Chromium Micro-alloying Mitigates TiB₂-Induced Micro-Galvanic Corrosion in A356-5 vol.% TiB2 Composites

يُعد الألمنيوم العمود الفقري الصامت لوسائل النقل الحديثة، حيث يُختار للطائرات والقطارات والسيارات لخفته وقوته وسهولة تشكيله. ومع ذلك، وكأي معدن آخر، لديه نقطة ضعف: يمكن أن يصدأ. ففي الهواء المالح والرطب بالقرب من المحيط، غالبًا ما تظهر على أسطح الألمنيوم حفر صغيرة وعميقة حيث يتآكل المعدن ويختفي. وتصبح هذه المشكلة أكثر تعقيداً عندما يحاول المهندسون جعل الألمنيوم أقوى عن طريق خلط جزيئات سيراميكية دقيقة فيه. تعمل هذه الجزيئات كدرع داخلي، لكنها يمكن أن تخلق أيضاً فخاخاً كهربائية خفية. ولأن جزيئات السيراميك والمعدن المحيط بها لهما طبيعة كيميائية مختلفة، يمكنهما إنشاء تأثير "بطارية صغيرة" مباشرة على السطح. في هذه الحالة، يصبح المعدن هو "الأنود" (المصعد)، أو الجزء الذي يفقد الإلكترونات، بينما يعمل السيراميك كـ "الكاثود" (المهبط)، أو الجزء الذي يستقبلها. وتعمل هذه البطارية المحلية على تسريع عملية تآكل المعدن بجوار الجزيئات مباشرة، محولةً سطحاً غير ضار إلى مشهد من الفوهات العميقة.

لقد عرف الباحثون منذ زمن طويل أن إضافة عناصر معينة إلى سبائك الألمنيوم يمكن أن تغير كيفية تآكلها، لكن الدور المحدد للكروم في الألمنيوم المعزز بجزيئات ثنائي بوريد التيتانيوم ظل لغزاً. ثنائي بوريد التيتانيوم هو مادة سيراميكية تجعل الألمنيوم صلباً جداً، لكنها أيضاً "نبيلة" للغاية، مما يعني أنها مقاومة جداً لفقدان الإلكترونات. وهذه المقاومة العالية تجعلها شريكاً قوياً في البطاريات الصغيرة التي تتشكل على السطح، مما يدفع تآكل الألمني المحيط بها بسرعة غير عادية. وقد وضع فريق من العلماء هدفاً لمعرفة ما إذا كان إضافة كمية صغيرة من الكروم يمكن أن يهدئ هذا السلوك الهجومي. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكان الكروم تغيير المشهد الكهربائي للمعدن بدرجة كافية لإيقاف التآكل النقطي السريع الناتج عن جزيئات السيراميك، دون التضحية بالقوة التي توفرها تلك الجزيئات.

ولإيجاد الإجابة، صنع الباحثون أربعة نسخ مختلفة من سبيكة ألمنيوم شائعة تُعرف باسم A356. النسخة الأولى كانت السبيكة القياسية. والثانية احتوت على خمسة بالمائة من حجم جزيئات ثنائي بوريد التيتانيوم، التي تشكلت طبيعياً داخل المعدن المنصهر أثناء الصب. أما النسخة الثالثة، فكانت السبيكة القياسية مع إضافة صغيرة من الكروم. والنسخة الرابعة والأخيرة جمعت بين جزيئات السيراميك والكروم معاً. ثم أخضع الفريق جميع العينات لاختبار صارم يحاكي بيئة ساحلية قاسية؛ حيث وضعوا كتل المعدن في غرفة يتم فيها رش ضباب مستمر من الماء المالح فوقها لمدة عشرة أيام، وهي مدة كافية للكشف عن مدى صمود المواد المختلفة أمام العناصر الطبيعية.

كشفت النتائج عن قصة واضحة عما يحدث على المستوى المجهري. ففي السبيكة التي تحتوي فقط على جزيئات السيراميك، كان التآكل شديداً، حيث عملت جزيئات ثنائي بوريد التيتانيوم كمرتكزات قوية لعملية التآكل. وعندما قاس الباحثون الجهد الكهربائي، أو "الجهد"، للأجزاء المختلفة من سطح المعدن، وجدوا أن جزيئات السيراميك كانت أكثر إيجابية بشكل ملحوظ من الألمنيوم المحيط بها. هذا الفرق الكبير في الجهد خلق دافعاً قوياً لتآكل الألمنيوم. فقد هاجم رذاذ الملح المعدن بجوار هذه الجزيئات مباشرة، مما أدى إلى نشوء حفر عميقة نمت بسرعة. وبعد فترة التعرض الكاملة، بلغ عمق أعمق حفرة في هذه العينة 22.66، وفقد المعدن وزناً كبيراً. لقد حولت جزيئات السيراميك المنطقة المحلية فعلياً إلى منطقة تآكل عالية السرعة.

لقد غيرت إضافة الكروم الديناميكية بأكملها. ففي العينات التي تحتوي على الكروم، تفاعل العنصر مع السيليكون والألمنيوم لتكوين نوع جديد من البنية البلورية، وهو مركب طويل يشبه الإبرة يسمى Al13Cr4Si4. كان هذا الطور الجديد هو مفتاح التحسن. فعندما قاس الباحثون جهد هذه البلورات الجديدة، وجدوا أن الفرق بينها وبين الألمنيوم المحيط بها كان أصغر بكثير من الفرق المشاهد مع جزيئات السيراميك. ولأن الفجوة الكهربائية كانت أضيق، كان تأثير البطارية الصغيرة أضعف بكثير، ولم يشعر الألمنيوم بنفس الضغط الملح للتحلل. وفي السبيكة التي تحتوي على الكروم ولكن بدون جزيئات السيراميك، كان التآكل ضئيلاً، حيث بلغ عمق أعمق حفرة 2.67 فقط. وحتى في السبيكة التي احتوت على كل من جزيئات السيراميك والكروم، كان الضرر أقل بكثير مما كان عليه في العينة التي تحتوي على الجزيئات وحدها؛ فقد قللت إضافة الكروم من عمق أعمق حفرة في السبيكة المعززة من 22.66 إلى 15.53.

كما تتبع الفريق سرعة اختفاء المعدن بمرور الوقت. ووجدوا أن السبيكة التي تحتوي على جزيئات السيراميك وبدون كروم تآكلت بمعدل أسرع بنسبة 40 بالمائة تقريباً من النسخة التي تحتوي على الكروم. لم يقم الكروم بإزالة جزيئات السيراميك أو منع وجودها، بل قام بتغيير البيئة الكيميائية من حولها. ومن خلال تكوين البلورات الجديدة الأقل عدوانية، خفف الكروم من شدة الهجوم الكهربائي المحلي. كان التآكل الذي حدث أكثر انتشاراً وأقل تركيزاً، مما منع تكون الحفر العميقة والخطيرة التي تهدد السلامة الهيكلية. وأظهرت اختبارات رذاذ الملح أن السبائك التي تحتوي على الكروم حافظت على طبقة واقية أكثر استقراراً على أسطحها لفترة أطول، مقاوِمةً الانهيار الذي يؤدي إلى فقدان سريع للمادة.

يُظهر هذا العمل أن مقاومة التآكل في مركبات الألمنيوم المتقدمة لا تتعلق فقط بقوة المعدن أو صلابة الجزيئات، بل تتعلق بالعلاقة الكهربائية بينهما. وتثبت الدراسة أن إضافة دقيقة وصغيرة من الكروم يمكن أن تعمل كمنظم، مما يقلل من التوتر الكهربائي الذي يقود التآكل. كما توضح أنه من خلال هندسة الأطوار الثانوية داخل المعدن بعناية، يمكن للعلماء التخفيف من المشكلات التي قد تسببها مواد التعزيز أحياناً. وتقدم هذه النتائج مساراً عملياً للمضي قدماً في تصميم مكونات الألمنيوم التي تكون قوية للغاية ومتينة بما يكفي لتحمل الواقع القاسي للبيئة البحرية، مما يضمن ألا تقع المواد خفيفة الوزن في المستقبل ضحية للقوى التي صُممت لمقاومتها.