Как скрытый враг, точечная коррозия поражает металлические поверхности, что затрудняет ее обнаружение и контроль. Этот тип коррозии, вызываемый в первую очередь длительным контактом с морской водой в природе, особенно опасен для военных кораблей.

В недавней статье , опубликованной в журнале Nature Communications, ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) углубились в загадочный мир питтинговой коррозии в аддитивной (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 утверждение становится еще более справедливым после 3D-печати, но даже этот упругий материал не застрахован от питтинговой коррозии.

Команда LLNL обнаружила, что ключевыми игроками в этой коррозионной драме являются крошечные частицы, называемые «шлаками», которые производятся раскислителями, такими как марганец и кремний. При традиционном производстве нержавеющей стали 316L эти элементы обычно добавляются 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 порошковым сплавом (LPBF), но остаются на поверхности металла и вызывают питтинговую коррозию.

«Питтинговую коррозию чрезвычайно сложно понять из-за ее стохастической природы, но мы определили характеристики материала, которые вызывают или инициируют этот тип коррозии», — сказал ведущий автор и научный сотрудник LLNL Шохини Сен-Бритейн.

«Хотя наши шлаки выглядели иначе, чем те, которые наблюдались в материалах, изготовленных традиционным способом, мы предположили, что они могут быть причиной питтинговой коррозии в 316L. Мы подтвердили это, воспользовавшись впечатляющим набором характеристик материалов и возможностями моделирования, которые мы имеем в LLNL, где мы смогли без сомнения доказать, что причиной были шлаки. Это было чрезвычайно полезно».

Хотя шлаки также могут образовываться при традиционном производстве нержавеющей стали, их обычно удаляют с помощью отбойных молотков, шлифовальных машин или других инструментов. По словам исследователей, такие варианты постобработки противоречит цели аддитивного производства (АП) металла, и они добавили, что до их исследования почти не было информации о том, как шлаки образуются и откладываются во время АП.

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

Они смогли увеличить масштаб шлаков и раскрыть их роль в процессе коррозии в моделируемой океанской среде, обнаружив, что они создают разрывы и позволяют богатой хлоридами воде проникать в сталь и сеять хаос. Кроме того, шлаки содержат металлические включения, которые растворяются под воздействием морской воды, что еще больше способствует процессу коррозии.

«Мы хотели провести глубокое микроскопическое исследование, чтобы выяснить, что потенциально может быть ответственным за коррозию, когда она действительно происходит в этих материалах, и если это так, то могут быть дополнительные способы их улучшения, избегая этого конкретного агента», — сказал главный исследователь Брэндон Вуд.

«Образуется вторичная фаза, содержащая марганец — эти шлаки — которая, по-видимому, и является наиболее ответственной. Наша команда провела дополнительную детальную микроскопию, изучая окрестности этих шлаков, и, конечно же, мы смогли показать, что в в этом районе у вас есть усиление — вторичный индикатор того, что это, вероятно, доминирующий агент».

По словам ведущего исследователя Томаса Вуазена, с помощью трансмиссионной электронной микроскопии исследователи выборочно снимали с поверхности небольшие образцы напечатанной на 3D-принтере нержавеющей стали (около нескольких микрон), чтобы визуализировать шлаки через микроскоп и проанализировать их химический состав и структуру с атомным разрешением.

Методы определения характеристик помогли пролить свет на сложное взаимодействие факторов, которые приводят к питтинговой коррозии, и позволили команде анализировать шлаки способами, которые никогда раньше не делались в AM.

«В ходе процесса вы локально плавите 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 не должно быть, и изменяете механические и коррозионные свойства материала».

«Коррозия очень важна для нержавеющей стали, потому что она часто используется в морских целях. У вас может быть лучший материал с лучшими механическими свойствами, но если он не может контактировать с морской водой, это значительно ограничит возможности применения».

Исследователи заявили, что исследование знаменует собой значительный шаг вперед в продолжающейся борьбе с коррозией, не только углубляя научное понимание процессов коррозии, но и прокладывая путь для разработки улучшенных материалов и технологий производства.

Разгадав механизмы, лежащие в основе шлаков, и их связь с питтинговой коррозией, инженеры и производители смогут попытаться создать компоненты из нержавеющей стали, которые будут не только прочными и долговечными, но и очень устойчивыми к коррозионным воздействиям морской воды, что имеет последствия, выходящие за рамки морской техники. приложения и в другие отрасли и виды суровых сред.

«Когда мы печатаем материал на 3D-принтере, его механические свойства улучшаются, а 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, что также придает ему множество различных свойств. Что интересно, так это понять причину, по которой материал корродирует, почему он лучше, чем другие методы, и науку, стоящую за ним. снова и снова подтверждая, что мы можем использовать лазерный синтез AM для улучшения свойств наших материалов, намного превосходя все, что мы можем сделать с помощью других методов».

Теперь, когда команда понимает причины точечной коррозии, Сен-Бритэн 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, чтобы ограничить или исключить образование шлака.

Исследователи также смогут проанализировать детальное моделирование пути лазерного плавления и поведения плавления, чтобы оптимизировать параметры лазерной обработки и потенциально предотвратить попадание шлаков на поверхность, добавил Вуазен.

«Я думаю, что есть реальный путь к совместному проектированию этих сплавов и способов их обработки, чтобы сделать их еще более устойчивыми к коррозии», — сказал Вуд.

«Долгосрочная цель состоит в том, чтобы вернуться к циклу обратной связи по проверке прогнозов. У нас есть идея, что шлаки проблематичны; можем ли мы затем использовать наши модели состава и модели процессов, чтобы затем выяснить, как изменить наши базовые рецептуры, такие как то, что мы получаем, по сути, является обратной задачей проектирования. Мы знаем, чего хотим, теперь нам просто нужно выяснить, как этого добиться».