Naukowcy ujawniają przyczynę korozji stali nierdzewnej drukowanej w 3D

Podobnie jak niewidzialny wróg, korozja wżerowa atakuje powierzchnie metalowe, utrudniając jej wykrycie i kontrolę. Ten rodzaj korozji, który występuje głównie na skutek długotrwałego kontaktu z wodą morską w przyrodzie, stanowi szczególny problem dla statków morskich.

w ostatnich dniach papier Opublikowane w Komunikacja przyrodniczaNaukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) badali tajemniczy świat korozji wytwarzanej metodą addytywną (drukowanej w 3D) stali nierdzewnej 316L w wodzie morskiej.

Stal nierdzewna 316L jest popularnym wyborem do zastosowań morskich ze względu na doskonałe połączenie wytrzymałości mechanicznej i odporności na korozję. Jest to jeszcze bardziej prawdziwe po druku 3D, ale nawet ten elastyczny materiał nie jest odporny na plagę zużycia.

Zespół LLNL odkrył, że głównymi uczestnikami tego dramatu korozji są małe cząstki zwane „żużlem”, które są wytwarzane przez odtleniacze, takie jak mangan i krzem. W konwencjonalnej produkcji stali nierdzewnej 316L pierwiastki te są zwykle dodawane przed odlewaniem, aby związać się z tlenem i utworzyć fazę stałą w roztopionym ciekłym metalu, którą można łatwo usunąć po wytworzeniu.

Naukowcy odkryli, że żużle te powstają również podczas drukowania 3D metodą laserowego stapiania proszków (LPBF), ale pozostają na powierzchni metalu i zaczynają korodować.

„Korozja jest bardzo trudna do zrozumienia ze względu na jej losowy charakter, ale zidentyfikowaliśmy właściwości materiałów, które powodują lub inicjują tego typu korozję” – powiedział główny autor i naukowiec z zespołu LLNL, Shohini Sen-Britain.

„Chociaż nasz żużel różnił się od tego, co obserwuje się w konwencjonalnie wytwarzanych materiałach, postawiliśmy hipotezę, że może to być przyczyną korozji w stali 316L. Potwierdziliśmy to, wykorzystując imponujący zestaw charakterystyki materiałów i możliwości modelowania, jakie mamy w LLNL, gdzie byliśmy w stanie demonstrować bez „Nie ma wątpliwości, że przyczyną była złośliwość. To było bardzo pomocne”.

Chociaż żużel może powstawać także podczas konwencjonalnej produkcji stali nierdzewnej, zazwyczaj usuwa się go za pomocą młotków kruszących, szlifierek lub innych narzędzi. Te opcje obróbki końcowej byłyby sprzeczne z celem wytwarzania przyrostowego (AM) metalu, twierdzą naukowcy, dodając, że przed badaniami prawie nie było informacji na temat tworzenia i osadzania żużla podczas AM.

Aby odpowiedzieć na te pytania bez odpowiedzi, zespół zastosował szereg zaawansowanych technik, w tym mielenie wiązką jonów w skupieniu plazmowym, transmisyjną mikroskopię elektronową i rentgenowską spektroskopię fotoelektronów na elementach ze stali nierdzewnej AM.

Udało im się przybliżyć żużel i odkryć jego rolę w procesie korozji w symulowanym środowisku oceanicznym, stwierdzając, że powoduje on nieciągłości i umożliwia przenikanie wody bogatej w chlorki w stal i sianie spustoszenia. Ponadto żużel zawiera zanieczyszczenia mineralne, które rozpuszczają się pod wpływem środowiska przypominającego wodę morską, co dodatkowo przyczynia się do procesu korozji.

„Chcieliśmy przeprowadzić dogłębne badania mikroskopowe, aby dowiedzieć się, co może być odpowiedzialne za korozję występującą w tych materiałach, a jeśli tak, mogą istnieć dodatkowe sposoby na jej poprawę poprzez unikanie tego konkretnego czynnika” – powiedział główny badacz Brandon Drewno.

„Istnieje faza wtórna, która tworzy fazę zawierającą mangan – te żużle – które wydają się być za to bardziej odpowiedzialne. Nasz zespół wykonał dodatkową szczegółową mikroskopię, przyglądając się sąsiedztwu tego żużla i rzeczywiście byliśmy w stanie to pokazać w tym sąsiedztwie, wzmocniłeś „Jest to dodatkowy wskaźnik, że jest to prawdopodobnie czynnik dominujący”.

Według głównego badacza Thomasa Voisina, za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego naukowcy selektywnie podnieśli z powierzchni małe próbki wydrukowanej w 3D stali nierdzewnej – około kilku mikronów – aby zwizualizować żużel pod mikroskopem i przeanalizować jego skład chemiczny i strukturę z rozdzielczością atomową. .

Techniki charakteryzacji pomogły rzucić światło na złożoną interakcję czynników prowadzących do korozji i umożliwiły zespołowi analizę żużla w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie robiono w produkcji surowców.

„W trakcie tego procesu materiał miejscowo topi się za pomocą lasera, a następnie bardzo szybko twardnieje” – powiedział Voisin. „Gwałtowne chłodzenie zamraża materiał w stanie nierównowagowym; zasadniczo utrzymujesz atomy w konfiguracji, w której nie powinny być, a także zmieniasz właściwości mechaniczne i właściwości materiału pod względem zużycia”.

„Korozja jest bardzo ważna w przypadku stali nierdzewnej, ponieważ jest ona często stosowana w zastosowaniach morskich. Można uzyskać najlepsze materiały o najlepszych właściwościach mechanicznych, ale jeśli nie mogą one mieć kontaktu z wodą morską, znacznie ogranicza to zastosowania”.

Badanie stanowi ważny krok naprzód w toczącej się walce z korozją, nie tylko w kierunku pogłębienia naukowego zrozumienia procesów korozji, ale także utorowania drogi dla rozwoju ulepszonych materiałów i technik produkcyjnych – twierdzą naukowcy.

Odkrywając mechanizmy stojące za żużlem i jego związek z korozją, inżynierowie i producenci mogą dążyć do stworzenia komponentów ze stali nierdzewnej, które są nie tylko mocne i trwałe, ale także wysoce odporne na działanie korozyjne wody morskiej, co ma konsekwencje wykraczające daleko poza świat morski. Zastosowania oraz w innych branżach i typach trudnych środowisk.

„Kiedy drukujemy materiał w 3D, poprawia on właściwości mechaniczne, a z naszych badań wynika, że ​​jest on również lepszy pod względem korozji” – powiedział Voisin.

„Tlenek powierzchniowy powstający podczas procesu rozwija się w wysokich temperaturach, co nadaje mu również wiele różnych właściwości. Ekscytujące jest zrozumienie, dlaczego materiał koroduje, dlaczego jest lepszy od innych technik, oraz stojąca za tym nauka. Potwierdzam to jeszcze raz i ponownie, że możemy wykorzystać technologię stapiania proszków laserowych AM do poprawy właściwości naszych materiałów w sposób wykraczający poza wszystko, co możemy osiągnąć przy użyciu innych technologii.

Teraz, gdy zespół rozumie przyczyny trawienia, Sin-Bretagne i Voisin stwierdzili, że kolejnym krokiem w celu zwiększenia wydajności i trwałości stali nierdzewnej 316L wydrukowanej w 3D będzie zmiana składu surowca proszkowego w celu usunięcia manganu i krzemu do zmniejszyć lub wyeliminować tworzenie się żużla.

Naukowcy mogą również analizować szczegółowe symulacje ścieżki topienia laserowego i zachowania topienia, aby zoptymalizować parametry przetwarzania laserowego i potencjalnie zapobiec przedostawaniu się żużla na powierzchnię, dodał Voisin.

„Myślę, że istnieje realny sposób na zaangażowanie się w projektowanie takich składów stopów oraz sposób, w jaki je przetwarzają, aby uczynić je bardziej odpornymi na korozję” – powiedział Wood.

„Długoterminowa wizja zakłada powrót do cyklu przewidywania i walidacji ze sprzężeniem zwrotnym. Uważamy, że problemem jest żużel. Czy możemy następnie wykorzystać nasze modele receptur i modeli procesów, aby dowiedzieć się, jak zmienić nasze podstawowe receptury, np. że to, co otrzymujemy, jest zasadniczo problemem. Projekt odwracalny. „Wiemy, czego chcemy, teraz musimy tylko wymyślić, jak to osiągnąć”.