Impact of Elemental Segregation on Active and Transpassive Corrosion Phenomenology of Additively Manufactured 316L
Questo studio dimostra che la segregazione elementare di Cr, Ni e Mo all'interno delle microstrutture fuori equilibrio dell'acciaio inossidabile 316L prodotto mediante additive manufacturing, piuttosto che le dislocazioni, governa il suo comportamento di corrosione attiva e transpassiva, con parametri di lavorazione ottimali che conferiscono una resistenza alla corrosione superiore rispetto ai corrispondenti prodotti per lavorazione plastica.
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L'acciaio inossidabile è un materiale definito dal suo silenzio; non arrugginisce, non si macchia e non si arrende agli elementi. Questa resilienza deriva da uno scudo sottile e invisibile di ossido di cromo che si forma sulla superficie, agendo come una barriera contro le forze corrosive dell'acqua e dell'aria. Quando gli ingegneri hanno bisogno di parti complesse, leggere o impossibili da colare in uno stampo tradizionale, si rivolgono alla produzione additiva, un processo spesso chiamato stampa 3D. Invece di fondere un singolo blocco di metallo, queste macchine costruiscono oggetti strato dopo strato, fondendo minuscole particelle di polvere metallica con un laser ad alta potenza. Sebbene questo metodo offra un'incredibile libertà di progettazione, il modo in cui il metallo si raffredda è radicalmente diverso da come si raffredda in una fabbrica tradizionale. Il metallo si congela così rapidamente che gli atomi non hanno il tempo di disporsi in un modello perfetto e uniforme. Invece, rimangono intrappolati in uno stato di squilibrio, creando un paesaggio microscopico dove diversi elementi si raggruppano in punti specifici invece di diffondersi uniformemente.
Per decenni, gli scienziati hanno saputo che questa distribuzione non uniforme degli atomi può indebolire un materiale, ma le regole esatte che governano il modo in cui questi nuovi metalli stampati si corrodono sono rimaste poco chiare. Un team di ricercatori dell'Università della Virginia si è posto l'obiettivo di mappare questi modelli nascosti e vedere come cambiano il modo in cui il metallo si dissolve quando esposto all'acido. Si sono concentrati sull'acciaio inossidabile 316L, una comune lega utilizzata negli impianti medici e nella lavorazione chimica, prodotta con due diversi metodi di stampa: uno che fonde un letto di polvere con un laser, e un altro che fonde un filo con un raggio laser. Confrontando i campioni stampati con l'acciaio laminato tradizionale, i ricercatori hanno scoperto che il processo di corrosione non è casuale. È una reazione chimica precisa dettata da dove gli atomi si sono posati durante il rapido congelamento.
I ricercatori hanno iniziato osservando la struttura microscopica del metallo. Nell'acciaio laminato tradizionale, gli elementi come il cromo e il molibdeno sono distribuiti come zucchero sciolto nell'acqua, creando una miscela uniforme. Nei campioni stampati, tuttavia, il rapido raffreddamento ha agito come un congelamento improvviso, intrappolando questi elementi in zone specifiche. Nel metodo di stampa basato sulla polvere, il metallo ha formato un modello di piccole strutture cellulari. Le pareti di queste cellule sono diventate ricche di elementi protettivi, mentre i centri sono stati lasciati leggermente impoveriti. Nel metodo basato sul filo, il raffreddamento più lento ha permesso la formazione di un secondo tipo di struttura cristallina accanto al metallo principale, creando un materiale a due fasi in cui una fase era ricca di elementi protettivi e l'altra povera. Il team ha poi sottoposto questi campioni a una serie di test in soluzioni acide, alcune contenenti una sostanza chimica che rimuove lo scudo ossidico protettivo e altre che permettono allo scudo di riformarsi.
Quando lo scudo protettivo è stato rimosso, il metallo è stato costretto a sciogliersi direttamente nell'acido. Nell'acciaio tradizionale, la superficie si è consumata uniformemente, grano dopo grano. Ma nei campioni stampati, l'attacco è stato selettivo. Nei campioni basati sulla polvere, l'acido ha eroso i centri delle piccole cellule, lasciando le pareti protettive erette, creando una superficie che somigliava a un campo di paglia. Nei campioni basati sul filo, l'acido ha preso di mira la fase povera di elementi protettivi, lasciando la fase ricca intatta e sporgente dalla superficie. I ricercatori hanno scoperto che la velocità di questa dissoluzione era direttamente legata alla concentrazione locale di cromo e molibdeno. Dove questi elementi erano scarsi, il metallo svaniva rapidamente. Dove erano abbondanti, il metallo resisteva.
Lo studio si è poi spostato verso condizioni di energia più elevata, dove il metallo viene spinto in uno stato in cui anche lo scudo protettivo inizia a degradarsi. In questo ambiente, le regole si sono invertite. Le aree che erano precedentemente sicure perché ricche di cromo e molibdeno sono diventate le più vulnerabili. L'acido ha attaccato prima queste zone ricche, dissolvendo le pareti cellulari nei campioni basati sulla polvere e la fase protettiva nei campioni basati sul filo. Questa inversione ha dimostrato che le stesse caratteristiche chimiche che proteggono il metallo in una situazione possono renderlo vulnerabile in un'altra, dipendendo interamente dall'energia applicata alla superficie. I ricercatori hanno anche testato i campioni in una soluzione di acido bollente, un metodo standard utilizzato per verificare le debolezze nell'acciaio tradizionale. Hanno scoperto che i campioni stampati con i tassi di corrosione più elevati non erano necessariamente quelli con la maggiore segregazione chimica, ma piuttosto quelli che contenevano minuscole, invisibili sacche di spazio vuoto, o porosità, lasciate dal processo di stampa. Un campione con anche una piccola quantità di questi vuoti corrodeva tre volte più velocemente di un campione più denso con la stessa composizione chimica.
Una parte critica dell'indagine è stata determinare cosa guidasse questa corrosione selettiva. Per un certo tempo, si era sospettato che l'alta densità di difetti, noti come dislocazioni, intrappolati nella struttura cristallina del metallo durante la rapida stampa potesse essere la causa della debolezza. Queste dislocazioni sono come rughe nel tessuto atomico, create dall'intenso stress del raffreddamento rapido. Tuttavia, i ricercatori hanno scoperto che questi difetti non erano la ragione principale per cui il metallo si dissolveva. I modelli di corrosione seguivano le mappe chimiche, non le mappe dei difetti. Il metallo si dissolveva dove la chimica era errata, indipendentemente da quanti "rugosità" atomiche fossero presenti. Questa distinzione è vitale perché significa che per migliorare la resistenza alla corrosione di questi metalli stampati, gli ingegneri non devono concentrarsi esclusivamente sulla levigatura dello stress atomico, bensì sull'assicurare che gli elementi chimici siano distribuiti il più uniformemente possibile.
I risultati suggeriscono che i test standard utilizzati per controllare la corrosione nell'acciaio tradizionale potrebbero dover essere reinterpretati quando applicati a questi nuovi materiali. Poiché il metallo stampato possiede una struttura complessa e non uniforme, un test che misura la perdita di massa totale potrebbe ignorare i modi specifici e localizzati in cui il materiale sta fallendo. I ricercatori hanno concluso che per comprendere veramente la durabilità dell'acciaio stampato in 3D, bisogna guardare al paesaggio microscopico della corrosione stessa. Il metallo non fallisce perché è difettoso in senso generale; fallisce perché la sua geografia interna crea percorsi specifici che l'acido può seguire. Comprendendo questi percorsi, gli ingegneri possono regolare il processo di stampa per minimizzare la segregazione chimica che porta a queste vulnerabilità, garantendo che la prossima generazione di parti stampate sia durevole quanto l'acciaio tradizionale che sono progettate per sostituire.
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