Исследователи раскрывают причину коррозии нержавеющей стали, напечатанной на 3D-принтере

Как невидимый враг, точечная коррозия поражает металлические поверхности, что затрудняет ее обнаружение и контроль. Этот тип коррозии, возникающий в основном из-за длительного контакта с морской водой в природе, представляет особую проблему для морских судов.

в последние дни бумага Опубликовано в Природные коммуникацииУченые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) исследовали загадочный мир коррозии изготовленной аддитивным способом (3D-печати) нержавеющей стали 316L в морской воде.

Нержавеющая сталь 316L является популярным выбором для морского применения благодаря превосходному сочетанию механической прочности и коррозионной стойкости. Это еще более актуально после 3D-печати, но даже этот гибкий материал не застрахован от износа.

Команда LLNL обнаружила, что главными участниками этой коррозионной драмы являются мелкие частицы, называемые «шлаком», которые производятся раскислителями, такими как марганец и кремний. При обычном производстве нержавеющей стали 316L эти элементы обычно добавляют перед литьем для связывания кислорода и образования твердой фазы в расплавленном жидком металле, которую можно легко удалить после производства.

Исследователи обнаружили, что эти шлаки также образуются во время 3D-печати лазерным сплавлением (LPBF), но остаются на поверхности металла и начинают корродировать.

«Коррозию очень сложно понять из-за ее случайного характера, но мы определили свойства материалов, которые вызывают или инициируют этот тип коррозии», — сказал ведущий автор и научный сотрудник группы LLNL Шохини Сен-Бритейн.

«Хотя наш шлак отличался от того, что наблюдается в материалах, изготовленных традиционным способом, мы предположили, что он может быть причиной коррозии в 316L. Мы подтвердили это, используя впечатляющий набор характеристик материалов и возможности моделирования, которые мы имеем в LLNL, где мы смогли продемонстрировать без «Нет сомнений, что причиной был злой умысел. Это было очень полезно».

Хотя шлак также может образовываться при обычном производстве нержавеющей стали, его обычно удаляют с помощью отбойных молотков, шлифовальных машин или других инструментов. Эти варианты постобработки противоречит цели аддитивного производства (АП) металла, заявили исследователи, добавив, что до их исследования почти не было информации о том, как шлак образуется и откладывается во время АП.

Чтобы помочь ответить на эти оставшиеся без ответа вопросы, команда использовала ряд передовых методов, включая плазменно-фокусированное ионно-лучевое фрезерование, трансмиссионную электронную микроскопию и рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию на компонентах из нержавеющей стали AM.

Им удалось увеличить масштаб шлака и выявить его роль в процессе коррозии в моделируемой океанской среде, обнаружив, что он создает неоднородности и позволяет богатой хлоридами воде проникать в сталь и наносить ущерб. Кроме того, шлак содержит минеральные примеси, которые растворяются при воздействии среды, напоминающей морскую воду, что еще больше способствует процессу коррозии.

«Мы хотели провести углубленное микроскопическое исследование, чтобы выяснить, что может быть ответственным за коррозию, когда она возникает в этих материалах, и если да, то могут быть дополнительные способы улучшить ее, избегая этого конкретного фактора», — сказал ведущий исследователь Брэндон. Древесина.

«Существует вторичная фаза, содержащая марганец — эти шлаки — которые, кажется, более ответственны за это. Наша команда провела дополнительную детальную микроскопию, изучая окрестности этого шлака, и, конечно же, мы смогли показать, что в этом соседство, вы улучшили «Это вторичный показатель того, что это, вероятно, доминирующий фактор».

По словам ведущего исследователя Томаса Вуазена, с помощью трансмиссионного электронного микроскопа исследователи выборочно снимали с поверхности небольшие образцы напечатанной на 3D-принтере нержавеющей стали — около нескольких микрон — чтобы визуализировать шлак через микроскоп и проанализировать его химический состав и структуру с атомным разрешением. .

Методы определения характеристик помогли пролить свет на сложное взаимодействие факторов, приводящих к коррозии, и позволили команде анализировать шлак способами, которые никогда раньше не делались при производстве сырья.

«В ходе процесса вы локально расплавляете материал с помощью лазера, а затем он очень быстро затвердевает», — сказал Вуазен. «Быстрое охлаждение замораживает материал в неравновесном состоянии; по сути, вы сохраняете атомы в конфигурации, которой они не должны быть, а также меняете механические и износостойкие свойства материала».

«Коррозия очень важна для нержавеющей стали, потому что она широко используется в морской промышленности. Вы можете получить лучшие материалы с лучшими механическими свойствами, но если они не могут контактировать с морской водой, это значительно ограничит их применение».

Исследование представляет собой важный шаг вперед в продолжающейся борьбе с коррозией, не только для углубления научного понимания процессов коррозии, но и для того, чтобы проложить путь к разработке улучшенных материалов и технологий производства, говорят исследователи.

Раскрывая механизмы, лежащие в основе шлака, и их связь с коррозией, инженеры и производители могут стремиться создавать компоненты из нержавеющей стали, которые не только прочны и долговечны, но и обладают высокой устойчивостью к коррозионным воздействиям морской воды, последствия которых выходят далеко за пределы морского мира. Применения и в других отраслях и видах суровых сред.

«Когда мы печатаем материал на 3D-принтере, его механические свойства улучшаются, и из наших исследований мы также понимаем, что он также лучше защищает от коррозии», — сказал Вуазен.

«Поверхностный оксид, который образуется во время процесса, развивается при высоких температурах, и это также придает ему множество различных свойств. Что интересно, так это понимание того, почему материал корродирует, почему он лучше, чем другие методы, и научные данные, стоящие за ним. Еще раз подтверждение». И опять же, мы можем использовать технологию лазерной сварки порошков AM для улучшения свойств наших материалов таким образом, что это выходит за рамки всего, что мы можем сделать с использованием других технологий.

Теперь, когда команда понимает причины травления, Син-Бретань и Вуазен заявили, что следующими шагами по повышению производительности и долговечности напечатанной на 3D-принтере нержавеющей стали 316L будет изменение состава порошкового сырья для удаления марганца и кремния. уменьшить или исключить образование шлака.

Исследователи также могут проанализировать детальное моделирование пути лазерной плавки и поведения плавления, чтобы оптимизировать параметры лазерной обработки и потенциально предотвратить попадание шлака на поверхность, добавил Вуазен.

«Я думаю, что есть реальный способ принять участие в разработке составов этих сплавов и способов их обработки, чтобы сделать их более устойчивыми к коррозии», — сказал Вуд.

«Долгосрочная цель состоит в том, чтобы вернуться к циклу обратной связи прогнозирования и проверки. У нас есть идея, что шлак — это проблема; можем ли мы затем использовать наши модели рецептур и модели процессов, чтобы выяснить, как изменить наши базовые рецептуры, например «То, что мы получаем, по сути, является проблемой. Двусторонний дизайн. «Мы знаем, чего хотим, теперь нам просто нужно придумать, как этого добиться».