Impact of Elemental Segregation on Active and Transpassive Corrosion Phenomenology of Additively Manufactured 316L

Roestvrij staal is een materiaal dat wordt gedefinieerd door zijn stilte; het roest niet, het vlekt niet en het geeft zich niet over aan de elementen. Deze veerkracht komt voort uit een dunne, onzichtbare schild van chroomoxide dat zich op het oppervlak vormt en fungeert als een barrière tegen de corrosieve krachten van water en lucht. Wanneer ingenieurs onderdelen nodig hebben die complex, lichtgewicht of onmogelijk te gieten zijn in een traditionele mal, wenden zij zich tot additive manufacturing, een proces dat vaak 3D-printen wordt genoemd. In plaats van een enkel blok metaal te smelten, bouwen deze machines objecten laag voor laag door minuscule deeltjes metaalpoeder te smelten met een krachtige laser. Hoewel deze methode een ongelooflijke ontwerpvrijheid biedt, is de manier waarop het metaal afkoelt radicaal anders dan hoe het in een traditionele fabriek afkoelt. Het metaal bevriest zo snel dat de atomen geen tijd hebben om zich in een perfect, uniform patroon te rangschikken. In plaats daarvan raken ze gevangen in een staat van onbalans, waardoor een microscopisch landschap ontstaat waar verschillende elementen zich op specifieke plekken clusteren in plaats van zich gelijkmatig te verspreiden.

Decennialang wisten wetenschappers al dat deze ongelijkmatige verdeling van atomen een materiaal kan verzwakken, maar de exacte regels die bepalen hoe deze nieuw geprinte metalen corroderen, bleven onduidelijk. Een team onderzoekers aan de Universiteit van Virginia zette zich erop gericht om deze verborgen patronen in kaart te brengen en te zien hoe zij de manier veranderen waarop het metaal oplost wanneer het wordt blootgesteld aan zuur. Zij concentreerden zich op 316L roestvrij staal, een veelgebonden legering die wordt gebruikt in medische implantaten en chemische processen, geproduceerd via twee verschillende printmethoden: één die een bed van poeder met een laser smelt, en een andere die een draad met een laserstraal smelt. Door de geprinte monsters te vergelijken met traditioneel gewalst staal, ontdekten de onderzoekers dat het corrosieproces niet willekeurig is. Het is een precieze, chemische reactie die wordt bepaald door waar de atomen terechtkwamen tijdens het snelle bevriezingsproces.

De onderzoekers begonnen met het bestuderen van de microscopische structuur van het metaal. In het traditionele gewalste staal zijn de elementen zoals chroom en molybdeen verspreid als suiker die is opgelost in water, wat een uniforme mengeling creëert. In de geprinte monsters daarentegen werkte de snelle afkoeling als een plotselinge bevriezing, waardoor deze elementen in specifieke zones werden gevangen. Bij de op poeder gebaseerde printmethode vormde het metaal een patroon van kleine, celachtige structuren. De wanden van deze cellen werden rijk aan beschermende elementen, terwijl de centra iets uitgearmd bleven. Bij de op draad gebaseerde methode zorgde de langzamere afkoeling ervoor dat er een tweede kristalstructuur naast het hoofdmetaal ontstond, wat resulteerde in een tweefasig materiaal waarbij de ene fase rijk was aan beschermende elementen en de andere arm aan deze elementen. Het team onderwierp deze monsters vervolgens aan een reeks tests in zure oplossingen, sommige met een chemische stof die het beschermende oxide-schild wegstript, en andere die het de schild laten hervormen.

Wanneer het beschermende schild werd weggestript, werd het metaal gedwongen om direct in het zuur op te lossen. In het traditionele staal slijt het oppervlak gelijkmatig, korrel voor korrel. Maar in de geprinte monsters was de aanval selectief. In de op poeder gebaseerde monsters vrat het zuur de centra van de kleine cellen weg, waardoor de beschermende wanden rechtop bleven staan, wat een oppervlak creëerde dat leek op een veld van stro. In de op draad gebaseerde monsters richtte het zuur zich op de fase die arm was aan beschermende elementen, waardoor de rijke fase ongemoeid bleef en uit het oppervlak naar voren stak. De onderzoekers ontdekten dat de snelheid van deze oplossing direct verbonden was met de lokale concentratie van chroom en molybdeen. Waar deze elementen schaars waren, verdween het metaal snel. Waar ze overvloedig aanwezig waren, hield het metaal stand.

De studie ging vervolgens over naar situaties met hogere energiecondities, waarbij het metaal in een toestand werd gebracht waarin zelfs het beschermende schild begint af te breken. In deze omgeving draaiden de regels om. De gebieden die voorheen veilig waren omdat ze rijk waren aan chroom en molybdeen, werden juist de meest kwetsbare. Het zuur viel deze rijke zones als eerste aan, waardoor de celwanden in de op poeder gebaseerde monsters en de beschermende fase in de op draad gebaseerde monsters werden opgelost. Deze omkering bewees dat dezelfde chemische kenmerken die het metaal in de ene situatie beschermen, het in een andere situatie kwetsbaar kunnen maken, afhankelijk van de toegepaste energie op het oppervlak. De onderzoekers testten de monsters ook in een kokende zuuroplossing, een standaardmethode om zwakheden in traditioneel staal te controleren. Zij ontdekten dat de geprinte monsters met de hoogste corrosiesnelheden niet noodzakelijkerwijs de monsters waren met de meeste chemische segregatie, maar eerder die welke kleine, onzichtbare holtes of porositeit bevatten, die overbleven van het printproces. Een monster met zelfs maar een kleine hoeveelheid van deze holtes corrodeerde drie keer sneller dan een dichter monster met dezelfde chemische samenstelling.

Een cruciaal onderdeel van het onderzoek was het bepalen wat deze selectieve corrosie aanstuurde. Lange tijd werd vermoed dat de hoge dichtheid aan defecten, bekend als dislocaties, die tijdens het snelle printen in de kristalstructuur van het metaal zijn vastgelopen, de oorzaak van de zwakte konden zijn. Deze dislocaties zijn als rimpels in het atomaire weefsel, gecreëerd door de intense spanning van het snelle afkoelen. De onderzoekers ontdekten echter dat deze defecten niet de primaire reden waren waarom het metaal oploste. De corrosiepatronen volgden de chemische kaarten, niet de defectenkaarten. Het metaal loste op waar de chemie niet klopte, ongeacht hoeveel atomaire rimpels aanwezig waren. Dit onderscheid is essentieel omdat het betekent dat ingenieurs, om de corrosiebestendigheid van deze geprinte metalen te verbeteren, zich niet uitsluitend hoeven te richten op het gladstrijken van de atomaire spanning, maar eerder op het waarborgen dat de chemische elementen zo gelijkmatig mogelijk worden verdeeld.

De bevindingen suggereren dat de standaardtests die worden gebruikt om corrosie in traditioneel staal te controleren, mogelijk geherinterpreteerd moeten worden wanneer ze op deze nieuwe materialen worden toegepast. Omdat het geprinte metaal een complexe, niet-uniforme structuur heeft, kan een test die de totale massaverlies meet, de specifieke, gelokaliseerde manieren waarop het materiaal faalt, missen. De onderzoekers concludeerden dat men, om de duurzaamheid van 3D-geprint staal echt te begrijpen, moet kijken naar het microscopische landschap van de corrosie zelf. Het metaal faalt niet omdat het in algemene zin gebrekkig is; het faalt omdat de interne geografie specifieke paden creëert die het zuur kan volgen. Door deze paden te begrijpen, kunnen ingenieurs het printproces aanpassen om de chemische segregatie die tot deze kwetsbaarheden leidt te minimaliseren, zodat de volgende generatie geprinte onderdelen even duurzaam is als het traditionele staal dat zij bedoeld zijn te vervangen.