Effect of Silicon-Vanadium co-Doping on Corrosion Resistance and Tribological Behaviour of Spark Plasma Sintered CoCrMn Medium-Entropy Alloys
تُظهر هذه الدراسة أن التطعيم المشترك لسبائك الكوبالت والكروم والمنغنيز متوسطة الإنتروبيا، المصنعة عبر التلبيد بالشرارة البلازمية، باستخدام السيليكون والفاناديوم، وتحديداً عند تركيبة 2.5Si-2.5V، يعزز بشكل كبير الصلادة الدقيقة، والتكثيف، ومقاومة التآكل، والأداء ضد التآكل الكيميائي من خلال تعزيز البنية المجهرية الشجرية وتكوين طبقة خاملة واقية.
المؤلفون الأصليون:R Sithole, L.R Kanyane, N. Malatji, M.B Shongwe, V. Tau
ملخص تقني: تأثير التطعيم المشترك بالسيليكون والفاناديوم على مقاومة التآكل والسلوك الاحتكاكي لسبائك العناصر متوسطة الاعتلال من نوع CoCrMn المصنعة عبر التلبيد بالشرارة البلازمية
بيان المشكلة تواجه صناعة الطيران تحديات مستمرة تتعلق بفشل شفرات التوربينات الناجم عن الظروف التشغيلية القاسية، مما يستلزم تطوير مواد جديدة ذات أداء احتكاكي ومتانة فائقين. وبينما توفر سبائك العناصر متوسطة الاعتلال (MEAs) خصائص واعدة مثل المتانة العالية، والقوة، والاستقرار الحراري، فإن تحسين بنيتها المجهرية وتركيبها لتتحمل البيئات القاسية يظل أمراً بالغ الأهمية. وتحديداً، هناك حاجة لفهم كيف يمكن للتطعيم المشترك بعناصر محددة أن يعزز الاستقرار الميكانيكي والكيميائي لسبائك CoCrMn-based MEAs دون المساس بسلامتها الهيكلية.
المنهجية بحثت هذه الدراسة في التطور البنيوي المجهري، والسلوك الاحتكاكي، ومقاومة التآكل لسبائك العناصر متوسطة الاعتلال من نوع CoCrMn المصنعة عبر التلبيد بالشرارة البلازمية (SPS). استُخدمت مساحيق عنصرية عالية النقاء من الكوبالت (Co)، والكروم (Cr)، والمنغنيز (Mn) كقاعدة، بينما تم إدخال السيليكون (Si) والفاناديوم (V) كعناصر تطعيم مشتركة. تم تحضير ثلاث نسب محددة من التطعيم المشترك للحفاظ على تركيز إجمالي للمطعّم بنسبة 5% ذرية:
1.5Si – 3.75V (نسبة ذرية)
2.5Si – 2.5V (نسبة ذرية)
3.75Si – 1.25V (نسبة ذرية)
تم دمج المساحيق في قوالب جرافيت باستخدام تقنية SPS لتحقيق كثافة تقارب الحالة الكاملة. وخضعت العينات الناتجة لعمليات توصيف شاملة:
التحليل البنيوي المجهري: استُخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) ومطيافية تشتت الطاقة بالأشعة السينية (EDX) لفحص مورفولوجيا الحبيبات والتوزيع العنصري. كما حدد حيود الأشعة السينية (XRD) تركيبات الأطوار.
الاختبار الاحتكاكي: قامت اختبارات التآكل الانزلاقي بقياس حجم التآكل ومتوسط معامل الاحتكاك (COF).
المساهمات الرئيسية والنتائج
التطور البنيوي المجهري: أظهرت السبائك المصنعة بنية تجميد شجرية. كشف رسم الخرائط بـ EDX أن السيليكون (Si) يتجمع في المناطق بين التغصنات، بينما ظل الفاناديوم (V) مستقراً إلى حد كبير في المحلول الجامد، حيث يعمل كمثبت داخل المصفوفة. أكد تحليل XRD وجود طور محلول جامد مكعب مركزي الوجه (FCC) سائد مع انعكاسات ثانوية لمكعب مركزي الجسم (BCC). أدى إدخال Si و V إلى تكوين أطوار ثانوية، وتحديداً سيليسيدات Cr₃Si وأطوار لافيس (Laves phases)، والتي أصبحت أكثر وضوحاً مع زيادة محتوى Si.
الخصائص الميكانيكية: عزز التطعيم المشترك الصلادة بشكل كبير. سجلت سبيكة CoCrMn الأساسية حوالي 389.7 HV. حققت تركيبة MEA-2.5Si-2.5V أعلى صلادة بلغت 510.84 HV، مما يمثل زيادة بنسبة 31%. كما أظهرت هذه التركيبة أعلى كثافة (99.68%). أظهرت الصور المجهرية الضوئية لندبات الصلادة أن عينة 2.5Si-2.5V كانت تمتلك أصغر الندبات وأكثرها انضباطاً مع حد أدنى من التصدع، مما يشير إلى مقاومة فائقة للتشوه اللدن.
مقاومة التآكل: أظهر التحليل الكهروكيميائي في كل من بيئتي H₂SO₄ و HCl أن سبيكة MEA-2.5Si-2.5V تمتلك أفضل مقاومة للتآكل.
في 0.5M H₂SO₄، حققت جهد تآكل (Ecorr) قدره -0.34 فولت وأقل كثافة تيار تآكل (jcorr) بلغت 2.0 µA/cm²، مع مقاومة استقطاب قدرها 13 kΩ·cm².
في 0.5M HCl، حققت Ecorr قدره -0.38 فولت و jcorr قدره 2.8 µA/cm²، مع مقاومة استقطاب قدرها 9.29 kΩ·cm².
يُعزى هذا التحسن إلى التكوين التآزري لطبقة خاملة تتكون من Cr₂O₃ و SiO₂ و V₂O₅، والتي تعمل كحاجز ضد الأيونات العدوانية.
السلوك الاحتكاكي: أظهرت سبيكة MEA-2.5Si-2.5V أقل حجم تآكل وأقل متوسط لمعامل الاحتكاك (COF). مقارنة بالسبيكة المرجعية، قللت هذه التركيبة من فقدان التآكل بنسبة تقارب 58.44%. تشير الدراسة إلى أن تحسن مقاومة التآكل يرتبط بزيادة الصلادة (وفقاً لقانون آرشارد) وتكوين طبقة أكسيدية احتكاكية تحتوي على أكاسيد صلبة (SiO₂، V₂O₅) تعمل كمزلقات صلبة، مما يقلل من التلامس المعدني-المعدني.
الأهمية والادعاءات تؤكد الورقة أن التطعيم المشترك التآزري لـ Si و V يحسن بشكل كبير الأداء الميكانيكي والكيميائي لسبائك العناصر متوسطة الاعتلال من نوع CoCrMn. تحدد الدراسة التركيبة المتساوية الذرات 2.5Si-2.5V كتركيبة مثالية، حيث توفر تكويناً طورياً متوازناً يجمع بين مصفوفة FCC مستقرة مع ترسيب محكوم للأطوار البينية الصلبة.
يزعم المؤلفون أن هذه التركيبة المحددة تعظم فوائد كل من تقوية المحلول الجامد (عبر تشوه الشبكة الناتج عن V) وتقوية الترسيب (عبر تكوين السيليسيد الناتج عن Si). علاوة على ذلك، تخلص الدراسة إلى أن تحسين هذه التركيبة أمر بالغ الأهمية لتعزيز استقرار الطبقة الخاملة، وبالتالي تحسين المقاومة لكل من التآكل في البيئات الحمضية والتآكل الكشطي. تشير هذه النتائج إلى أن هذه السبائك المطعمة يمكن أن تكون مرشحة حيوية للتطبيقات التي تتطلب متانة عالية تحت ظروف قاسية، مثل مكونات توربينات الطيران.