Poput skrivenog neprijatelja, pitting korozija napada metalne površine, što otežava otkrivanje i kontrolu. Ova vrsta korozije, prvenstveno uzrokovana produženim kontaktom sa morskom vodom u prirodi, posebno je problematična za pomorska plovila.
U nedavnom radu objavljenom u Nature Communications, naučnici iz Nacionalne laboratorije Lorensa Livermora (LLNL) zaronili su u misteriozni svet pitting korozije u aditivno proizvedenom (3D štampanom) nerđajućem čeliku 316L u morskoj vodi.
Nerđajući čelik 316L je popularan izbor za pomorsku upotrebu zbog odlične kombinacije mehaničke čvrstoće i otpornosti na koroziju. Ovo još više važi nakon 3D štampanja, ali čak ni ovaj otporni materijal nije imun na pošast korozije u obliku jačaka.
LLNL tim je otkrio da su ključni akteri u ovoj drami o koroziji sitne čestice zvane „šljake“, koje proizvode deoksidanti kao što su mangan i silicijum. U tradicionalnoj proizvodnji nerđajućeg čelika 316L, ovi elementi se obično dodaju pre livenja da bi se vezali sa kiseonikom i formirali čvrstu fazu u rastopljenom tečnom metalu koja se može lako ukloniti nakon proizvodnje.
Istraživači su otkrili da se ove šljake takođe formiraju tokom 3D štampanja laserskog sloja praha (LPBF), ali ostaju na površini metala i iniciraju pitting koroziju.
„Koroziju u jami je izuzetno teško razumeti zbog njene stohastičke prirode, ali smo utvrdili karakteristike materijala koje izazivaju ili iniciraju ovu vrstu korozije“, rekao je glavni autor i naučnik iz osoblja LLNL Šohini Sen-Britanija.
„Dok su naše šljake izgledale drugačije od onoga što je primećeno u konvencionalno proizvedenim materijalima, pretpostavili smo da bi mogli biti uzrok korozije udubljenja u 316L. To smo potvrdili koristeći prednosti impresivnog paketa karakterizacije materijala i mogućnosti modeliranja koje imamo u LLNL, gde smo bez sumnje mogli da dokažemo da su šljake uzrok. Ovo je bilo izuzetno korisno.“
Dok se šljaka može formirati i tokom tradicionalne proizvodnje nerđajućeg čelika, obično se uklanjaju čekićima za struganje, brusilicama ili drugim alatima. Te opcije naknadne obrade bi porazile svrhu aditivne proizvodnje (AM) metala, rekli su istraživači, koji su dodali da pre njihove studije gotovo da nije bilo informacija o tome kako se šljaka formira i deponuje tokom AM.
Da bi pomogao u rešavanju ovih pitanja bez odgovora, tim je koristio kombinaciju naprednih tehnika, uključujući mlevenje jonskih zraka fokusiranog na plazmu, transmisionu elektronsku mikroskopiju i rendgensku fotoelektronsku spektroskopiju na komponentama od nerđajućeg čelika AM.
Uspeli su da zumiraju šljaku i otkriju njihovu ulogu u procesu korozije u simuliranom okeanskom okruženju, otkrivši da su stvorili diskontinuitete i dozvolili vodi bogatoj hloridima da prodre u čelik i izazove pustoš. Pored toga, šljake sadrže metalne inkluzije koje se rastvaraju kada su izložene okruženju nalik morskoj vodi, dodatno doprinoseći procesu korozije.
„Želeli smo da uradimo mikroskopsku studiju dubokog ronjenja kako bismo otkrili šta bi potencijalno moglo biti odgovorno za koroziju kada se desi u ovim materijalima, a ako je to slučaj, onda mogu postojati dodatni načini za njihovo poboljšanje izbegavanjem tog određenog agensa, “, rekao je glavni istražitelj Brendon Vud.
„Postoji sekundarna faza koja se formira i koja sadrži mangan — ove šljake — za koju se činilo da je najodgovornija. Naš tim je uradio dodatnu detaljnu mikroskopiju posmatrajući okolinu tih šljaka, i sasvim sigurno, uspeli smo da to pokažemo u u tom komšiluku, imate poboljšanje — sekundarni pokazatelj da je ovo verovatno dominantni agent.“
Koristeći transmisionu elektronsku mikroskopiju, istraživači su selektivno podigli male uzorke 3D štampanog nerđajućeg čelika sa površine – oko nekoliko mikrona – da bi vizuelizovali šljaku kroz mikroskop i analizirali njihovu hemiju i strukturu u atomskoj rezoluciji, kaže glavni istraživač Thomas Voisin.
Tehnike karakterizacije su pomogle da se rasvetli složena interakcija faktora koji dovode do korozije udubljenja i omogućile timu da analizira šljaku na načine koji nikada ranije nisu urađeni u AM.
„Tokom procesa, lokalno topite materijal laserom, a zatim se vrlo brzo stvrdnjava“, rekao je Voisin. „Brzo hlađenje zamrzava materijal u neravnotežnom stanju; u suštini održavate atome u konfiguraciji koja ne bi trebalo da bude, i menjate mehanička i koroziona svojstva materijala.“
„Korozija je veoma važna za nerđajući čelik jer se mnogo koristi u pomorskim aplikacijama. Mogli biste imati najbolji materijal sa najboljim mehaničkim svojstvima, ali ako ne može biti u kontaktu sa morskom vodom, ovo će značajno ograničiti aplikacije.“
Istraživači su rekli da studija označava značajan korak napred u tekućoj borbi protiv korozije, ne samo produbljujući naučno razumevanje procesa korozije, već i utirući put za razvoj poboljšanih materijala i proizvodnih tehnika.
Razotkrivanjem mehanizama koji stoje iza šljake i njihovog odnosa sa korozijom u obliku točaka, inženjeri i proizvođači mogu nastojati da stvore komponente od nerđajućeg čelika koje su ne samo jake i izdržljive, već i veoma otporne na korozivne sile morske vode, sa implikacijama koje se protežu izvan područja morske vode. aplikacije iu druge industrije i vrste surovih okruženja.
„Kada 3D štampamo materijal, bolji je za mehanička svojstva, a iz našeg istraživanja takođe smo shvatili da je bolji i za koroziju“, rekao je Voisin.
„Površinski oksid koji se formira tokom procesa razvija se na visokim temperaturama, a to mu takođe daje mnoga različita svojstva. Ono što je uzbudljivo je razumevanje razloga zašto materijal korodira, zašto je bolji od drugih tehnika i nauke koja stoji iza toga. potvrđujući, iznova i iznova, da možemo da koristimo lasersku fuziju praha AM da poboljšamo svojstva materijala daleko iznad svega što možemo da uradimo sa drugim tehnikama.“
Sada kada tim razume uzroke udubljenja, Sen-Britain i Voisin su rekli da će sledeći koraci za poboljšanje performansi i dugovečnosti 3D štampanog nerđajućeg čelika 316L biti promena formulacije praškaste sirovine kako bi se uklonili mangan i silicijum kako bi se ograničili ili eliminisali formiranje šljake.
Istraživači bi takođe mogli da analiziraju detaljne simulacije staze topljenja lasera i ponašanja topljenja kako bi optimizovali parametre obrade lasera i potencijalno sprečili da šljaka dospe do površine, dodao je Voisin.
„Mislim da postoji pravi put za zajedničko dizajniranje ovih kompozicija legura i načina na koji se obrađuju kako bi bile još otpornije na koroziju“, rekao je Vud.
„Dugoročna vizija je da se vratimo na ciklus povratnih informacija predviđanja-validacije. Imamo ideju da su šljake problematične; možemo li sledeće da iskoristimo naše modele sastava i modele procesa da bismo onda shvatili kako da promenimo naše osnovne formulacije, kao što su da je ono što dobijamo u osnovi problem inverznog dizajna. Znamo šta želimo, sada samo moramo da smislimo kako da stignemo do toga.“
