Impact of Elemental Segregation on Active and Transpassive Corrosion Phenomenology of Additively Manufactured 316L
Cette étude démontre que la ségrégation élémentaire du Cr, du Ni et du Mo au sein des microstructures hors équilibre de l'acier inoxydable 316L fabriqué par fabrication additive, plutôt que les dislocations, régit son comportement de corrosion active et transpassive, les paramètres de traitement optimaux conférant une résistance à la corrosion supérieure par rapport aux équivalents forgés.
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L'acier inoxydable est un matériau défini par son silence ; il ne rouille pas, ne se tache pas et ne capitule pas devant les éléments. Cette résilience provient d'un bouclier mince et invisible d'oxyde de chrome qui se forme à la surface, agissant comme une barrière contre les forces corrosives de l'eau et de l'air. Lorsque les ingénieurs ont besoin de pièces complexes, légères ou impossibles à mouler de manière traditionnelle, ils se tournent vers la fabrication additive, un processus souvent appelé impression 3D. Au lieu de faire fondre un seul bloc de métal, ces machines construisent des objets couche par couche, faisant fondre de minuscules particules de poudre métallique à l'aide d'un laser de haute puissance. Bien que cette méthode offre une liberté de conception incroyable, la façon dont le métal refroidit est radicalement différente de celle d'une usine traditionnelle. Le métal gèle si rapidement que les atomes n'ont pas le temps de s'organiser en un motif parfait et uniforme. Au lieu de cela, ils se retrouvent piégés dans un état de déséquilibre, créant un paysage microscopique où différents éléments s'agglutinent dans des points spécifiques plutôt que de se répartir uniformément.
Pendant des décennies, les scientifiques savaient que cette distribution inégale des atomes pouvait affaiblir un matériau, mais les règles exactes régissant la manière dont ces nouveaux métaux imprimés se corrodent sont restées obscures. Une équipe de chercheurs de l'Université de Virginie s'est donné pour mission de cartographier ces motifs cachés et de voir comment ils modifient la façon dont le métal se dissout lorsqu'il est exposé à l'acide. Ils se sont concentrés sur l'acier inoxydable 316L, un alliage courant utilisé dans les implants médicaux et le traitement chimique, produit par deux méthodes d'impression différentes : une qui fait fondre un lit de poudre avec un laser, et une autre qui fait fondre un fil avec un faisceau laser. En comparant ces échantillons imprimés à l'acier laminé traditionnel, les chercheurs ont découvert que le processus de corrosion n'est pas aléatoire. C'est une réaction chimique précise dictée par l'endroit où les atomes se sont déposés lors du processus de congélation rapide.
Les chercheurs ont commencé par examiner la structure microscopique du métal. Dans l'acier laminé traditionnel, les éléments comme le chrome et le molybdène sont répartis comme du sucre dissous dans l'eau, créant un mélange uniforme. Dans les échantillons imprimés, cependant, le refroidissement rapide a agi comme un gel soudain, piégeant ces éléments dans des zones spécifiques. Dans la méthode d'impression basée sur la poudre, le métal a formé un motif de petites structures cellulaires. Les parois de ces cellules sont devenues riches en éléments protecteurs, tandis que les centres étaient légèrement appauvris. Dans la méthode basée sur le fil, le refroidissement plus lent a permis la formation d'une seconde structure cristalline aux côtés du métal principal, créant un matériau biphasé où une phase était riche en éléments protecteurs et l'autre pauvre. L'équipe a ensuite soumis ces échantillons à une série de tests dans des solutions acides, certaines contenant un produit chimique qui élimine le bouclier d'oxyde protecteur, et d'autres permettant au bouclier de se reformer.
Lorsque le bouclier protecteur était éliminé, le métal était forcé de se dissoudre directement dans l'acide. Dans l'acier traditionnel, la surface s'usait uniformément, grain par grain. Mais dans les échantillons imprimés, l'attaque était sélective. Dans les échantillons basés sur la poudre, l'acide a dévoré les centres des petites cellules, laissant les parois protectrices debout, créant une surface qui ressemblait à un champ de paille. Dans les échantillons basés sur le fil, l'acide a ciblé la phase pauvre en éléments protecteurs, laissant la phase riche intacte et saillante de la surface. Les chercheurs ont découvert que la vitesse de cette dissolution était directement liée à la concentration locale de chrome et de molybdène. Là où ces éléments étaient rares, le métal disparaissait rapidement. Là où ils étaient abondants, le métal tenait bon.
L'étude s'est ensuite poursuivie dans des conditions d'énergie plus élevées, où le métal est poussé dans un état où même le bouclier protecteur commence à se décomposer. Dans cet environnement, les règles se sont inversées. Les zones qui avaient été auparavant sûres parce qu'elles étaient riches en chrome et en molybdène sont devenues les plus vulnérables. L'acide a attaqué ces zones riches en premier, dissolvant les parois cellulaires dans les échantillons basés sur la poudre et la phase protectrice dans les échantillons basés sur le fil. Ce renversement a prouvé que les mêmes caractéristiques chimiques qui protènt le métal dans une situation peuvent le rendre vulnérable dans une autre, selon l'énergie appliquée à la surface. Les chercheurs ont également testé les échantillons dans une solution d'acide bouillant, une méthode standard utilisée pour vérifier les faiblesses de l'acier traditionnel. Ils ont constaté que les échantillons imprimés présentant les taux de corrosion les plus élevés n'étaient pas nécessairement ceux possédant la plus grande ségrégation chimique, mais plutôt ceux qui contenaient de minuscules poches invisibles d'espace vide, ou porosité, laissées par le processus d'impression. Un échantillon avec même une petite quantité de ces vides corrodait trois fois plus vite qu'un échantillon plus dense ayant la même composition chimique.
Un aspect critique de l'enquête consistait à déterminer ce qui motivait cette corrosion sélective. Pendant un certain temps, on a soupçonné que la haute densité de défauts, connus sous le nom de dislocations, piégés dans la structure cristalline du métal lors de l'impression rapide, pourrait être la cause de la faiblesse. Ces dislocations sont comme des rides dans le tissu atomique, créées par l'intensité du stress lors d'un refroidissement si rapide. Cependant, les chercheurs ont découvert que ces défauts n'étaient pas la raison principale de la dissolution du métal. Les motifs de corrosion suivaient les cartes chimiques, et non les cartes de défauts. Le métal se dissolvait là où la chimie était incorrecte, peu importe le nombre de rides atomiques présentes. Cette distinction est vitale car elle signifie que pour améliorer la résistance à la corrosion de ces métaux imprimés, les ingénieurs n'ont pas besoin de se concentrer uniquement sur l'atténuation du stress atomique, mais plutôt sur l'assurance que les éléments chimiques soient distribués aussi uniformément que possible.
Les conclusions suggèrent que les tests standards utilisés pour vérifier la corrosion dans l'acier traditionnel pourraient devoir être réinterprétés lorsqu'ils sont appliqués à ces nouveaux matériaux. Parce que le métal imprimé possède une structure complexe et non uniforme, un test qui mesure la perte de masse totale pourrait manquer les manières spécifiques et localisées dont le matériau échoue. Les chercheurs ont conclu que pour véritablement comprendre la durabilité de l'acier imprimé en 3D, il faut observer le paysage microscopique de la corrosion elle-même. Le métal ne faillit pas parce qu'il est défectueux de manière générale ; il faillit parce que sa géographie interne crée des chemins spécifiques pour que l'acide puisse les suivre. En comprenant ces chemins, les ingénieurs peuvent ajuster le processus d'impression afin de minimiser la ségrégation chimique qui mène à ces vulnérabilités, garantissant ainsi que la prochaine génération de pièces imprimées soit aussi durable que l'acier traditionnel qu'elles sont destinées à remplacer.
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