I ricercatori rivelano il motivo della corrosione nell’acciaio inossidabile stampato in 3D

Come un nemico invisibile, la corrosione per vaiolatura attacca le superfici metalliche, rendendola difficile da rilevare e controllare. Questo tipo di corrosione, che in natura si verifica principalmente a causa del contatto prolungato con l'acqua di mare, rappresenta un problema particolare per le imbarcazioni marittime.

nei giorni scorsi carta Pubblicato in Comunicazioni sulla naturagli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno studiato il misterioso mondo della corrosione dell’acciaio inossidabile 316L prodotto con la tecnologia additiva (stampato in 3D) nell’acqua di mare.

L'acciaio inossidabile 316L è una scelta popolare per le applicazioni marine grazie alla sua eccellente combinazione di resistenza meccanica e resistenza alla corrosione. Ciò è ancora più vero dopo la stampa 3D, ma anche questo materiale flessibile non è immune al flagello dell’usura.

Il team LLNL ha scoperto che i principali attori in questo dramma della corrosione sono piccole particelle chiamate “scorie”, prodotte da disossidanti come manganese e silicio. Nella produzione convenzionale dell'acciaio inossidabile 316L, questi elementi vengono generalmente aggiunti prima della fusione per legarsi con l'ossigeno e formare una fase solida nel metallo liquido fuso che può essere facilmente rimossa dopo la produzione.

I ricercatori hanno scoperto che queste scorie si formano anche durante la stampa 3D con fusione laser di polveri (LPBF), ma rimangono sulla superficie metallica e iniziano a corrodersi.

“La corrosione è molto difficile da comprendere a causa della sua natura casuale, ma abbiamo identificato le proprietà dei materiali che causano o avviano questo tipo di corrosione”, ha affermato l’autore principale e scienziato del team LLNL Shohini Sen-Britain.

“Sebbene le nostre scorie apparissero diverse da quelle osservate nei materiali prodotti convenzionalmente, abbiamo ipotizzato che potesse essere una causa di corrosione nel 316L. Lo abbiamo confermato sfruttando l'impressionante suite di caratterizzazione dei materiali e le capacità di modellazione di cui disponiamo presso LLNL, dove siamo stati in grado manifestare senza “Non c'è dubbio che la causa sia stata la cattiveria. Questo è stato molto utile.”

Sebbene le scorie possano formarsi anche durante la produzione convenzionale dell'acciaio inossidabile, in genere vengono rimosse utilizzando martelli scalpellatori, smerigliatrici o altri strumenti. Queste opzioni di post-elaborazione vanificherebbero lo scopo della produzione additiva (AM) del metallo, hanno affermato i ricercatori, che hanno aggiunto che prima del loro studio non c’erano quasi informazioni su come si formano e depositano le scorie durante l’AM.

Per contribuire a rispondere a queste domande senza risposta, il team ha utilizzato una serie di tecniche avanzate, tra cui la fresatura del fascio ionico focalizzato sul plasma, la microscopia elettronica a trasmissione e la spettroscopia fotoelettronica a raggi X su componenti in acciaio inossidabile AM.

Sono stati in grado di ingrandire le scorie e rivelarne il ruolo nel processo di corrosione in un ambiente oceanico simulato, scoprendo che creavano discontinuità e consentivano all'acqua ricca di cloruro di penetrare nell'acciaio e provocare il caos. Inoltre, le scorie contengono impurità minerali che si dissolvono se esposte a un ambiente simile all'acqua di mare, contribuendo ulteriormente al processo di corrosione.

“Volevamo eseguire uno studio microscopico approfondito per scoprire cosa potrebbe essere responsabile della corrosione quando si verifica in questi materiali e, in tal caso, potrebbero esserci ulteriori modi per migliorarla evitando questo particolare fattore”, ha affermato il ricercatore capo Brandon. Legna.

“C'è una fase secondaria in cui si forma che contiene manganese, queste scorie, che sembrano esserne maggiormente responsabili. Il nostro team ha eseguito ulteriori microscopi dettagliati osservando le vicinanze di quelle scorie e, come previsto, siamo stati in grado di dimostrarlo in questo quartiere, hai valorizzato “È un indicatore secondario che questo è probabilmente il fattore dominante”.

Utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione, i ricercatori hanno sollevato selettivamente piccoli campioni di acciaio inossidabile stampato in 3D dalla superficie – circa pochi micron – per visualizzare le scorie attraverso un microscopio e analizzarne la chimica e la struttura a risoluzione atomica, secondo il ricercatore capo Thomas Voisin .

Le tecniche di caratterizzazione hanno contribuito a far luce sulla complessa interazione di fattori che portano alla corrosione e hanno consentito al team di analizzare le scorie in modi mai eseguiti prima nella produzione di materie prime.

“Durante il processo, si scioglie il materiale localmente con un laser, e poi si indurisce molto rapidamente”, ha detto Voisin. “Il raffreddamento rapido congela il materiale in uno stato di non equilibrio; essenzialmente mantieni gli atomi in una configurazione che non dovrebbero essere e stai anche modificando le proprietà meccaniche e di usura del materiale.”

“La corrosione è molto importante per l'acciaio inossidabile perché è molto utilizzato nelle applicazioni marine. È possibile ottenere i migliori materiali con le migliori proprietà meccaniche, ma se non possono essere a contatto con l'acqua di mare, ciò limiterà notevolmente le applicazioni.”

Lo studio rappresenta un importante passo avanti nella battaglia in corso contro la corrosione, non solo per approfondire la comprensione scientifica dei processi di corrosione, ma anche per aprire la strada allo sviluppo di materiali e tecniche di produzione migliorati, hanno affermato i ricercatori.

Rivelando i meccanismi alla base delle scorie e il loro rapporto con la corrosione, ingegneri e produttori possono sforzarsi di creare componenti in acciaio inossidabile che non siano solo forti e durevoli, ma anche altamente resistenti alle forze corrosive dell’acqua di mare, con implicazioni che si estendono ben oltre il mondo marino. Applicazioni e in altri settori e tipi di ambienti difficili.

“Quando stampiamo il materiale in 3D, è migliore per le proprietà meccaniche e, dalla nostra ricerca, comprendiamo anche che è migliore anche per la corrosione”, ha affermato Voisin.

“L'ossido superficiale che si forma durante il processo si sviluppa ad alte temperature, e questo gli conferisce anche molte proprietà diverse. Ciò che è entusiasmante è capire perché il materiale si corrode, perché è migliore di altre tecniche e la scienza che c'è dietro. Confermando, ancora una volta e ancora, che possiamo utilizzare la tecnologia di fusione laser delle polveri AM per migliorare le proprietà dei nostri materiali in un modo che va oltre qualsiasi cosa possiamo fare utilizzando altre tecnologie.

Ora che il team comprende le ragioni dietro l’incisione, Sin-Bretagne e Voisin hanno affermato che il prossimo passo per migliorare le prestazioni e la longevità dell’acciaio inossidabile 316L stampato in 3D sarà quello di modificare la composizione della materia prima in polvere per rimuovere manganese e silicio. ridurre o eliminare la formazione di scorie.

I ricercatori possono anche analizzare simulazioni dettagliate del percorso di fusione laser e del comportamento di fusione per ottimizzare i parametri di lavorazione laser e potenzialmente impedire alle scorie di raggiungere la superficie, ha aggiunto Voisin.

“Penso che ci sia un modo reale per essere coinvolti nella progettazione di queste composizioni di leghe e nel modo in cui le processano per renderle più resistenti alla corrosione”, ha detto Wood.

“La visione a lungo termine è quella di tornare al ciclo di feedback di previsione e convalida. Abbiamo questa idea che le scorie siano un problema; possiamo quindi sfruttare i nostri modelli di formulazione e modelli di processo per capire come modificare le nostre formulazioni di base, come che ciò che otteniamo è essenzialmente un problema di progettazione reversibile. “Sappiamo cosa vogliamo, ora dobbiamo solo capire come arrivarci.”