激光网3月25日消息，劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员深入研究了海水中增材制造不锈钢316L的点蚀的神秘世界，发现这场腐蚀戏剧的关键参与者是称为“炉渣”的微小颗粒。
不锈钢 316L 因其兼具机械强度和耐腐蚀性而成为船舶应用的热门选择。在3D打印之后更是如此，但即使是这种有弹性的材料也不能幸免于点蚀。炉渣是由锰和硅等脱氧剂产生的。在传统的不锈钢 316L 制造中，这些元素通常在铸造前添加，以与氧气结合并在熔融液态金属中形成固相，可以在制造后轻松去除。
LLNL的研究人员发现，这些炉渣也是在激光粉末床熔融3D打印过程中形成的，但仍留在金属表面并引发点蚀。
“由于其随机性，点蚀极难理解，但我们确定了导致或引发这种腐蚀的材料特性，”介绍这些发现的Nature Communications论文的主要作者Shohini Sen-Britain在一份媒体声明中说。
“虽然我们的炉渣看起来与在传统制造材料中观察到的不同，但我们假设它们可能是 316L 点蚀腐蚀的原因，”Sen-Britain 说。“我们利用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，在那里我们能够毫无疑问地证明炉渣是原因。这是非常有益的。
虽然在传统的不锈钢制造过程中也会形成炉渣，但通常用切碎锤、研磨机或其他工具去除。然而，在科学家看来，这些后处理选项将破坏增材制造金属的目的。
该团队结合了先进技术，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，并在模拟海洋环境中揭示它们在腐蚀过程中的作用，发现它们造成了不连续性，并允许富含氯化物的水穿透钢材并造成严重破坏。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会溶解，进一步促进腐蚀过程。
“我们想做一个深入的显微镜研究，以找出当这些材料发生腐蚀时可能导致腐蚀的原因，如果是这样的话，那么可能还有其他方法通过避免这种特定的媒介来改善它们，”该项目的首席研究员布兰登伍德说。“形成了含有锰的第二阶段 - 这些炉渣 - 似乎是最负责任的。我们的团队做了一些额外的详细显微镜检查，观察了这些炉渣的邻里，果然，我们能够证明在那个邻里，你有增强 - 一个次要指标，表明这可能是主导因素。
使用透射电子显微镜，研究人员有选择地从表面取出3D打印不锈钢的小样品 - 大约几微米 - 通过显微镜观察炉渣，并以原子分辨率分析其化学和结构。
表征技术有助于阐明导致点蚀的因素之间的复杂相互作用，并使团队能够以增材制造中前所未有的方式分析炉渣。
“在这个过程中，你用激光局部熔化材料，然后它非常迅速地凝固，”首席研究员Thomas Voisin说。“快速冷却使材料冻结在非平衡状态;你基本上是把原子保持在一个不应该的配置中，你正在改变材料的机械和腐蚀特性。
Voisin指出，在使用不锈钢时，密切关注腐蚀非常重要，因为它用于船舶应用。
“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，这将大大限制应用，”他说。
该小组指出，这项研究标志着正在进行的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，而且对海水腐蚀力具有很强抵抗力的不锈钢部件，其影响超出了海洋应用领域，并延伸到其他行业和各种恶劣环境。
现在该团队已经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，以限制或消除炉渣的形成。
