研究人員發現提升3D打印不銹鋼抗點蝕性能的關鍵因素
時間：2024-03-21 08:54 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
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。
2024年3月20日，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象。研究人員發現，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境中使用的金屬部件的耐腐蝕性能具有重要意義。
技術研究背景
316L不銹鋼因優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團隊發現，這場腐蝕事件的關鍵因素是被稱為“爐渣”的微小顆粒，它們是由錳和硅等脫氧劑產生的。在傳統的316L不銹鋼制造中，這些元素通常在鑄造前添加，以與氧結合并在熔融液態金屬中形成固相。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此類腐蝕的材料特性。雖然我們的爐渣看起來與傳統制造材料中觀察到的不同，但我們假設它們可能是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。”
傳統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，幾乎沒有任何關于爐渣如何在3D打印過程中形成和沉積的信息。
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，該團隊結合使用了先進技術，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境中的腐蝕過程中的作用，發現它們造成了不連續性，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，他們發現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構。”
表征技術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。快速冷卻將材料凍結在非平衡狀態。基本上使原子保持在不應該的配置中，并且正在改變材料的機械和腐蝕特性。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。”
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，而且為開發改進的材料和制造技術鋪平了道路。
通過揭示爐渣背后的機制及其與點蝕的關系，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域應用以及其它行業和各種惡劣環境。
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化加工參數，以防止爐渣到達表面。
△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，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象。研究人員發現，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）
技術研究背景
316L不銹鋼因優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團隊發現，這場腐蝕事件的關鍵因素是被稱為“爐渣”的微小顆粒，它們是由錳和硅等脫氧劑產生的。在傳統的316L不銹鋼制造中，這些元素通常在鑄造前添加，以與氧結合并在熔融液態金屬中形成固相。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此類腐蝕的材料特性。雖然我們的爐渣看起來與傳統制造材料中觀察到的不同，但我們假設它們可能是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。”
傳統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，該團隊結合使用了先進技術，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境中的腐蝕過程中的作用，發現它們造成了不連續性，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，他們發現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構。”
△從爐渣或部分熔化區域發現的天然表面氧化物的透射電子顯微鏡(TEM)表征
表征技術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。快速冷卻將材料凍結在非平衡狀態。基本上使原子保持在不應該的配置中，并且正在改變材料的機械和腐蝕特性。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。”
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，而且為開發改進的材料和制造技術鋪平了道路。
通過揭示爐渣背后的機制及其與點蝕的關系，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域應用以及其它行業和各種惡劣環境。
△研究發現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化加工參數，以防止爐渣到達表面。
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