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

導讀：點蝕腐蝕就像潛在的敵人一樣，它會在金屬表面上進行攻擊，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時間接觸海水所引起的，對于海軍艦艇來說尤其成問題。

△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凹坑

2024年3月20日，南極熊獲悉，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家深入研究了3D打印不銹鋼在海水中的點蝕現(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。這項研究對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“熔渣對增材不銹鋼在模擬海水中點蝕的影響”（傳送門）

技術(shù)研究背景

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

LLNL團隊發(fā)現(xiàn)，這場腐蝕事件的關(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科學家Shohini Sen-Britain表示：“點蝕具有隨機性，因此極難理解，但我們確定了導致或引發(fā)此類腐蝕的材料特性。雖然我們的爐渣看起來與傳統(tǒng)制造材料中觀察到的不同，但我們假設(shè)它們可能是316L點蝕的原因。我們利用LLNL的材料表征套件和建模能力證實了這一點，我們能夠毫無疑問地證明爐渣是原因。這是非常有意義的?！?br />
傳統(tǒng)的不銹鋼制造過程中也會形成爐渣，但通常會用錘子、磨床或其他工具將其去除。研究人員補充說，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，該團隊結(jié)合使用了先進技術(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。

他們能夠放大爐渣并揭示它們在模擬海洋環(huán)境中的腐蝕過程中的作用，發(fā)現(xiàn)它們造成了不連續(xù)性，并使富含氯化物的水滲透到鋼鐵中并造成嚴重破壞。此外，爐渣中含有金屬夾雜物，當暴露在類似海水的環(huán)境中時，金屬夾雜物會溶解，進一步促進腐蝕過程。

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改善這種情況。同時，他們發(fā)現(xiàn)形成的第二相含有錳，這些爐渣可能是導致腐蝕的主要原因。通過詳細顯微鏡檢查，他們確認了這一點。

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和結(jié)構(gòu)?！?br />

△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)有助于揭示導致點蝕的因素之間復雜的相互作用，并使團隊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)?；旧鲜乖颖３衷诓粦摰呐渲弥校⑶艺诟淖儾牧系臋C械和腐蝕特性。腐蝕對于不銹鋼來說非常重要，因為它在海洋應用中被大量使用。你可以擁有具有最佳機械性能的最佳材料，但如果它不能與海水接觸，這將嚴重限制其應用?！?br />
研究人員表示，這項研究標志著正在進行的抗腐蝕斗爭向前邁出了重要一步，不僅加深了對腐蝕過程的科學理解，而且為開發(fā)改進的材料和制造技術(shù)鋪平了道路。

通過揭示爐渣背后的機制及其與點蝕的關(guān)系，工程師和制造商可以努力制造出不僅堅固耐用，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在氯化物溶液中點蝕的原因

下一步計劃

Voisin指出，通過3D打印這種材料，它的機械性能和耐腐蝕性都會得到改善。同時，團隊認識到在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優(yōu)化加工參數(shù)，以防止爐渣到達表面。