Дослідники розкривають причину корозії нержавіючої сталі, надрукованої 3D

Як невидимий ворог, ямкова корозія атакує металеві поверхні, ускладнюючи її виявлення та контроль. Цей тип корозії, який виникає в основному через тривалий контакт із морською водою в природі, є особливою проблемою для морських суден.

в останні дні папір Опубліковано в Комунікації природивчені Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса (LLNL) досліджували таємничий світ корозії нержавіючої сталі 316L, виготовленої за допомогою добавок (3D-друку) у морській воді.

Нержавіюча сталь 316L є популярним вибором для морських застосувань завдяки чудовому поєднанню механічної міцності та стійкості до корозії. Це ще більше актуально після 3D-друку, але навіть цей гнучкий матеріал не захищений від лиха зносу.

Команда LLNL виявила, що головними гравцями в цій драмі з корозією є дрібні частинки, звані «шлаком», які утворюються розкислювачами, такими як марганець і кремній. При традиційному виробництві нержавіючої сталі 316L ці елементи зазвичай додають перед литтям, щоб зв’язатися з киснем і утворити тверду фазу в розплавленому рідкому металі, яку можна легко видалити після виготовлення.

Дослідники виявили, що ці шлаки також утворюються під час 3D-друку лазерного порошкового синтезу (LPBF), але залишаються на металевій поверхні та починають кородувати.

«Корозію дуже важко зрозуміти через її випадкову природу, але ми визначили властивості матеріалів, які викликають або ініціюють цей тип корозії», — сказав провідний автор і вчений групи LLNL Shohini Sen-Britain.

“Хоча наш шлак відрізнявся від того, що спостерігається в традиційних матеріалах, ми припустили, що це може бути причиною корозії 316L. Ми підтвердили це, використовуючи вражаючий набір характеристик матеріалу та можливості моделювання, які ми маємо в LLNL, де ми змогли щоб продемонструвати без «Немає сумніву, що причиною був злий умисел. Це було дуже корисно».

Хоча шлак також може утворюватися під час звичайного виробництва нержавіючої сталі, його зазвичай видаляють за допомогою відбійних молотків, шліфувальних машин або інших інструментів. Ці варіанти постобробки зруйнували б мету адитивного виробництва (AM) металу, сказали дослідники, які додали, що до їх дослідження не було майже ніякої інформації про те, як шлак утворюється та відкладається під час AM.

Щоб відповісти на ці питання, на які немає відповіді, команда використала низку передових методів, включаючи подрібнення іонним променем з фокусуванням на плазмі, трансмісійну електронну мікроскопію та рентгенівську фотоелектронну спектроскопію компонентів із нержавіючої сталі AM.

Вони змогли наблизити шлак і виявити його роль у процесі корозії в симульованому океанському середовищі, виявивши, що він створює розриви та дозволяє збагаченій хлоридами воді проникати в сталь і сіяти хаос. Крім того, шлак містить мінеральні домішки, які розчиняються під впливом середовища, схожого на морську воду, що ще більше сприяє процесу корозії.

«Ми хотіли провести поглиблене мікроскопічне дослідження, щоб з’ясувати, що може бути причиною корозії, коли вона виникає в цих матеріалах, і якщо так, то можуть бути додаткові способи покращити її, уникнувши цього конкретного фактора», — сказав провідний дослідник Брендон. Деревина.

“Утворюється вторинна фаза, яка містить марганець – ці шлаки – які, здається, більш відповідальні за це. Наша команда провела додаткову детальну мікроскопію, дивлячись на околиці цього шлаку, і, звичайно, ми змогли показати, що в цьому сусідство, ви посилили «Це вторинний показник того, що це, ймовірно, домінуючий фактор».

За словами провідного дослідника Томаса Вуазена, використовуючи трансмісійний електронний мікроскоп, дослідники вибірково підняли невеликі зразки 3D-друкованої нержавіючої сталі з поверхні — приблизно кілька мікрон — щоб візуалізувати шлак за допомогою мікроскопа та проаналізувати його хімічний склад і структуру з атомною роздільною здатністю. .

Методи визначення характеристик допомогли пролити світло на складну взаємодію факторів, що призводять до корозії, і дозволили групі аналізувати шлак у спосіб, який ніколи раніше не робили у виробництві сировини.

«Під час процесу ви локально розплавляєте матеріал за допомогою лазера, а потім він дуже швидко твердне», — сказав Вуазен. «Швидке охолодження заморожує матеріал у нерівноважному стані; ви, по суті, зберігаєте атоми в конфігурації, в якій вони не повинні бути, і ви також змінюєте механічні властивості та властивості матеріалу».

«Корозія дуже важлива для нержавіючої сталі, оскільки вона часто використовується в морському застосуванні. Ви можете отримати найкращі матеріали з найкращими механічними властивостями, але якщо вони не можуть контактувати з морською водою, це значно обмежить застосування».

Дослідження є важливим кроком у боротьбі з корозією, яка триває, не лише для поглиблення наукового розуміння процесів корозії, але й для того, щоб прокласти шлях до розробки вдосконалених матеріалів і технологій виробництва, кажуть дослідники.

Розкриваючи механізми, що стоять за шлаком, і їх зв’язок із корозією, інженери та виробники можуть прагнути створювати компоненти з нержавіючої сталі, які будуть не тільки міцними та довговічними, але й дуже стійкими до корозійних сил морської води, що має значення далеко за межами морського світу. Застосування і в інших галузях промисловості та типах жорстких середовищ.

«Коли ми друкуємо 3D-матеріал, він має кращі механічні властивості, а з наших досліджень ми також розуміємо, що він також кращий для корозії», — сказав Вуазен.

“Поверхневий оксид, який утворюється під час процесу, розвивається при високих температурах, і це також надає йому багато різних властивостей. Захоплюючим є розуміння того, чому матеріал кородує, чому він кращий за інші методи, і наука, що стоїть за цим. Ще раз підтверджую і знову ж таки, що ми можемо використовуючи технологію лазерного синтезу порошку AM покращити властивості наших матеріалів таким чином, що виходить за рамки всього, що ми можемо зробити за допомогою інших технологій.

Тепер, коли команда розуміє причини травлення, Сін-Бретань і Вуазен сказали, що наступними кроками для підвищення продуктивності та довговічності надрукованої на 3D-принтері нержавіючої сталі 316L буде зміна складу порошкової сировини для видалення марганцю та кремнію. зменшити або усунути шлакоутворення.

Дослідники також можуть аналізувати детальне моделювання шляху лазерного плавлення та поведінки плавлення, щоб оптимізувати параметри лазерної обробки та потенційно запобігти потраплянню шлаку на поверхню, додав Вуазен.

«Я думаю, що є реальний спосіб взяти участь у розробці цих композицій сплавів і способів їх обробки, щоб зробити їх більш стійкими до корозії», — сказав Вуд.

“Довгострокове бачення полягає в тому, щоб повернутися до циклу зворотного зв'язку прогнозування та перевірки. У нас є думка, що шлак є проблемою; чи можемо ми потім використати наші моделі рецептур і моделі процесів, щоб зрозуміти, як змінити наші основні рецептури, такі як що ми отримуємо, по суті, проблему Реверсивний дизайн. «Ми знаємо, чого хочемо, тепер нам лише потрібно зрозуміти, як цього досягти».