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

導(dǎo)讀：點(diǎn)蝕腐蝕就像潛在的敵人一樣，它會(huì)在金屬表面上進(jìn)行攻擊,，使得腐蝕難以被察覺(jué)和控制,。這種類型的腐蝕主要是由于金屬長(zhǎng)時(shí)間接觸海水所引起的,，對(duì)于海軍艦艇來(lái)說(shuō)尤其成問(wèn)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(gè)凹坑

2024年3月20日，南極熊獲悉,，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的科學(xué)家深入研究了3D打印不銹鋼在海水中的點(diǎn)蝕現(xiàn)象,。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)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(xiàng)研究對(duì)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(duì)增材不銹鋼在模擬海水中點(diǎn)蝕的影響”（傳送門(mén)）

技術(shù)研究背景

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

LLNL團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這場(chǎng)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(diǎn)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(lái)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(diǎn)蝕的原因,。我們利用LLNL的材料表征套件和建模能力證實(shí)了這一點(diǎn)，我們能夠毫無(wú)疑問(wèn)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(guò)程中也會(huì)形成爐渣,，但通常會(huì)用錘子,、磨床或其他工具將其去除。研究人員補(bǔ)充說(shuō),，在他們的研究之前,，幾乎沒(méi)有任何關(guān)于爐渣如何在3D打印過(guò)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(diǎn)蝕因素之間的相互作用

為了幫助解決這些懸而未決的問(wèn)題,，該團(tuán)隊(duì)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(cè),。

他們能夠放大爐渣并揭示它們?cè)谀�擬海洋環(huán)境中的腐蝕過(guò)程中的作用，發(fā)現(xiàn)它們?cè)斐闪瞬贿B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(shí),，金屬夾雜物會(huì)溶解，進(jìn)一步促進(jìn)腐蝕過(guò)程,。

首席研究員Brandon Wood表示,，他們希望通過(guò)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(lái)改善這種情況,。同時(shí),，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(guò)詳細(xì)顯微鏡檢查,，他們確認(rèn)了這一點(diǎn)。

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(guò)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(diǎn)蝕的因素之間復(fù)雜的相互作用,，并使團(tuán)隊(duì)能夠以增材制造中前所未有的方式分析爐渣。

Voisin說(shuō)："在此過(guò)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),。基本上使原子保持在不應(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(duì)于不銹鋼來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗�在海洋�?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(xiàng)研究標(biāo)志著正在進(jìn)行的抗腐蝕斗爭(zhēng)向前邁出了重要一步,，不僅加深了對(duì)腐蝕過(guò)程的科學(xué)理解,，而且為開(kāi)發(fā)改進(jìn)的材料和制造技術(shù)鋪平了道路。

通過(guò)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制造出不僅堅(jiān)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(diǎn)蝕的原因

下一步計(jì)劃

Voisin指出,，通過(guò)3D打印這種材料，它的機(jī)械性能和耐腐蝕性都會(huì)得到改善,。同時(shí),，團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到在3D打印過(guò)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(guò)分析激光熔化軌跡和熔化行為來(lái)優(yōu)化加工參數(shù),，以防止?fàn)t渣到達(dá)表面,。