研究人员发现 3D 打印不锈钢点蚀的罪魁祸首
就像隐藏的敌人一样，点蚀会攻击金属表面，使其难以检测和控制。这种类型的腐蚀主要是由于长时间接触自然界中的海水引起的，对于海军舰艇来说尤其成问题。
在《自然通讯》最近发表的一篇论文中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (LLNL) 的科学家深入研究了海水中增材制造(3D 打印)不锈钢316L 点蚀的神秘世界。
316L 不锈钢因其优异的机械强度和耐腐蚀性而成为船舶应用的热门选择。3D 打印后更是如此，但即使是这种弹性材料也无法免受点蚀的影响。
LLNL 团队发现，这场腐蚀事件的关键因素是被称为“炉渣”的微小颗粒，它们是由锰和硅等脱氧剂产生的。在传统的 316L 不锈钢制造中，这些元素通常在铸造前添加，以与氧结合并在熔融液态金属中形成固相，该固相可以在制造后轻松去除。
研究人员发现，这些熔渣也在激光粉末床熔融 (LPBF) 3D 打印过程中形成，但仍保留在金属表面并引发点蚀。
主要作者、LLNL 科学家 Shohini Sen-Britain 表示：“点蚀具有随机性，因此极难理解，但我们确定了导致或引发此类腐蚀的材料特性。”
“虽然我们的炉渣看起来与传统制造材料中观察到的不同，但我们假设它们可能是 316L 点蚀的原因。我们通过利用 LLNL 令人印象深刻的材料表征套件和建模能力证实了这一点，我们能够毫无疑问地证明炉渣是原因。这是非常有意义的。”
虽然在传统的不锈钢制造过程中也会形成炉渣，但通常用凿锤、研磨机或其他工具将其去除。研究人员表示，这些后处理选项将违背增材制造 (AM) 金属的目的，他们补充说，在他们的研究之前，几乎没有关于增材制造过程中炉渣如何形成和沉积的信息。
为了帮助解决这些悬而未决的问题，该团队结合使用了先进技术，包括等离子体聚焦离子束铣削、透射电子显微镜和 AM 不锈钢部件上的 X 射线光电子能谱。
他们能够放大炉渣并揭示它们在模拟海洋环境中的腐蚀过程中的作用，发现它们造成了不连续性，并使富含氯化物的水渗透到钢铁中并造成严重破坏。此外，炉渣中含有金属夹杂物，当暴露在类似海水的环境中时，金属夹杂物会溶解，进一步促进腐蚀过程。
“我们想要进行深入的显微镜研究，以找出这些材料中发生腐蚀时可能造成腐蚀的潜在原因，如果是这种情况，那么可能有其他方法可以通过避免使用特定试剂来改善它们，首席研究员布兰登·伍德说。
“形成的第二相含有锰，这些炉渣似乎是罪魁祸首。我们的团队对这些炉渣的附近进行了一些额外的详细显微镜检查，果然，我们能够证明，在那个邻居，你有增强——这是这可能是主导代理人的第二个指标。”
首席研究员 Thomas Voisin 表示，研究人员使用透射电子显微镜，有选择地从表面取出 3D 打印不锈钢的小样本(大约几微米)，通过显微镜可视化炉渣，并以原子分辨率分析其化学和结构。
表征技术有助于揭示导致点蚀的因素之间复杂的相互作用，并使团队能够以增材制造中前所未有的方式分析炉渣。
“在此过程中，你用激光局部熔化材料，然后它非常迅速地凝固，”沃赞说。“快速冷却将材料冻结在非平衡状态;基本上使原子保持在不应该的配置中，并且正在改变材料的机械和腐蚀特性。”
“腐蚀对于不锈钢来说非常重要，因为它在海洋应用中被大量使用。你可以拥有具有最佳机械性能的最佳材料，但如果它不能与海水接触，这将严重限制其应用。”
研究人员表示，这项研究标志着正在进行的抗腐蚀斗争向前迈出了重要一步，不仅加深了对腐蚀过程的科学理解，而且为开发改进的材料和制造技术铺平了道路。
通过揭示炉渣背后的机制及其与点蚀的关系，工程师和制造商可以努力制造出不仅坚固耐用，而且高度耐海水腐蚀的不锈钢部件，其影响超出了海洋领域应用以及其他行业和各种恶劣环境。
Voisin 表示：“当我们 3D 打印这种材料时，它的机械性能会更好，而且根据我们的研究，我们还了解到它的耐腐蚀性也更好。”
“在此过程中形成的表面氧化物在高温下形成，这也赋予了它许多不同的特性。令人兴奋的是了解材料腐蚀的原因，为什么它比其他技术更好，以及它背后的科学。一次又一次地证实，我们可以使用激光粉末床熔融增材制造来改善我们的材料性能，远远超出其他技术所能做到的。”
既然团队了解了点蚀背后的原因，Sen-Britain 和 Voisin 表示，提高 3D 打印不锈钢 316L 的性能和寿命的下一步将是改变粉末原料的配方，以去除锰和硅，从而限制或消除炉渣形成。
Voisin 补充说，研究人员还可以分析激光熔化轨迹和熔化行为的详细模拟，以优化激光的加工参数，并有可能防止炉渣到达表面。
伍德说：“我认为有一条真正的途径可以实际共同设计这些合金成分和它们的加工方式，使它们更加耐腐蚀。”
“长期愿景是回到预测-验证反馈循环。我们认为炉渣是有问题的;接下来我们能否利用我们的成分模型和工艺模型来找出如何改变我们的基础配方，例如“我们得到的基本上是一个逆向设计问题。我们知道我们想要什么，现在我们只需要弄清楚如何到达那里。”