Som en dold fiende attackerar gropkorrosion metallytor, vilket gör det svårt att upptäcka och kontrollera. Denna typ av korrosion, främst orsakad av långvarig kontakt med havsvatten i naturen, är särskilt problematisk för örlogsfartyg.
I en ny artikel publicerad i Nature Communications , Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare grävde in i den mystiska världen av gropkorrosion i additivt tillverkat (3D-printat) rostfritt stål 316L i havsvatten.
Rostfritt stål 316L är ett populärt val för marina applikationer på grund av dess utmärkta kombination av mekanisk styrka och korrosionsbeständighet. Detta gäller ännu mer efter 3D-utskrift, men inte ens detta motståndskraftiga material är immunt mot plågan av gropkorrosion.
LLNL-teamet upptäckte att nyckelspelarna i detta korrosionsdrama är små partiklar som kallas "slagg", som produceras av deoxidationsmedel som mangan och kisel. Vid traditionell tillverkning av rostfritt stål 316L tillsätts dessa element vanligtvis före gjutning för att binda med syre och bilda en fast fas i den smälta flytande metallen som lätt kan avlägsnas efter tillverkning.
Forskare fann att dessa slagg också bildas under 3D-utskrift med laserpulverbäddfusion (LPBF) men förblir på metallytan och initierar gropkorrosion.
"Gropkorrosion är extremt svår att förstå på grund av dess stokastiska natur, men vi har fastställt de materialegenskaper som orsakar eller initierar denna typ av korrosion", säger huvudförfattaren och LLNL-personalforskaren Shohini Sen-Britain.
"Medan våra slagg såg annorlunda ut än vad som hade observerats i konventionellt tillverkade material, antog vi att de kunde vara en orsak till gropkorrosion i 316L. Vi bekräftade detta genom att dra fördel av den imponerande materialkarakteriseringssviten och modelleringsmöjligheterna vi har på LLNL, där vi utan tvekan kunde bevisa att slagg var orsaken. Detta var extremt givande."
Även om slagg också kan bildas under traditionell tillverkning av rostfritt stål, avlägsnas de vanligtvis med flishammare, slipmaskiner eller andra verktyg. Dessa efterbearbetningsalternativ skulle motverka syftet med additiv tillverkning (AM) av metallen, sa forskarna, som tillade att det före deras studie fanns nästan ingen information om hur slagg bildas och avsätts under AM.
För att hjälpa till med att ta itu med dessa obesvarade frågor använde teamet en kombination av avancerade tekniker, inklusive plasmafokuserad jonstrålefräsning, transmissionselektronmikroskopi och röntgenfotoelektronspektroskopi på AM-komponenter i rostfritt stål.
De kunde zooma in på slaggen och avslöja deras roll i korrosionsprocessen i en simulerad havsmiljö, och upptäckte att de skapade diskontinuiteter och lät det kloridrika vattnet penetrera stålet och orsaka förödelse. Dessutom innehåller slaggen metallinneslutningar som löses upp när de utsätts för den havsvattenliknande miljön, vilket ytterligare bidrar till korrosionsprocessen.
"Vi ville göra en djupdykningsmikroskopistudie för att ta reda på vad som potentiellt kan vara ansvarigt för korrosion när det händer i dessa material, och om så är fallet, då kan det finnas ytterligare sätt att förbättra dem genom att undvika just det ämnet, " sa chefsutredaren Brandon Wood.
"Det finns en sekundär fas som har bildats som innehåller mangan - dessa slagger - som verkade vara det som var mest ansvarigt. Vårt team gjorde ytterligare en detaljerad mikroskopi och tittade på närheten av dessa slagger, och visst kunde vi visa att i det grannskapet har du förbättring – en sekundär indikator på att detta förmodligen är den dominerande agenten."
Med hjälp av transmissionselektronmikroskopi lyfte forskarna selektivt små prover av 3D-printat rostfritt stål från ytan - cirka några mikrometer - för att visualisera slaggen genom mikroskopet och analysera deras kemi och struktur vid atomupplösning, enligt ledande utredare Thomas Voisin.
Karaktäriseringsteknikerna hjälpte till att belysa det komplexa samspelet mellan faktorer som leder till gropkorrosion och gjorde det möjligt för teamet att analysera slagg på sätt som aldrig tidigare gjorts i AM.
"Under processen smälter du lokalt materialet med lasern, och sedan stelnar det mycket snabbt," sa Voisin. "Den snabba kylningen fryser materialet i ett icke-jämviktstillstånd; du håller i princip atomerna i en konfiguration som inte är tänkt att vara det, och du ändrar materialets mekaniska egenskaper och korrosionsegenskaper."
"Korrosion är mycket viktigt för rostfritt stål eftersom det används mycket i marina applikationer. Du kan ha det bästa materialet med de bästa mekaniska egenskaperna, men om det inte kan komma i kontakt med havsvatten kommer detta att begränsa applikationerna avsevärt."
Forskare sa att studien markerar ett viktigt steg framåt i den pågående kampen mot korrosion, och den fördjupar inte bara den vetenskapliga förståelsen av korrosionsprocesser utan också banar väg för utveckling av förbättrade material och tillverkningstekniker.
Genom att reda ut mekanismerna bakom slaggen och deras förhållande till gropkorrosion kan ingenjörer och tillverkare sträva efter att skapa komponenter i rostfritt stål som inte bara är starka och hållbara utan också mycket motståndskraftiga mot havsvattnets korrosiva krafter, med implikationer som sträcker sig bortom marint område. applikationer och till andra industrier och typer av tuffa miljöer.
"När vi 3D-skriver ut materialet är det bättre för de mekaniska egenskaperna, och från vår forskning förstår vi också att det är bättre för korrosion också," sa Voisin.
"Ytoxiden som bildas under processen utvecklas vid höga temperaturer, och det ger den också många olika egenskaper. Det som är spännande är att förstå orsaken till att materialet korroderar, varför det är bättre än andra tekniker och vetenskapen bakom det. Det är bekräftar, om och om igen, att vi kan använda laserpulverbäddfusion AM för att förbättra våra materialegenskaper långt utöver allt vi kan göra med andra tekniker."
Nu när teamet förstår orsakerna bakom pitting, sa Sen-Britain och Voisin att nästa steg för att förbättra prestandan och livslängden hos 3D-printat rostfritt stål 316L skulle vara att ändra formuleringen av pulverråvaran för att ta bort mangan och kisel för att begränsa eller eliminera slaggbildning.
Forskare kunde också analysera detaljerade simuleringar av laserns smältspår och smältbeteende för att optimera laserns bearbetningsparametrar och potentiellt förhindra slaggen från att nå ytan, tillade Voisin.
"Jag tror att det finns en riktig väg för att faktiskt samdesigna dessa legeringskompositioner och hur de bearbetas för att göra dem ännu mer korrosionsbeständiga," sa Wood.
"Den långsiktiga visionen är att gå tillbaka till en återkopplingscykel för förutsägelsevalidering. Vi har en idé om att slaggarna är problematiska; kan vi nästa utnyttja våra sammansättningsmodeller och processmodeller för att sedan ta reda på hur vi kan ändra våra basformuleringar, t.ex. att det vi får i grunden är ett omvänt designproblem. Vi vet vad vi vill ha, nu måste vi bara ta reda på hur vi ska nå dit."
Mer information: Shohini Sen-Britain et al, Kritisk roll för slagg i gropkorrosion av tillsatstillverkat rostfritt stål i simulerat havsvatten, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45120-6
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Lawrence Livermore National Laboratory
