外媒3月24日報(bào)道，勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員深入研究了海水中增材制造(3d打印)316L不銹鋼點(diǎn)蝕的神秘世界，發(fā)現(xiàn)這場腐蝕戲劇的關(guān)鍵參與者是被稱為“渣”的微小顆粒。

不銹鋼316L是船舶應(yīng)用的熱門選擇，因?yàn)樗臋C(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性的組合。在3D打印之后更是如此，但即使是這種有彈性的材料也不能避免點(diǎn)蝕。

爐渣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，以與氧氣結(jié)合，并在熔融液態(tài)金屬中形成固相，可以在制造后輕松去除。

LLNL的研究人員發(fā)現(xiàn)，這些渣也會在激光粉末床熔融(LPBF) 3D打印過程中形成，但會留在金屬表面，引發(fā)點(diǎn)蝕。

發(fā)表在《自然通訊》上的這篇論文的主要作者Shohini Sen-Britain在一份媒體聲明中說:“由于點(diǎn)蝕的隨機(jī)性，它非常難以理解，但我們確定了導(dǎo)致或引發(fā)這種腐蝕的材料特性。”

Sen-Britain說:“雖然我們的爐渣看起來與在傳統(tǒng)制造材料中觀察到的不同，但我們假設(shè)它們可能是導(dǎo)致316L點(diǎn)蝕的原因。”“我們利用LLNL令人印象深刻的材料表征套件和建模能力證實(shí)了這一點(diǎn)，在那里我們能夠毫無疑問地證明爐渣是原因。這是非常值得的。”

雖然在傳統(tǒng)的不銹鋼制造過程中也會形成爐渣，但它們通常會用碎錘、研磨機(jī)或其他工具去除。然而，在科學(xué)家看來，這些后處理選項(xiàng)將會破壞金屬增材制造(AM)的目的。

放大爐渣

該團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的技術(shù)組合，包括等離子體聚焦離子束銑削，透射電子顯微鏡和x射線光電子能譜對增材制造不銹鋼部件。

他們能夠在模擬海洋環(huán)境中放大爐渣并揭示它們在腐蝕過程中的作用，發(fā)現(xiàn)它們造成了不連續(xù)性，并允許富含氯化物的水滲透到鋼鐵中并造成嚴(yán)重破壞。此外，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)，金屬夾雜物會溶解，從而進(jìn)一步促進(jìn)腐蝕過程。

該項(xiàng)目的首席研究員布蘭登·伍德說:“我們想做一個(gè)深入的顯微鏡研究，找出在這些材料發(fā)生腐蝕時(shí)可能導(dǎo)致腐蝕的原因，如果是這樣的話，那么可能有其他方法可以通過避免這種特殊的物質(zhì)來改善它們。”“形成了含有錳的第二階段——這些渣——這似乎是最重要的原因。我們的團(tuán)隊(duì)對這些爐渣附近進(jìn)行了一些額外的詳細(xì)顯微鏡觀察，果然，我們能夠證明，在那個(gè)附近，你有增強(qiáng)——這是一個(gè)次要的指標(biāo)，表明這可能是主要的因素。”

利用透射電子顯微鏡，研究人員選擇性地從表面取下3d打印不銹鋼的小樣本(大約幾微米)，通過顯微鏡觀察爐渣，并以原子分辨率分析它們的化學(xué)和結(jié)構(gòu)。

注意腐蝕

表征技術(shù)有助于揭示導(dǎo)致點(diǎn)蝕的因素的復(fù)雜相互作用，并使團(tuán)隊(duì)能夠以增材制造中從未做過的方式分析爐渣。

首席研究員Thomas Voisin說:“在這個(gè)過程中，你用激光局部熔化材料，然后它很快就凝固了。”“快速冷卻使材料處于非平衡狀態(tài);你基本上是把原子保持在一個(gè)不應(yīng)該的結(jié)構(gòu)中，你正在改變材料的機(jī)械和腐蝕性能。”

Voisin指出，在使用不銹鋼時(shí)，注意腐蝕是非常重要的，因?yàn)樗糜诖皯?yīng)用。

“你可以有最好的材料和最好的機(jī)械性能，但如果它不能與海水接觸，這將大大限制應(yīng)用，”他說。

該小組指出，這項(xiàng)研究標(biāo)志著在與腐蝕的持續(xù)斗爭中向前邁出了重要的一步，不僅加深了對腐蝕過程的科學(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創(chuàng)造出不僅堅(jiān)固耐用，而且具有高度耐海水腐蝕性的不銹鋼部件，其影響范圍超出了海洋應(yīng)用領(lǐng)域，并擴(kuò)展到其他行業(yè)和各種惡劣環(huán)境。

Sen-Britain和Voisin表示，現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)已經(jīng)了解了點(diǎn)蝕背后的原因，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，去除錳和硅，以限制或消除渣的形成。