در مرز فاز را نشان دادند. آنالیز ترکیبی عناصر کلیدی در پوشش‌ها در جدول 1 ارائه شده است. کروم و مولیبدن، عناصر حیاتی مقاوم در برابر فرورفتگی در فولاد ضد زنگ، در محیط‌های خورنده یک فیلم پاسیونی متراکم تشکیل می‌دهند، در حالی که نیکل عنصر اصلی تثبیت‌کننده آستنیت است. پوشش‌دهی لیزری، ضمن ایجاد پیوند متالورژیکی بین پوشش و زیرلایه، مقداری رقیق‌سازی ایجاد می‌کند، به‌طوری‌که عناصری از زیرلایه به پوشش مهاجرت می‌کنند و منجر به کاهش جزئی محتوای کروم و نیکل نسبت به ترکیب اسمی دو فولاد ضد زنگ می‌شود.

شکل ۳ ریخت‌شناسی کلان‌نگر دو پوشش فولاد ضدزنگ را در وضعیت اولیه، پس از یک سال قرارگیری در معرض شرایط محیطی در ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب، و پس از زدودن زنگ‌زدگی نشان می‌دهد. در وضعیت اولیه، زیرلایه فولادی FH690، پوشش 316L و پوشش 2205 درخشش فلزی روشنی (شکل‌های 3a و 3d) با ویژگی‌های سطحی عالی از خود نشان دادند. پس از یک سال قرار گرفتن در معرض شرایط جوی در ایستگاه ژونگ‌شان، پوشش‌ها بدون ترک‌خوردگی یا لایه‌لایه شدن، به خوبی به زیرلایه متصل باقی ماندند. زیرلایه فولادی FH690 دچار خوردگی شد و با واکنش با اکسیژن، یک لایه اکسید یکنواخت و شل تشکیل داد که از درخشندگی فلزی به رنگی مایل به قهوه‌ای تغییر یافت (شکل‌های 3b و 3e). محصولات خوردگی اصلی فولاد FH690 در محیط جوی دریایی شامل α-FeOOH، β-FeOOH و Fe₃O₄ هستند. بارش باران و برف در قطب جنوب که در زاویه ۴۵ درجه نسبت به زمین قرار دارد، باعث شد محصولات خوردگی حاصل از زیرلایه FH690 به روی پوشش‌ها جاری شده و برخی نواحی را به رنگ خاکستری مایل به قهوه‌ای درآورد. پس از زدودن زنگ‌زدگی، محصولات خوردگی قهوه‌ای مایل به خاکستری روی سطوح پوشش‌ها ناپدید شدند و ریزساختار سطحی پوشش‌های 316L و 2205 انحراف حداقلی از وضعیت اولیه خود را نشان داد (شکل‌های 3c و 3f)، که نشان‌دهنده محافظت مؤثر از زیرلایه FH690 است.

ویژگی‌های میکروسکوپی فولاد کم‌آلیاژ پس از خوردگی در محیط جوی قطب جنوب گزارش شده است که معمولاً محصولات خوردگی بلوکی، لامیناری یا شبیه گلبرگ را به همراه ترک‌ها و ویژگی‌های فرورفتگی تشکیل می‌دهند. ریخت‌شناسی میکروسکوپی دو پوشش فولاد ضدزنگ پس از یک سال قرارگیری در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان در شکل ۴ نشان داده شده است. سطح پوشش 316L دارای حفره‌های فراوان فرورفتگی (پیتینگ) بود، با تفاوت ناچیز در محتوای عناصر فلزی در داخل و خارج از فرورفتگی‌ها، هرچند محتوای اکسیژن در دیواره فرورفتگی‌ها بالاتر بود. فولاد ضدزنگ برای مقاومت در برابر خوردگی کلریدی (Cl⁻) به عناصر پاسیوکننده آسان مانند Cr و Mo تکیه می‌کند تا یک لایه اکسید متراکم تشکیل دهد؛ محتوای بالاتر اکسیژن نشان‌دهنده لایه پاسیو شدن متراکم‌تری است و نواحی با محتوای کمتر لایه پاسیو شدن، ترجیحاً دچار خوردگی می‌شوند. سطح پوشش 2205 ویژگی‌های خوردگی گزینشی را نشان داد، به طوری که نواحی آستنیتی (B2) با محتوای کروم پایین‌تر به طور ترجیحی خورده شدند، در حالی که نواحی فریتی (B1) با محتوای کروم بالاتر، سطوح اکسیژن بالاتر و کیفیت برتر فیلم پاسیونی را نشان دادند.

ریخت‌شناسی کانفوکل لیزری دو پوشش فولاد ضدزنگ پس از یک سال قرارگیری در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب در شکل ۵ نشان داده شده است. پوشش 316L دارای نواحی متعدد خوردگی فرورفتگی کوچک بود، به‌طوری‌که برخی از فرورفتگی‌های کوچک با هم ادغام شده و به فرورفتگی‌های بزرگ‌تر تبدیل شدند که عمیق‌ترین آن‌ها تا 12.89 میکرومتر رسید. در مقابل، پوشش 2205 هیچ نشانه‌ای از خوردگی فرورفتگی نداشت و عمدتاً دچار خوردگی انتخابی جزئی شد، به‌طوری‌که ریزساختار میکروسکوپی آن ساختار دوفازی مشخص استیلنژ دوپلکس را منعکس می‌کرد.

تحلیل فازی دو پوشش فولاد ضد زنگ در حالت اولیه و پس از یک سال قرارگیری در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان (شکل 6) نشان داد که پوشش‌های 316L و 2205 به ترتیب ساختار آستنیتی تک‌فازی پایدار و ساختار دوفازی آستنیتی-فریتی را قبل و بعد از قرارگیری حفظ کردند. سطوح پوشش تنها دچار خوردگی جزئی شدند و تجمع قابل توجهی از محصولات خوردگی در آن‌ها مشاهده نشد. با توجه به اینکه ضخامت فیلم پاسیونی معمولاً از ۱۰ نانومتر تجاوز نمی‌کند، هیچ قله پراش اضافی شناسایی نشد. پوشش‌های لیزر-کلاَد 316L و 2205 در محیط قرارگیری در معرض جو قطب جنوب پایداری فازی خود را نشان دادند.

بر اساس نتایج فوق، محصولات خوردگی مشاهده‌شده روی نمونه‌ها منشأ خود را از زیرلایه داشتند، در حالی که خود پوشش‌ها تغییر قابل‌توجهی نشان ندادند. روش کاهش جرم برای بررسی نرخ خوردگی نمونه‌ها و ارزیابی کارایی حفاظتی پوشش‌های فولاد ضد زنگ به کار گرفته شد. در مطالعات خوردگی در معرض جو، کاهش جرم خوردگی و نرخ خوردگی مواد فلزی با استفاده از معادلات زیر محاسبه می‌شود: که در آن ω نشان‌دهنده کاهش جرم خوردگی در واحد سطح (g/m²) است، ν نشان‌دهنده نرخ خوردگی (mm/a) است، m_t جرم نمونه پس از زدودن زنگ‌زدگی (g) است، m₀ جرم نمونه قبل از قرارگیری در معرض (g)، S مساحت سطح نمونه (cm²)، ρ چگالی فولاد کم‌آلیاژ (تقریباً 7.86 g/cm³) و t زمان قرارگیری در معرض (h) است.

کاهش جرم محاسبه‌شده و نرخ خوردگی متوسط فولاد FH690 تحت پوشش دو لایه در شکل 7 ارائه شده است. زیر پوشش 316L، کاهش جرم فولاد FH690 برابر با 12.5 میلی‌گرم بر سانتی‌متر مربع و نرخ خوردگی متوسط آن 15.9 میکرومتر بر سال بود؛ زیر پوشش 2205، کاهش جرم 12.8 میلی‌گرم بر سانتی‌متر مربع و نرخ خوردگی متوسط آن 16.3 میکرومتر بر سال بود. هر دو پوشش در محیط جوی قطب جنوب خوردگی ناچیزی از خود نشان دادند و حفاظت مؤثری از زیرلایه فولادی FH690 فراهم کردند. نرخ‌های خوردگی متوسط زیر هر دو پوشش تقریباً یکسان بود و تمام کاهش جرم به زیرلایه در معرض دید نسبت داده شد. در مقایسه با نرخ خوردگی فولاد دریایی درجه 690 مگاپاسکال بدون پوشش در جو قطب جنوب (18.7 میکرومتر بر سال)، کاهش قابل توجهی حاصل شد.

۲.۲ ریزسختی
شکل ۸ میانگین ریزسختی دو سطح پوشش فولاد ضدزنگ را نشان می‌دهد. مقادیر اولیه ریزسختی پوشش‌های 316L و 2205 به ترتیب 279.19 HV₀.₂ و 392.77 HV₀.₂ بودند. معمولاً میکروسختی فولاد 316L ریخته‌گری‌شده از 200 HV₀.₂ تجاوز نمی‌کند، در حالی که میکروسختی فولاد 2205 ریخته‌گری‌شده تقریباً 300 HV₀.₂ است. سختی بالاتر پوشش‌های لایه‌نشانی‌شده با لیزر را می‌توان به دو عامل نسبت داد: اول، خنک‌شدن سریع در حین لایه‌نشانی لیزری منجر به ساختارهای دانه‌ای درختی و ریز هم‌قطر می‌شود که به تقویت ناشی از ریزدانه‌ای شدن کمک می‌کند؛ دوم، پیوند متالورژیکی بین زیرلایه و پوشش اجازه می‌دهد تا عناصری از فولاد FH690 با پوشش‌های فولاد ضد زنگ آمیخته شوند و سختی را افزایش دهند. این موضوع توسط نتایج EDS (جدول 1) تأیید می‌شود که نشان‌دهنده رقیق شدن آهن (Fe) و در نتیجه کاهش محتوای سایر عناصر است. پس از یک سال قرار گرفتن در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان، ریزسختی پوشش‌ها تقریباً بدون تغییر باقی ماند که نشان‌دهنده سازگاری محیطی عالی است.

۲.۳ رفتار ترمولوژیکی
شکل 9 رفتار اصطکاکی دو پوشش فولاد ضدزنگ را پیش و پس از قرارگیری در معرض جو قطب جنوب نشان می‌دهد. در شرایط اصطکاک لغزشی خشک، ضریب اصطکاک (COF) پس از تقریباً ۳۰۰ ثانیه تثبیت شد و به مقدار ثابتی حدود ۰.۷ رسید. پس از یک سال قرارگیری در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان، ضریب اصطکاک پوشش ۳۱۶L نسبت به حالت اولیه کمی کاهش یافت، در حالی که ضریب اصطکاک پوشش ۲۲۰۵ بدون تغییر باقی ماند. کاهش حجمی ناشی از سایش در هر دو پوشش قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض عوامل جوی یکسان باقی ماند، به طوری که پوشش 2205 کاهش حجمی کمتری نسبت به پوشش 316L از خود نشان داد. پروفایل‌های ردیف سایش پوشش 2205 کم‌عمق‌تر از پوشش 316L بود که نشان‌دهنده مقاومت برتر در برابر سایش است. روکش 316L در لبه‌های رد فرسایش، برآمدگی‌های برجسته‌ای را نشان داد که ناشی از تغییر شکل پلاستیکی تحت فشار توپک لغزنده بود. نرخ فرسایش (μ) روکش‌ها با استفاده از معادله آرچارد محاسبه شد: که در آن V حجم از دست رفته فرسایش اندازه‌گیری شده (mm³)، N بار نرمال (N) و d مسافت لغزش کل (m) است.

نتایج محاسباتی نشان داده شده در شکل 9d حاکی از آن است که نرخ‌های سایش پوشش‌های 316L و 2205 به ترتیب تقریباً 8.35 × 10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹ و 7.85 × 10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹ بوده‌اند. پس از قرارگیری در معرض جو قطب جنوب، نرخ‌های سایش هر دو پوشش در سطح پیش از قرارگیری باقی ماند که نشان‌دهنده پایداری مقاومت در برابر سایش است.

شکل 10 ریخت‌شناسی رد سایش دو پوشش فولاد ضدزنگ را پس از یک سال قرارگیری در ایستگاه ژونگ‌شان نشان می‌دهد، در حالی که نتایج اسکن نقطه‌ای EDS در جدول 2 ارائه شده است. عرض ردیف سایش پوشش 316L برابر با 565.72 میکرومتر و پوشش 2205 برابر با 495.71 میکرومتر بود که با کاهش جرم بیشتر مشاهده‌شده برای پوشش 316L همخوانی دارد. از نظر ریخت‌شناسی، هر دو پوشش در ردیف‌های سایش، شیارهای شخم‌زنی و لایه‌های انتقالی را نشان دادند که نشان‌دهنده وقوع سایش سایشی و چسبندگی است. روکش 316L فراوانی بیشتری از لایه‌های انتقالی را نشان داد و سایش چسبنده در آن برجسته‌تر بود، در حالی که روکش 2205 شیارهای شخم‌زنی برجسته‌تری را نمایش داد که نشان‌دهنده غالب بودن سایش سایشی به عنوان مکانیزم اصلی است. لایه‌های انتقالی حاوی محتوای اکسیژن بسیار بالایی بودند که این امر به گرمای اصطکاکی در طی سایش رفت و برگشتی نسبت داده می‌شود که باعث اکسید شدن عناصر غیرفعال‌کننده مانند Cr و Mo می‌شود.

۲.۴ رفتار خوردگی الکتروشیمیایی
شکل ۱۱ منحنی‌های پتانسیودینامیک قطبی‌سازی دو پوشش فولاد ضدزنگ را نشان می‌دهد که پارامترهای خوردگی الکتروشیمیایی آن‌ها در جدول ۳ فهرست شده است. پس از یک سال قرارگیری در معرض جو در ایستگاه ژونگ‌شان، منحنی پولاریزاسیون پوتانسیودینامیک پوشش 316L تغییر اندکی در روند نشان داد، اگرچه پتانسیل شکست گودال‌زایی (E_b، اولیه 536.8 میلی‌ولت، پس از قرارگیری در معرض 503.7 میلی‌ولت) کمی زودتر جابجا شد و تراکم جریان غیرفعال (i_p) دو برابر شد. فاصله پاسیواسیون (ΔE) پوشش 2205 تقریباً 1300 میلی‌ولت باقی ماند، اما i_p پس از قرارگیری در معرض عوامل جوی از 2.455 میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع به 4.177 میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع افزایش یافت. پس از قرار گرفتن در معرض، مقاومت در برابر خوردگی هر دو پوشش 316L و 2205 تا درجات متفاوتی کاهش یافت که این امر به نقص‌های سطحی ناشی از جو خورنده قطب جنوب نسبت داده می‌شود.

شکل ۱۲ نتایج طیف‌سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) را برای دو پوشش فولاد ضد زنگ نشان می‌دهد. پس از یک سال قرارگیری در معرض جو، نمودارهای نیکویست (شکل ۱۲a) پوشش‌های 316L و 2205 نشان‌دهنده کاهش شعاع قوس خازنی بودند که حاکی از کاهش مقاومت انتقال بار و پایداری فیلم پاسیونی است. در نمودارهای بود (شکل 12b)، ماژول امپدانس (|Z|) در فرکانس 0.1 هرتز، که معمولاً مقاومت قطبی‌شدگی ماده در محلول را منعکس می‌کند، پس از قرار گرفتن در معرض عوامل جوی برای هر دو پوشش کاهش یافت که نشان‌دهنده کاهش مقاومت در برابر خوردگی است. علاوه بر این، زاویه فاز بزرگتر و محدوده گسترده‌تر در ناحیه فرکانس متوسط، نشان‌دهنده پایداری بیشتر فیلم پاسیونی است. پس از قرار گرفتن در معرض، زاویه فاز فرکانس متوسط پوشش 316L باریک‌تر و کمتر شد، در حالی که زاویه پوشش 2205 نیز کاهش یافت که نشان‌دهنده افت کیفیت فیلم پاسیونی است. با توجه به وجود دو ثابت زمانی در فرآیند خوردگی، از یک مدل دو لایه (درکوبیده در شکل ۱۲الف) برای برازش داده‌ها استفاده شد، همانطور که در جدول ۴ نشان داده شده است. امپدانس لایه بیرونی متخلخل (R_p) به طور قابل توجهی کمتر از لایه داخلی (R_c) بود، که نشان می‌دهد مقاومت واکنش الکترودی پوشش‌ها عمدتاً توسط مرحله انتقال بار کنترل می‌شد. پس از قرارگیری در معرض، R_c هر دو پوشش کاهش یافت. علی‌رغم کاهش جزئی در مقاومت در برابر خوردگی پس از قرارگیری در معرض جو قطب جنوب، پوشش‌های پوشیده‌شده با لیزر وضعیت غیرفعال‌سازی پایدار و نرخ خوردگی پایینی را حفظ کردند و به ارائه محافظت مؤثر برای فولاد دریایی با دمای پایین ادامه دادند.

۳ نتیجه‌گیری

در این مقاله، پوشش‌های فولاد ضدزنگ آستنیتی 316L و فولاد ضدزنگ دوپلکس 2205 با استفاده از فناوری جوش لیزری روی زیرلایه فولاد دریایی کم‌دما FH690 آماده شدند. این پوشش‌ها به مدت یک سال در ایستگاه ژونگ‌شان در قطب جنوب در معرض جو قرار گرفتند. اثر حفاظتی، ریزساختار، سختی، اصطکاک و سایش و رفتار خوردگی الکتروشیمیایی دو پوشش مورد تحلیل قرار گرفتند. نتایج به شرح زیر است:

(۱) فرورفتگی جزئی روی سطح پوشش ۳۱۶L رخ داد و خوردگی انتخابی جزئی روی سطح پوشش ۲۲۰۵ مشاهده شد. هر دو پوشش فولاد ضدزنگ می‌توانند ساختار فازی پایداری را حفظ کنند که نقش حفاظتی خوبی بر روی زیرلایه فولادی FH690 ایفا کرده و نرخ خوردگی جوی زیرلایه را کاهش می‌دهد.

(2) ریزسختی دو پوشش تقریباً تغییر نکرد؛ ضریب اصطکاک در حدود 0.7 ثابت ماند و نرخ‌های سایش پوشش‌های 316L و 2205 به ترتیب در حدود 8.35 و 7.85×10⁻⁶ mm³·N⁻¹·m⁻¹ حفظ شدند؛ پوشش 316L عمدتاً دچار سایش چسبنده شد، در حالی که پوشش 2205 عمدتاً دچار سایش سایشی گردید. این دو پوشش توانستند مقاومت مکانیکی و سایشی پایداری را قبل و بعد از قرار گرفتن در معرض شرایط قطب جنوب حفظ کنند.

(۳) مقدار اندکی نقص‌های خوردگی روی سطح هر دو پوشش ایجاد شد که منجر به افزایش تراکم جریان پاسيواسيون، پتانسیل شکست زودهنگام پوشش ۳۱۶L و کاهش امپدانس فیلم پاسيواسيون هر دو پوشش گردید، اما همچنان قادر به حفظ اثر پاسيواسيون خوب و نرخ خوردگی پایین بودند.