Forskere afslører synderne bag grubetæring i 3D-printet rustfrit stål

Som en skjult fjende angriber grubetæring metaloverflader, hvilket gør det svært at opdage og kontrollere. Denne type korrosion, primært forårsaget af langvarig kontakt med havvand i naturen, er især problematisk for flådefartøjer.

I et nyligt papir offentliggjort i Nature Communications , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere dykkede ned i den mystiske verden af ​​grubetæring i additivt fremstillet (3D-printet) rustfrit stål 316L i havvand.

Rustfrit stål 316L er et populært valg til marineapplikationer på grund af dets fremragende kombination af mekanisk styrke og korrosionsbestandighed. Dette gælder i endnu højere grad efter 3D-printning, men selv dette elastiske materiale er ikke immunt over for plagen med grubetæring.

LLNL-holdet opdagede, at nøglespillerne i dette korrosionsdrama er bittesmå partikler kaldet "slagger", som produceres af deoxidationsmidler såsom mangan og silicium. I traditionel 316L-fremstilling af rustfrit stål tilsættes disse elementer typisk før støbning for at binde med oxygen og danne en fast fase i det smeltede flydende metal, som nemt kan fjernes efter fremstilling.

Forskere fandt ud af, at disse slagger også dannes under 3D-printning med laserpulverbedfusion (LPBF), men forbliver på metallets overflade og initierer grubetæring.

"Pitting-korrosion er ekstremt vanskelig at forstå på grund af dens stokastiske natur, men vi har bestemt de materialeegenskaber, der forårsager eller initierer denne type korrosion," sagde hovedforfatter og LLNL-medarbejder, Shohini Sen-Britain.

"Mens vores slagger så anderledes ud, end hvad der var blevet observeret i konventionelt fremstillede materialer, antog vi, at de kunne være en årsag til grubetæring i 316L. Vi bekræftede dette ved at drage fordel af den imponerende materialekarakteriseringssuite og modelleringsmuligheder, vi har hos LLNL, hvor vi uden tvivl kunne bevise, at slagger var årsagen. Dette var ekstremt givende."

Selvom slagger også kan dannes under traditionel fremstilling af rustfrit stål, fjernes de typisk med huggehammere, kværne eller andre værktøjer. Disse muligheder for efterbehandling ville besejre formålet med additiv fremstilling (AM) af metallet, sagde forskerne, som tilføjede, at der forud for deres undersøgelse næsten ikke var nogen information om, hvordan slagger dannes og aflejres under AM.

For at hjælpe med at løse disse ubesvarede spørgsmål brugte holdet en kombination af avancerede teknikker, herunder plasma-fokuseret ionstrålefræsning, transmissionselektronmikroskopi og røntgenfotoelektronspektroskopi på AM rustfri stålkomponenter.

De var i stand til at zoome ind på slaggerne og afdække deres rolle i korrosionsprocessen i et simuleret havmiljø, og fandt ud af, at de skabte diskontinuiteter og tillod det chloridrige vand at trænge ind i stålet og skabe kaos. Derudover indeholder slaggerne metalindeslutninger, der opløses, når de udsættes for det havvandslignende miljø, hvilket yderligere bidrager til korrosionsprocessen.

"Vi ønskede at lave et dybtgående mikroskopi for at finde ud af, hvad der potentielt kunne være ansvarligt for korrosion, når det sker i disse materialer, og hvis det er tilfældet, så kan der være yderligere måder at forbedre dem på ved at undgå det pågældende middel, " sagde hovedefterforsker Brandon Wood.

"Der er en sekundær fase, der er dannet, som indeholder mangan - disse slagger - som så ud til at være det, der var mest ansvarligt. Vores team foretog nogle yderligere detaljerede mikroskopier og kiggede på nærheden af ​​disse slagger, og ganske rigtigt var vi i stand til at vise, at i det nabolag, du har forbedring - en sekundær indikator på, at dette sandsynligvis er den dominerende agent."

Ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi løftede forskerne selektivt små prøver af 3D-printet rustfrit stål fra overfladen - omkring et par mikrometer - for at visualisere slaggerne gennem mikroskopet og analysere deres kemi og struktur ved atomopløsning, ifølge ledende efterforsker Thomas Voisin.

Karakteriseringsteknikkerne hjalp med at kaste lys over det komplekse samspil mellem faktorer, der fører til grubetæring, og satte holdet i stand til at analysere slagger på måder, der aldrig er gjort før i AM.

"Under processen smelter du lokalt materialet med laseren, og så størkner det meget hurtigt," sagde Voisin. "Den hurtige afkøling fryser materialet i en ikke-ligevægtstilstand; du holder dybest set atomerne i en konfiguration, som ikke formodes at være det, og du ændrer materialets mekaniske og korrosionsegenskaber."

"Korrosion er meget vigtig for rustfrit stål, fordi det bruges meget i marine applikationer. Du kunne have det bedste materiale med de bedste mekaniske egenskaber, men hvis det ikke kan være i kontakt med havvand, vil dette begrænse anvendelsen betydeligt."

Forskere sagde, at undersøgelsen markerer et væsentligt skridt fremad i den igangværende kamp mod korrosion, der ikke kun uddyber den videnskabelige forståelse af korrosionsprocesser, men også baner vejen for udvikling af forbedrede materialer og fremstillingsteknikker.

Ved at optrevle mekanismerne bag slaggerne og deres forhold til grubetæring, kan ingeniører og producenter stræbe efter at skabe komponenter i rustfrit stål, der ikke kun er stærke og holdbare, men også meget modstandsdygtige over for havvandets korrosive kræfter, med implikationer, der strækker sig ud over det marine område. applikationer og ind i andre industrier og former for barske miljøer.

"Når vi 3D-printer materialet, er det bedre for de mekaniske egenskaber, og ud fra vores forskning forstår vi også, at det også er bedre for korrosion," sagde Voisin.

"Overfladeoxidet, der dannes under processen, udvikler sig ved høje temperaturer, og det giver det også mange forskellige egenskaber. Det spændende er at forstå årsagen til, at materialet korroderer, hvorfor det er bedre end andre teknikker, og videnskaben bag. Det er bekræfter igen og igen, at vi kan bruge laserpulverbedfusion AM til at forbedre vores materialeegenskaber langt ud over noget, vi kan gøre med andre teknikker."

Nu hvor holdet forstår årsagerne bag pitting, sagde Sen-Britain og Voisin, at de næste skridt til at forbedre ydeevnen og levetiden af ​​3D-printet rustfrit stål 316L ville være at ændre formuleringen af ​​pulverråmaterialet for at fjerne mangan og silicium for at begrænse eller eliminere slaggedannelse.

Forskere kunne også analysere detaljerede simuleringer af laserens smeltespor og smelteadfærd for at optimere laserens behandlingsparametre og potentielt forhindre slaggerne i at nå overfladen, tilføjede Voisin.

"Jeg tror, ​​der er en reel vej til rent faktisk at designe disse legeringssammensætninger og den måde, de behandles for at gøre dem endnu mere korrosionsbestandige," sagde Wood.

"Den langsigtede vision er at gå tilbage til en forudsigelsesvaliderings-feedback-cyklus. Vi har en ide om, at slaggerne er problematiske; kan vi derefter udnytte vores sammensætningsmodeller og procesmodeller for derefter at finde ud af, hvordan vi ændrer vores basisformuleringer, som f.eks. at det, vi får, dybest set er et omvendt designproblem. Vi ved, hvad vi vil have, nu skal vi bare finde ud af, hvordan vi kommer dertil."

Flere oplysninger: Shohini Sen-Britain et al., Kritisk rolle af slagger i grubetæring af additivt fremstillet rustfrit stål i simuleret havvand, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45120-6

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Lawrence Livermore National Laboratory