DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113592
تاريخ النشر: 2026-01-02
المؤلف: D. Diomande وآخرون
الموضوع الرئيسي: سلوك التآكل والتثبيط
نظرة عامة
تدرس الدراسة تآكل النوع الثاني من سبيكة AD730 في بيئات تحتوي على كبريتات الصوديوم (Na2SO4) ومزيج من كبريتات الصوديوم وكبريتات المغنيسيوم (MgSO4) عند درجات حرارة مرتفعة (650 درجة مئوية و700 درجة مئوية) تحت جو من الهواء مع 400 جزء في المليون من SO2. تشير النتائج إلى أن وجود طور سائل ليس ضروريًا لبدء تكوين حفر التآكل الساخن عند استخدام مزيج Na2SO4-MgSO4. ومع ذلك، فإن نوع الكاتيون المعدني الموجود يؤثر بشكل كبير على سلوك التآكل. على وجه التحديد، فإن وجود MgSO4 يقلل من تفاعل الكبريتات لأكاسيد النيكل (Ni) والكوبالت (Co) مقارنةً بـ Na2SO4 وحده، مما يؤدي إلى انخفاض معدل التآكل بسبب تفاعلات الكبريتات المثبطة.
تكشف خصائص منتجات التآكل أن انتشار الحفر يحدث من خلال تفاعلات كيميائية كهربائية عند واجهتين متميزتين، حيث يسهل الضغط الجزئي المنخفض للأكسجين تكوين الكبريتيدات و/أو الكبريت، مما يشير إلى دورها المحتمل كوسط تفاعل. ومع ذلك، لا يزال من الضروري إثبات المشاركة الحاسمة للكبريتيدات في آلية التآكل. بالإضافة إلى ذلك، فإن تكوين المسام عند واجهة المعدن-الأكسيد يفسر أيضًا عدم تطور طبقة أكسيد واقية عند جبهة الأكسدة. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتوضيح التفاعلات الديناميكية الحرارية داخل نظام NiSO4-Na2SO4-MgSO4 وآثارها على عمليات التآكل.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة التحديات في تعزيز الكفاءة العامة لتوربينات الغاز للطائرات (GT) من خلال زيادة درجات حرارة تشغيلها، مع التركيز بشكل خاص على أقراص التوربينات ذات الضغط المنخفض (LPTD) المصنوعة من سبيكة AD730. يجب أن تظهر هذه السبيكة، التي تم تطويرها للتطبيقات عالية الحرارة، قوة ميكانيكية استثنائية، ومقاومة للإجهاد الحراري الميكانيكي، ومقاومة للأكسدة والتآكل عند درجات حرارة تصل إلى 650 درجة مئوية. على الرغم من أن سبائك السوبر الجديدة مثل AD730 قد حسنت من الخصائص الميكانيكية ومقاومة الأكسدة مقارنةً بسبيكة A718 القديمة، إلا أنها أكثر عرضة للتآكل الساخن عند درجات حرارة منخفضة (LTHC)، خاصةً في وجود مركبات الكبريت والجزيئات المستهلكة أثناء التشغيل.
تسلط الورقة الضوء على آليات LTHC، التي تحدث في نطاق درجات حرارة يتراوح بين 550-750 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تدهور شديد للمواد بسبب تكوين الكبريتات من التفاعلات بين الجزيئات المستهلكة والغازات الحاملة للكبريت. يشير المؤلفون إلى أنه بينما كانت الدراسات السابقة تركز بشكل أساسي على كبريتات الصوديوم، فإن وجود كبريتات أخرى، مثل كبريتات المغنيسيوم، قد يؤثر على سلوك التآكل. تهدف الدراسة إلى توضيح ضرورة وجود طور سائل لبدء التآكل الشديد، والتحقيق في دور كبريتات المغنيسيوم في ظروف التآكل من النوع الثاني، وتقييم مقاومة التآكل الساخن لسبيكة AD730 من خلال تجارب أجريت عند 650 درجة مئوية و700 درجة مئوية.
طرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتناول اختيار المواد، بما في ذلك الكواشف والمعدات المحددة المستخدمة، بالإضافة إلى البروتوكولات المتبعة لضمان إمكانية التكرار. تشمل المنهجية تقنيات أخذ العينات، وعمليات جمع البيانات، والأساليب التحليلية المطبقة لتقييم النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم وصف التحليلات الإحصائية، مع تسليط الضوء على الاختبارات المستخدمة لتقييم أهمية النتائج. يركز القسم على الالتزام بالمعايير والبروتوكولات الأخلاقية، مما يضمن أن البحث تم إجراؤه بمسؤولية وشفافية. بشكل عام، يوفر هذا القسم نظرة شاملة على الإطار المنهجي الذي يدعم استنتاجات الدراسة.
نتائج
تُعرض نتائج اختبارات التآكل على سبيكة AD730، مع تسليط الضوء على تأثيرات درجة الحرارة وتركيب الملح على التغير في الكتلة بعد 100 ساعة من التعرض للهواء مع 400 جزء في المليون من SO₂. عند 650 درجة مئوية، أدى كل من Na₂SO₄ ومزيج Na₂SO₄-MgSO₄ إلى تغييرات في الكتلة تقارب $1.05 \pm 0.2 \, \text{mg.cm}^{-2}$، وهو ما يزيد بشكل كبير عن الزيادة في الكتلة الناتجة عن الأكسدة النقية، والتي كانت أقل من $0.1 \, \text{mg.cm}^{-2}$.
في المقابل، عند 700 درجة مئوية، حيث يكون مزيج Na₂SO₄-MgSO₄ منصهراً، كانت التغيرات في الكتلة أكبر بكثير، حيث تسبب Na₂SO₄ في زيادة في الكتلة قدرها $10.2 \pm 2.3 \, \text{mg.cm}^{-2}$، بينما أدى المزيج إلى $4.9 \pm 0.5 \, \text{mg.cm}^{-2}$. من الجدير بالذكر أن العينات المعرضة للمزيج المنصهر أظهرت زيادة في الكتلة تقارب نصف تلك الموجودة في العينات التي كانت على اتصال بـ Na₂SO₄ وحده. بالإضافة إلى ذلك، اختلف مظهر سطح العينات مع درجة الحرارة؛ حيث بدت بنية بعد المعالجة عند 650 درجة مئوية وخضراء مع بعض التقشر عند 700 درجة مئوية عند تعرضها لـ Na₂SO₄.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم سلوك تآكل سبيكة النيكل AD730 تحت بيئتين—Na2SO4 ومزيج Na2SO4-MgSO4—عند درجات حرارة 650 درجة مئوية و700 درجة مئوية في جو من الهواء بالإضافة إلى 400 جزء في المليون من SO2. تشير النتائج إلى أن وجود كبريتات المغنيسيوم يؤثر بشكل كبير على آليات التآكل، خاصة من خلال تقليل كبريتات أكاسيد النيكل والكوبالت مقارنة بكبريتات الصوديوم النقية. يُعزى هذا الانخفاض إلى الخصائص الأكثر حموضة لمزيج المحتوي على MgSO4، مما يعزز ذوبان الطبقات الواقية مثل Cr2O3، مما يؤدي إلى تآكل موضعي أكثر حدة (حفر) عند درجات حرارة مرتفعة.
كشفت خصائص منتجات التآكل عن تدرج متميز، حيث تتشكل أكاسيد أساسية مثل NiO وCoO في الطبقات الخارجية وأكاسيد حمضية مثل Cr2O3 وAl2O3 عند الواجهة الداخلية. تبرز الدراسة أن عملية التآكل تحكمها حركة الأيونات المعدنية وتدرجات تركيز أيونات الأكسيد وأنواع الكبريت، والتي تؤثر على تكوين الطبقات الواقية. من الجدير بالذكر أن البحث يقترح أن وجود طور سائل ليس ضروريًا لتكوين الحفر، ولكن الطبيعة الكيميائية للأملاح تلعب دورًا حاسمًا في معدل التدهور للسبيكة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية فهم التفاعلات بين تركيبة السبيكة والبيئات التآكلية للتخفيف من التدهور في التطبيقات الجوية.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.corsci.2026.113592
Publication Date: 2026-01-02
Author(s): D. Diomande et al.
Primary Topic: Corrosion Behavior and Inhibition
Overview
The study investigates type-II corrosion of AD730 alloy in environments containing sodium sulfate (Na2SO4) and a Na2SO4-magnesium sulfate (MgSO4) mixture at elevated temperatures (650°C and 700°C) under an atmosphere of air with 400 ppm SO2. The findings indicate that the presence of a liquid phase is not essential for the initiation of hot corrosion pits when using the Na2SO4-MgSO4 mixture. However, the type of metal cation present significantly influences the corrosion behavior. Specifically, the presence of MgSO4 reduces the sulfation reaction of nickel (Ni) and cobalt (Co) oxides compared to Na2SO4 alone, leading to a lower corrosion rate due to inhibited sulfation reactions.
Characterization of the corrosion products reveals that pitting propagation occurs through electrochemical reactions at two distinct interfaces, where a low partial pressure of oxygen facilitates the formation of sulfides and/or sulfur, suggesting their potential role as reaction intermediates. Nonetheless, the definitive involvement of sulfides in the corrosion mechanism remains to be established. Additionally, the formation of pores at the metal-oxide interface further explains the lack of protective oxide layer development at the oxidation front. Further research is necessary to elucidate the thermodynamic interactions within the NiSO4-Na2SO4-MgSO4 system and their implications for corrosion processes.
Introduction
The introduction of the paper discusses the challenges in enhancing the overall efficiency of aircraft gas turbines (GT) by increasing their operating temperatures, particularly focusing on low pressure turbine disks (LPTD) made from the AD730 alloy. This alloy, developed for high-temperature applications, must exhibit exceptional mechanical strength, thermomechanical fatigue resistance, and oxidation and corrosion resistance at temperatures reaching 650°C. Although newer γ/γ’ polycrystalline superalloys like AD730 have improved mechanical properties and oxidation resistance compared to the older A718 alloy, they are more susceptible to low temperature hot corrosion (LTHC), particularly in the presence of sulfur compounds and ingested particles during operation.
The paper highlights the mechanisms of LTHC, which occurs in the temperature range of approximately 550-750°C, leading to severe degradation of materials due to the formation of sulfates from interactions between ingested particles and sulfur-bearing gases. The authors note that while previous studies primarily focused on sodium sulfate, the presence of other sulfates, such as magnesium sulfate, may influence corrosion behavior. The study aims to clarify the necessity of a liquid phase for initiating severe corrosion, investigate the role of magnesium sulfate in type II corrosion conditions, and evaluate the hot corrosion resistance of the AD730 alloy through experiments conducted at 650°C and 700°C.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the selection of materials, including specific reagents and equipment used, as well as the protocols followed to ensure reproducibility. The methodology encompasses the sampling techniques, data collection processes, and analytical methods applied to evaluate the results.
Additionally, statistical analyses are described, highlighting the tests utilized to assess the significance of the findings. The section emphasizes adherence to ethical standards and protocols, ensuring that the research was conducted responsibly and transparently. Overall, this section provides a comprehensive overview of the methodological framework that underpins the study’s conclusions.
Results
The results of the corrosion tests on the AD730 alloy are presented, highlighting the effects of temperature and salt composition on mass change after 100 hours of exposure to air with 400 ppm SO₂. At 650°C, both Na₂SO₄ and a Na₂SO₄-MgSO₄ mixture resulted in comparable mass changes of approximately $1.05 \pm 0.2 \, \text{mg.cm}^{-2}$, significantly higher than the mass gain from pure oxidation, which was less than $0.1 \, \text{mg.cm}^{-2}$.
In contrast, at 700°C, where the Na₂SO₄-MgSO₄ mixture is molten, the mass changes were markedly greater, with Na₂SO₄ causing a mass gain of $10.2 \pm 2.3 \, \text{mg.cm}^{-2}$ and the mixture resulting in $4.9 \pm 0.5 \, \text{mg.cm}^{-2}$. Notably, the samples exposed to the molten mixture exhibited approximately half the mass gain compared to those in contact with Na₂SO₄ alone. Additionally, the surface appearance of the samples varied with temperature; they appeared brown after treatment at 650°C and green with some spallation at 700°C when exposed to Na₂SO₄.
Discussion
In this study, the corrosion behavior of the nickel-based alloy AD730 was evaluated under two environments—Na2SO4 and a Na2SO4-MgSO4 mixture—at temperatures of 650°C and 700°C in an atmosphere of air plus 400 ppm SO2. The findings indicate that the presence of magnesium sulfate significantly influences the corrosion mechanisms, particularly by reducing the sulfation of nickel and cobalt oxides compared to pure sodium sulfate. This reduction is attributed to the more acidic properties of the MgSO4-containing mixture, which promotes the dissolution of protective layers like Cr2O3, leading to more severe localized corrosion (pitting) at elevated temperatures.
Characterization of the corrosion products revealed distinct stratification, with basic oxides such as NiO and CoO forming at the outer layers and acidic oxides like Cr2O3 and Al2O3 at the inner interface. The study highlights that the corrosion process is governed by the transport of metallic ions and the concentration gradients of oxide ions and sulfur species, which affect the formation of protective layers. Notably, the research suggests that the presence of a liquid phase is not essential for pit formation, but the chemical nature of the salts plays a crucial role in the degradation rate of the alloy. Overall, the results underscore the importance of understanding the interactions between alloy composition and corrosive environments to mitigate degradation in aerospace applications.