نشریه علمی پژوهشی مواد پیشرفته در مهندسی

سطح خارجی لوله ­های مبدل­ حرارتی که در محیط زباله (زیست­توده) سوزی با بستر سیال به­ کار می ­­روند، در معرض آسیب شدید خوردگی فرسایشی دمابالا قرار دارد. به‌منظور ارزیابی رفتار و افزایش طول عمر لوله ­ها، شرایط واقعی صنعتی باید در محیط آزمایشگاه شبیه ­سازی شود. در این تحقیق، دستگاهی با بستری سیال از ماسه داغ طراحی و ساخته شد تا آلیاژ پایه نیکل SFNi4 را مورد خوردگی فرسایشی دمابالا قرار دهد. به‌منظور تشدید شرایط خورنده، ماسه سیلیسی با مقادیر 0، 5/0 و 1 درصد وزنی از مخلوط نمک‌های NaCl و KCl با نسبت مولی یک به­ یک آغشته شد. تغییر شرایط سایشی محیط، با استفاده از نرخ جریان هوای 20 و 25 لیتر بر دقیقه و زاویه برخورد ذرات به نمونه ­ها از 45 تا 90 درجه حاصل شد. نرخ زدایش ماده با اندازه­ گیری ضخامت هر نمونه پیش و پس از آزمون به ­دست آمد. پس از هر آزمون، سطح و مقطع عرضی نمونه‌ها با میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس بررسی شد. در پایان پارامترهای بهینه خوردگی فرسایشی در شرایط واقعی صنعتی به‌دست آمد.

رفتار اکسیداسیون فرسایشی آلیاژهای پایه نیکل محتوی مقادیر 7-0 درصد وزنی عنصر مولیبدن در شرایط احتراق زباله با بستر سیال مطالعه شد. برای این منظور، هوای فشرده داغ با نرخ جریان 25 لیتر بر دقیقه موجب برخورد ماسه سیلیسی داغ (700 درجه سانتی‌گراد) آغشته به 0/5 درصد وزنی نمک‌های کلریدی به نمونه‌ها به‌مدت 250 ساعت شد. با حذف عامل ساینده، رفتار اکسیداسیون دما‌بالای این آلیاژها نیز در اتمسفرهای هوا و هوا+کلر به‌مدت 100 ساعت در دماهای 520 و 560 درجه سانتی‌گراد بررسی شد. اندازه‌گیری افزایش وزن در اکسیداسیون و کاهش ضخامت در اکسیداسیون فرسایشی آلیاژها نشان داد که افزایش مقدار مولیبدن با کاهش سینتیک تشکیل لایه اکسیدی سطحی باعث بهبود مقاومت اکسیداسیون آلیاژ شد، اما در شرایط اکسیداسیون و سایش همزمان، نرخ اکسیداسیون کم آلیاژ حاوی 7 درصد وزنی مولیبدن منجر به زدوده شدن سریع لایه اکسیدی محافظ و کاهش مقاومت اکسیداسیون فرسایشی آلیاژ شد. تحت این شرایط نمونه حاوی 3 درصد وزنی مولیبدن کمترین نرخ زدایش را نشان داد. بررسی‌های میکروسکوپی و پراش پرتو ایکس تشکیل لایه‌های اکسیدی Cr₂O₃/NiCr₂O₄ را نشان داد. نمونه فاقد مولیبدن با کمترین مقاومت اکسیداسیون، تحت شرایط اکسیداسیون فرسایشی مقاومت بهتری از آلیاژهای با مولیبدن بالا نشان داد. با این‌حال نرخ اکسیداسیون بالا در این آلیاژ منجر به فقیر شدن شدید ناحیه زیرسطحی از عنصر کروم و اکسیداسیون داخلی آلیاژ شد.    

در این پژوهش، افزودن بازدارنده آلی متیونین (به‌عنوان بازدارنده دوست‌دار محیط زیست) به محیط 0/1 مولار اسیدسولفوریک برای فولاد زنگ‌نزن آستنیتی Lو316 (ساخته شده به روش نوردی و روش چاپ سه‌بعدی)، باعث بهبود مقاومت به خوردگی شده است. برای بررسی این تأثیرات از آزمون‌های الکتروشیمیایی پتانسیل مدار باز و امپدانس و آزمون‌های ساختاری همچون میکروسکوپ نوری و الکترونی و طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتوی ایکس استفاده شد. مقاومت به خوردگی در حضور بازدارنده بیشتر از نمونه بدون بازدارنده بوده و بازده بازدارندگی متیونین تا 64 درصد و مقاومت انتقال سطحی تا 2/77 برابر افزایش یافت. افزودن متیونین علاوه بر کاهش ناهمواری سطح، باعث کاهش تجمیع حفرات سطحی شده است. مکانیزم جذب شیمیایی و فیزیکی بازدارنده (جذب سمت با بار منفی مولکول متیونین با نواحی آندی سطح فلز با بار مثبت) در همه نقاط سطح نمونه با بازدارنده، رخ داده است. همچنین میزان اکسیژن در حفرات کاهش یافته و توزیع گوگرد در سطح یکنواخت شده است. ضخامت لایه‌های اکسیدی روئین‌کننده در اثر افزودن بازدارنده، بیشتر از نمونه بدون بازدارده محاسبه شد.