研究人员发现提升3D打印不锈钢抗点蚀性能的关键因素

导读：点蚀腐蚀就像潜在的敌人一样，它会在金属表面上进行攻击，使得腐蚀难以被察觉和控制。这种类型的腐蚀主要是由于金属长时间接触海水所引起的，对于海军舰艇来说尤其成问题。

△扫描电子显微镜拍摄的照片显示3D打印不锈钢零件表面有一个凹坑

2024年3月20日，南极熊获悉，劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的科学家深入研究了3D打印不锈钢在海水中的点蚀现象。研究人员发现，通过改变粉末原料的配方，可以限制或消除炉渣的形成，从而提高不锈钢的性能和寿命。这项研究对于改善海军舰艇等在海水环境中使用的金属部件的耐腐蚀性能具有重要意义。

△该研究已发表在《自然通讯》，题目为“熔渣对增材不锈钢在模拟海水中点蚀的影响”（传送门）

技术研究背景

316L不锈钢因优异的机械强度和耐腐蚀性而成为船舶应用的热门选择。3D打印后更是如此，但即使是这种弹性材料也无法免受点蚀的影响。

LLNL团队发现，这场腐蚀事件的关键因素是被称为“炉渣”的微小颗粒，它们是由锰和硅等脱氧剂产生的。在传统的316L不锈钢制造中，这些元素通常在铸造前添加，以与氧结合并在熔融液态金属中形成固相。该固相可以在制造后轻松去除。

主要作者、LLNL科学家Shohini Sen-Britain表示：“点蚀具有随机性，因此极难理解，但我们确定了导致或引发此类腐蚀的材料特性。虽然我们的炉渣看起来与传统制造材料中观察到的不同，但我们假设它们可能是316L点蚀的原因。我们利用LLNL的材料表征套件和建模能力证实了这一点，我们能够毫无疑问地证明炉渣是原因。这是非常有意义的。”

传统的不锈钢制造过程中也会形成炉渣，但通常会用锤子、磨床或其他工具将其去除。研究人员补充说，在他们的研究之前，几乎没有任何关于炉渣如何在3D打印过程中形成和沉积的信息。

△LPBF 316L不锈钢板的成品表面表征

揭示点蚀因素之间的相互作用

为了帮助解决这些悬而未决的问题，该团队结合使用了先进技术，包括等离子体聚焦离子束铣削、透射电子显微镜和3D打印不锈钢部件上的X射线光电子能谱检测。

他们能够放大炉渣并揭示它们在模拟海洋环境中的腐蚀过程中的作用，发现它们造成了不连续性，并使富含氯化物的水渗透到钢铁中并造成严重破坏。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，金属夹杂物会溶解，进一步促进腐蚀过程。

首席研究员Brandon Wood表示，他们希望通过深入的显微镜研究找出材料腐蚀的潜在原因，并尝试避免使用特定试剂来改善这种情况。同时，他们发现形成的第二相含有锰，这些炉渣可能是导致腐蚀的主要原因。通过详细显微镜检查，他们确认了这一点。

首席研究员Thomas Voisin表示：“研究人员使用透射电子显微镜，有选择地从表面取出3D打印不锈钢的小样本（大约几微米），通过显微镜可视化炉渣，并以原子分辨率分析其化学和结构。”

△从炉渣或部分熔化区域发现的天然表面氧化物的透射电子显微镜(TEM)表征

表征技术有助于揭示导致点蚀的因素之间复杂的相互作用，并使团队能够以增材制造中前所未有的方式分析炉渣。

Voisin说："在此过程中，你用激光局部熔化材料，然后它非常迅速地凝固。快速冷却将材料冻结在非平衡状态。基本上使原子保持在不应该的配置中，并且正在改变材料的机械和腐蚀特性。腐蚀对于不锈钢来说非常重要，因为它在海洋应用中被大量使用。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，这将严重限制其应用。”

研究人员表示，这项研究标志着正在进行的抗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，而且高度耐海水腐蚀的不锈钢部件，其影响超出了海洋领域应用以及其它行业和各种恶劣环境。

△研究发现富锰硅酸盐渣是造成LPBF 316L SS在氯化物溶液中点蚀的原因

下一步计划

Voisin指出，通过3D打印这种材料，它的机械性能和耐腐蚀性都会得到改善。同时，团队认识到在3D打印过程中形成的表面氧化物赋予材料多种特性，这为改善材料性能提供了新的途径。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，从而限制或消除炉渣形成。另外，研究人员还可以通过分析激光熔化轨迹和熔化行为来优化加工参数，以防止炉渣到达表面。