_ Cercetătorii descoperă vinovații din spatele coroziunii prin gropi din oțel inoxidabil imprimat în 3D

Ca un inamic ascuns, coroziunea prin picking atacă suprafețele metalice, ceea ce face dificilă detectarea și controlul. Acest tip de coroziune, cauzată în principal de contactul prelungit cu apa de mare în natură, este deosebit de problematică pentru navele navale.

Într-o lucrare recentă publicată în Nature Communications, oamenii de știință de la Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) au cercetat misteriosul lumea coroziunii prin pitting în oțel inoxidabil 316L fabricat aditiv (imprimat 3D) în apă de mare.

Oțelul inoxidabil 316L este o alegere populară pentru aplicațiile marine datorită combinației sale excelente de rezistență mecanică și rezistență la coroziune. Acest lucru este și mai adevărat după imprimarea 3D, dar chiar și acest material rezistent nu este imun la flagelul coroziunii.

Echipa LLNL a descoperit că jucătorii cheie în această dramă a coroziunii sunt particule minuscule numite „zgură, „care sunt produse de deoxidanți precum manganul și siliciul. În producția tradițională din oțel inoxidabil 316L, aceste elemente sunt adăugate de obicei înainte de turnare pentru a se lega de oxigen și pentru a forma o fază solidă în metalul lichid topit, care poate fi îndepărtată cu ușurință după fabricație.

Cercetătorii au descoperit și aceste zguri. se formează în timpul imprimării 3D prin fuziunea cu strat de pulbere cu laser (LPBF), dar rămân la suprafața metalului și inițiază coroziunea prin pitting.

„Coroziunea prin pitting este extrem de greu de înțeles datorită naturii sale stocastice, dar am determinat caracteristicile materialului care provoacă sau inițiază acest tip de coroziune”, a spus autorul principal și om de știință al personalului LLNL Shohini Sen-Britain.

„În timp ce zgura noastră arăta diferit de ceea ce a fost observat în materialele fabricate în mod convențional, am emis ipoteza că ar putea fi o cauză a coroziunii prin pitting în 316 L. Am confirmat acest lucru profitând de suita impresionantă de caracterizare a materialelor și de capacitățile de modelare pe care le avem la LLNL, unde am putut dovedi fără îndoială că zgura au fost cauza. Acest lucru a fost extrem de plin de satisfacții.”

Deși zgura se poate forma și în timpul producției tradiționale de oțel inoxidabil, acestea sunt de obicei îndepărtate cu ciocane de așchiere, șlefuite sau alte unelte. Aceste opțiuni de post-procesare ar învinge scopul aditivului. producția (AM) a metalului, au spus cercetătorii, care au adăugat că, înainte de studiul lor, aproape nu existau informații despre modul în care se formează și se depun zgura în timpul AM.

Pentru a ajuta la abordarea acestor întrebări fără răspuns, echipa au folosit o combinație de tehnici avansate, inclusiv măcinarea cu fascicul de ioni focalizat pe plasmă, microscopia electronică cu transmisie și spectroscopia fotoelectronului cu raze X pe componente AM din oțel inoxidabil.

Au putut să mărească zgura și să le descopere. rol în procesul de coroziune într-un mediu oceanic simulat, constatând că au creat discontinuități și au permis apei bogate în clorură să pătrundă în oțel și să facă ravagii. În plus, zgura conțin incluziuni de metal care se dizolvă atunci când sunt expuse la mediul asemănător apei de mare, contribuind și mai mult. la procesul de coroziune.

„Am vrut să facem un studiu de microscopie în adâncime pentru a ne da seama ce ar putea fi responsabil pentru coroziune atunci când se întâmplă în aceste materiale și, dacă acesta este cazul, atunci s-ar putea să fie modalități suplimentare de a le îmbunătăți prin evitarea acestui agent anume”, a spus investigatorul principal Brandon Wood.

„Există o fază secundară care s-a format care conține mangan – aceste zguri – care părea a fi cea mai responsabilă. Echipa noastră a făcut o microscopie suplimentară detaliată privind vecinătatea acelor zguri și, destul de sigur, am reușit să arătăm că în acel cartier, aveți îmbunătățiri – un indicator secundar că acesta este probabil agentul dominant.”

Folosind microscopia electronică cu transmisie, cercetătorii au ridicat selectiv eșantioane mici de oțel inoxidabil imprimat 3D de la suprafață – aproximativ câțiva microni – pentru a vizualiza zgura prin microscop și pentru a le analiza chimia și structura la rezoluție atomică, potrivit investigatorului principal Thomas Voisin.

Tehnicile de caracterizare au ajutat la evidențierea interacțiunii complexe a factorilor care duc la coroziunea prin pitting și au permis echipei să analizeze zgura în moduri nemaiîntâlnite înainte în AM.

„În timpul procesului, topești local materialul cu laserul și apoi se solidifică foarte rapid”, a spus Voisin. „Răcirea rapidă îngheață materialul într-o stare de neechilibru; practic mențineți atomii într-o configurație care nu ar trebui să fie și modificați proprietățile mecanice și de coroziune ale materialului.”

"Coroziunea este foarte importantă pentru oțelul inoxidabil, deoarece este folosit mult în aplicații marine. Puteți avea cel mai bun material cu cele mai bune proprietăți mecanice, dar dacă nu poate fi în contact cu apa de mare, acest lucru va limita aplicațiile. semnificativ.”

Cercetătorii au spus că studiul marchează un pas semnificativ înainte în lupta continuă împotriva coroziunii, nu numai că aprofundează înțelegerea științifică a proceselor de coroziune, ci și deschide calea pentru dezvoltarea materialelor și tehnicilor de fabricație îmbunătățite.

Prin dezvăluirea mecanismelor din spatele zgurii și a relației lor cu coroziunea prin gropi, inginerii și producătorii se pot strădui să creeze componente din oțel inoxidabil care nu sunt doar puternice și durabile, ci și foarte rezistente la forțele corozive ale apei de mare, cu implicații care se extind dincolo de domeniul aplicațiilor marine și în alte industrii și tipuri de medii dure.

„Când imprimăm materialul 3D, este mai bine pentru proprietățile mecanice și, din cercetările noastre, înțelegem, de asemenea, că este mai bine pentru coroziune, deoarece bine”, a spus Voisin.

„Oxidul de suprafață care se formează în timpul procesului se dezvoltă la temperaturi ridicate și, de asemenea, îi conferă multe proprietăți diferite. Ceea ce este interesant este înțelegerea motivului pentru care materialul corodează, de ce este mai bun decât alte tehnici și știința din spatele acestuia. Se confirmă, din nou și din nou, că putem folosi fuziunea cu strat de pulbere cu laser AM pentru a ne îmbunătăți proprietățile materialelor mult peste orice putem face cu alte tehnici.”

Acum, că echipa înțelege cauzele din spatele pittingului, Sen-Britain și Voisin au spus că următorii pași pentru îmbunătățirea performanței și longevității oțelului inoxidabil 316L imprimat 3D ar fi modificarea formulării materiei prime pentru pulbere pentru a elimina manganul și siliciul pentru a limita sau elimina formarea de zgură.

Cercetătorii ar putea, de asemenea, să analizeze simulări detaliate ale pistei de topire a laserului și ale comportamentului de topire pentru a optimiza parametrii de procesare ai laserului și, potențial, pentru a preveni zgura să ajungă la suprafață, a adăugat Voisin.

„Cred că există o cale reală pentru a cooperă. -proiectarea acestor compoziții de aliaje și a modului în care sunt procesate pentru a le face și mai rezistente la coroziune”, a spus Wood.

„Viziunea pe termen lung este de a reveni la un ciclu de feedback de predicție-validare. Avem ideea că zgura sunt problematice; Putem apoi să ne folosim modelele de compoziție și modelele de proces pentru a ne da seama cum să ne schimbăm formulările de bază, astfel încât ceea ce obținem să fie practic o problemă de proiectare inversă. Știm ce vrem, acum trebuie doar să ne dăm seama cum să ajungem acolo.”

(Fluierul)