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(dǎo)讀：點蝕腐蝕就像潛在的敵人一樣,，它會在金屬表面上進(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(xué)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(jī)械強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法免受點蝕的影響。

LLNL團(tuán)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(xué)家Shohini Sen-Britain表示：“點蝕具有隨機(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,�,！�

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(tuán)隊結(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,。

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(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,，金屬夾雜物會溶解,，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(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,。

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)致點蝕的因素之間復(fù)雜的相互作用,，并使團(tuán)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(jié)在非平衡狀態(tài),�,；�本上使原子保持在不��(yīng)該的配置中，并且正在改變材料的機(jī)械和腐蝕特性,。腐蝕對于不銹鋼來說非常重要,，因為它在海洋應(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,，這項研究標(biāo)志著正在進(jìn)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(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(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在氯化物溶液中點蝕的原因

下一步計劃

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得到改善,。同時，團(tuán)隊認(rèn)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?fàn)t渣到達(dá)表面。