研究人員發(fā)現(xiàn)提升3D打印不銹鋼抗點(diǎn)蝕性能的關(guān)鍵因素

導(dǎo)讀：點(diǎn)蝕腐蝕就像潛在的敵人一樣，它會(huì)在金屬表面上進(jìn)行攻擊，使得腐蝕難以被察覺和控制。這種類型的腐蝕主要是由于金屬長(zhǎng)時(shí)間接觸海水所引起的，對(duì)于海軍艦艇來(lái)說尤其成問題。

△掃描電子顯微鏡拍攝的照片顯示3D打印不銹鋼零件表面有一個(gè)凹坑

2024年3月20日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家深入研究了3D打印不銹鋼在海水中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過改變粉末原料的配方，可以限制或消除爐渣的形成，從而提高不銹鋼的性能和壽命。這項(xiàng)研究對(duì)于改善海軍艦艇等在海水環(huán)境中使用的金屬部件的耐腐蝕性能具有重要意義。

△該研究已發(fā)表在《自然通訊》，題目為“熔渣對(duì)增材不銹鋼在模擬海水中點(diǎn)蝕的影響”（傳送門）

技術(shù)研究背景

316L不銹鋼因優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性而成為船舶應(yīng)用的熱門選擇。3D打印后更是如此，但即使是這種彈性材料也無(wú)法免受點(diǎn)蝕的影響。

LLNL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這場(chǎng)腐蝕事件的關(guān)鍵因素是被稱為“爐渣”的微小顆粒，它們是由錳和硅等脫氧劑產(chǎn)生的。在傳統(tǒng)的316L不銹鋼制造中，這些元素通常在鑄造前添加，以與氧結(jié)合并在熔融液態(tài)金屬中形成固相。該固相可以在制造后輕松去除。

主要作者、LLNL科學(xué)家Shohini Sen-Britain表示：“點(diǎn)蝕具有隨機(jī)性，因此極難理解，但我們確定了導(dǎo)致或引發(fā)此類腐蝕的材料特性。雖然我們的爐渣看起來(lái)與傳統(tǒng)制造材料中觀察到的不同，但我們假設(shè)它們可能是316L點(diǎn)蝕的原因。我們利用LLNL的材料表征套件和建模能力證實(shí)了這一點(diǎn)，我們能夠毫無(wú)疑問地證明爐渣是原因。這是非常有意義的。”

傳統(tǒng)的不銹鋼制造過程中也會(huì)形成爐渣，但通常會(huì)用錘子、磨床或其他工具將其去除。研究人員補(bǔ)充說，在他們的研究之前，幾乎沒有任何關(guān)于爐渣如何在3D打印過程中形成和沉積的信息。

△LPBF 316L不銹鋼板的成品表面表征

揭示點(diǎn)蝕因素之間的相互作用

為了幫助解決這些懸而未決的問題，該團(tuán)隊(duì)結(jié)合使用了先進(jìn)技術(shù)，包括等離子體聚焦離子束銑削、透射電子顯微鏡和3D打印不銹鋼部件上的X射線光電子能譜檢測(cè)。

他們能夠放大爐渣并揭示它們?cè)谀�擬海洋環(huán)境中的腐蝕過程中的作用，發(fā)現(xiàn)它們?cè)斐闪瞬贿B續(xù)性，并使富含氯化物的水滲透到鋼鐵中并造成嚴(yán)重破壞。此外，爐渣中含有金屬夾雜物，當(dāng)暴露在類似海水的環(huán)境中時(shí)，金屬夾雜物會(huì)溶解，進(jìn)一步促進(jìn)腐蝕過程。

首席研究員Brandon Wood表示，他們希望通過深入的顯微鏡研究找出材料腐蝕的潛在原因，并嘗試避免使用特定試劑來(lái)改善這種情況。同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)形成的第二相含有錳，這些爐渣可能是導(dǎo)致腐蝕的主要原因。通過詳細(xì)顯微鏡檢查，他們確認(rèn)了這一點(diǎn)。

首席研究員Thomas Voisin表示：“研究人員使用透射電子顯微鏡，有選擇地從表面取出3D打印不銹鋼的小樣本（大約幾微米），通過顯微鏡可視化爐渣，并以原子分辨率分析其化學(xué)和結(jié)構(gòu)�！�

△從爐渣或部分熔化區(qū)域發(fā)現(xiàn)的天然表面氧化物的透射電子顯微鏡(TEM)表征

表征技術(shù)有助于揭示導(dǎo)致點(diǎn)蝕的因素之間復(fù)雜的相互作用，并使團(tuán)隊(duì)能夠以增材制造中前所未有的方式分析爐渣。

Voisin說："在此過程中，你用激光局部熔化材料，然后它非常迅速地凝固�？焖倮鋮s將材料凍結(jié)在非平衡狀態(tài)�；�本上使原子保持在不應(yīng)該的配置中，并且正在改變材料的機(jī)械和腐蝕特性。腐蝕對(duì)于不銹鋼來(lái)說非常重要，因?yàn)樗�在海洋�?yīng)用中被大量使用。你可以擁有具有最佳機(jī)械性能的最佳材料，但如果它不能與海水接觸，這將嚴(yán)重限制其應(yīng)用�！�

研究人員表示，這項(xiàng)研究標(biāo)志著正在進(jìn)行的抗腐蝕斗爭(zhēng)向前邁出了重要一步，不僅加深了對(duì)腐蝕過程的科學(xué)理解，而且為開發(fā)改進(jìn)的材料和制造技術(shù)鋪平了道路。

通過揭示爐渣背后的機(jī)制及其與點(diǎn)蝕的關(guān)系，工程師和制造商可以努力制造出不僅堅(jiān)固耐用，而且高度耐海水腐蝕的不銹鋼部件，其影響超出了海洋領(lǐng)域應(yīng)用以及其它行業(yè)和各種惡劣環(huán)境。

△研究發(fā)現(xiàn)富錳硅酸鹽渣是造成LPBF 316L SS在氯化物溶液中點(diǎn)蝕的原因

下一步計(jì)劃

Voisin指出，通過3D打印這種材料，它的機(jī)械性能和耐腐蝕性都會(huì)得到改善。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到在3D打印過程中形成的表面氧化物賦予材料多種特性，這為改善材料性能提供了新的途徑。Sen-Britain和Voisin表示，提高3D打印不銹鋼316L的性能和壽命的下一步將是改變粉末原料的配方，以去除錳和硅，從而限制或消除爐渣形成。另外，研究人員還可以通過分析激光熔化軌跡和熔化行為來(lái)優(yōu)化加工參數(shù)，以防止?fàn)t渣到達(dá)表面。