A Synergistic Enhancement on Corrosion and Tribocorrosion Resistance Properties of the Multilayered Mo2N/AlCrN Coatings in Artificial Seawater

مشكلة المحيط الصدئ وحل الجلد الخارق

تخيل المحيط كأنه حوض استحمام عملاق، مالح، وغاضب، لا يتوقف عن الفرك أبداً. بالنسبة للأجزاء المعدنية للسفن، والغواصات، والروبوتات تحت الماء، تعتبر هذه البيئة كابوساً. الأمر لا يقتصر فقط على تآكل الملح للمعدن (التآكل الكيميائي)؛ بل إن المعدن يتعرض أيضاً للاحتكاك المستمر بأشياء مثل المراوح والتروس (التآكل الميكانيكي). وعندما تجمع بين الاحتكاك والصدأ، تحصل على مشكلة مزدوجة تسمى "التآكل الاحتكاكي" (tribocorrosion). الأمر يشبه محاولة صنفرة قطعة من الحديد بينما هي مغمورة في الخل؛ حيث يفشل المعدن بسرعة أكبر بكثير مما لو كان يعاني من مشكلة واحدة منهما فقط.

لمحاربة ذلك، يستخدم العلماء حيلة تسمى "الطلاء". فكر في الأمر كأنك تمنح السفينة بدلة درع عالية التقنية وغير مرئية. يقومون برش طبقة رقيقة جداً من مواد خاصة على سطح المعدن لتعمل كدرع. الهدف هو إيجاد طلاء يتميز بالصلابة لمنع الخدوش، والمتانة لعدم التصدع، والنعومة لمنع الاحتكاك، كل ذلك مع مقاومة لدغة المحيط المسببة للتآكل. تغوص هذه الورقة البحثية في نوع محدد من الدروع المصنوعة من طبقات من النيتروجين ومعادن مثل الموليبدينوم، والألومنيوم، والكروم، لتختبر ما إذا كان بإمكانها الصمود في أعماق البحار المالحة القاسية.

قصة الدرع الطبقي

في هذه الدراسة، قرر باحثون من جامعة هاينان للمحيط الاستوائي وجامعة لينغنان العادية بناء نوع جديد من الطلاء الخارق للفولاذ المقاوم للصدأ 304، وهو معدن شائع يستخدم في الأجزاء البحرية. استخدموا طريقة عالية التقنية تسمى "الترسيب الأيوني بالقوس الكهربائي"، وهي تشبه طلاء الرش فائق الشحن الذي يستخدم الكهرباء لقذف ذرات المعدن على السطح، ودمجها في غشاء صلب. لقد صنعوا ثلاثة أنواع مختلفة من الطلاء لمعرفة أي منها سيكون البطل:

1. MoxN: طلاء مصنوع أساساً من الموليبدينوم والنيتروجين.
2. AlCrN: طلاء مصنوع من الألومنيوم، والكروم، والنيتروجين.
3. Mo2N/AlCrN: "ساندوتش" متعدد الطبقات يتناوب بين طبقة الموليبدينوم وطبقة الألومنيوم-الكروم.

لقد اختبروا هذه الطلاءات في مياه بحر اصطناعية ليروا مدى صمودها أمام الصدأ والاحتكاك.

السحر المجهري: كسر الأعمدة
عندما نظر العلماء إلى الطلاءات تحت المجهر، وجدوا شيئاً مثيراً للاهتمام. نمت الطلاءات أحادية الطبقة (MoxN و AlCrN) في هياكل عمودية طويلة، تشبه غابة من جذوع الأشجار الرفيعة الواقفة جنباً إلى جنب. المشكلة في هذه "الأشجار" هي أنها تترك فجوات صغيرة بينها حيث يمكن للمياه المالحة التسلل من خلالها ومهاجمة المعدن الموجود تحتها.

ومع ذلك، كان طلاء Mo2N/AlCrN متعدد الطبقات مختلفاً. فبسبب تبديلهم المستمر بين المادتين أثناء الرش، تم قطع "جذوع الأشجار" وإجبارها على النمو بشكل عرضي. خلق هذا هيكلاً أكثر كثافة يشبه جدار الطوب، دون وجود مسارات سهلة لاختراق المياه. داخل هذا الجدار الكثيف، اختلطت الذرات معاً لتشكل محلولاً صلباً، وهو ما قارنه الباحثون بمادة فائقة القوة والمزيج، تكون صلبة ومرنة في آن واحد.

اختبار المتانة: الصلابة والمرونة
قاس الفريق مدى صلابة الطلاءات ومدى قدرتها على الارتداد دون التصدع. كان طلاء Mo2N/AlCrN متعدد الطبقات هو نجم العرض. فقد وصل إلى صلابة تزيد عن 32 جيجا باسكال (GPa)، وكان لديه نسبة خاصة تسمى H³/E² تبلغ 0.204. باللغة البسيطة، هذا يعني أنه كان صلباً للغاية ولكنه امتلك أيضاً "متانة" ممتازة، مما يعني أنه يستطيع امتصاص الطاقة دون التحطم. كانت الطلاءات أحادية الطبقة صلبة، لكنها كانت أكثر هشاشة ولم تتعامل مع الإجهاد بنفس الكفاءة.

تحدي الاحتكاك والصدأ
بعد ذلك، وضعوا الطلاءات تحت الاختبار في آلة تقوم بحكها بكرة سيراميك صلبة بينما كانت مغمورة في مياه بحر اصطناعية.

• الاحتكاك الجاف: عند الحك بدون ماء، كانت الطلاءات التي تحتوي على الموليبدينوم (MoxN والطبقة المتعددة) هي الأكثر نعومة. فقد سجلت متوسط معامل احتكاك بلغ 0.403 و 0.460 على التوالي، وهو أقل بكثير من الفولاذ العادي (0.625) أو طلاء الألومنيوم-الكروم (0.517). تشير الورقة إلى أن هذا بسبب قيام الموليبدينوم بإنشاء طبقة أكسيد ذاتية التزييت أثناء الاحتكاك، مما يعمل كزيت طبيعي.
• التآكل: عند النظر في سرعة صدأ المعدن، كان الطلاء متعدد الطبقات هو الفائز الواضح. كانت كثافة تيار التآكل لديه 1.88×10⁻⁸ A·cm⁻². هذا الرقم ضئيل جداً—أصغر بنحو 100 مرة (رتبتين مقداريتين) من الطلاءات أحادية الطبقة والفولاذ العادي. هذا يعني أن الطلاء متعدد الطبقات صدأ ببطء شديد. في الواقع، كان طلاء MoxN الأحادي يؤدي بشكل سيء تقريباً مثل الفولاذ العادي، مما يشير إلى أنه بدون الهيكل متعدد الطبقات، كان لطلاء الموليبدينوم الكثير من الفجوات التي تسمح للملح بالنفاذ عبرها.

مواجهة "التآكل الاحتكاكي"
الجزء الأكثر إثارة كان اختبار "التآكل الاحتكاكي"، حيث تم حك الطلاء أثناء تعرضه لمياه البحر. هذا هو السيناريو الأسوأ للأجزاء البحرية.

• هبوط الجهد: عندما بدأ الاحتكاك، انخفض الجهد الكهربائي (مقياس لمدى "نشاط" أو استعداد المعدن للصدأ) لجميع العينات. انهار جهد الفولاذ العادي من -325 مللي فولت إلى -800 مللي فولت، مما يظهر أنه كان يتعرض للتدمير. أما الطلاء متعدد الطبقات فقد انخفض بأقل قدر (275 مللي فولت)، مما يعني أنه ظل الأكثر استقراراً.
• التعافي: بعد توقف الاحتكاك، حاولت الطلاءات علاج نفسها عن طريق تكوين طبقة واقية جديدة. استعاد طلاء Mo2N/AlCrN متعدد الطبقات حالته الواقية بشكل أسريد من غيره.

الحكم النهائي

تخلص الورقة إلى أن طلاء Mo2N/AlCrN متعدد الطبقات هو الحل الأفضل لحماية المعادن في المحيط. إنه يعمل بسبب تأثير "تآزري"، مما يعني أن الكل أكبر من مجموع أجزائه. فالطبقات المتناوبة تمنع مياه البحر من التسلل عبر الشقوق، وتجعل الذرات المختلطة الطلاء فائق المتانة، ويوفر الموليبدينوم سطحاً ناعماً وذاتي الإصلاح يقلل من الاحتكاك.

بينما كان طلاء الموليبدينوم أحادي الطبقة جيداً في تقليل الاحتكاك، إلا أنه فشل في منع التآكل بمفرده. وكان طلاء الألومنيوم-الكروم أحادي الطب layer جيداً في منع التآكل ولكنه كان أخشن قليلاً وأقل متانة. فقط من خلال تكديسهم معاً في "ساندوتش" متعدد الطبقات، حقق الباحثون طلاءً صلباً، ومتيناً، وناعماً، ومقاوماً بشدة للتهديد المزدوج للصدأ والتآكل. وهذا يشير إلى أنه بالنسبة للسفن وآلات الغوص المستقبلية، قد يكون هذا الدرع الطبقي المحدد هو المفتاح للبقاء لفترة أطول في الأعماق المالحة.