20 de marzo de 2024.- Investigadores descubren la causa de la corrosión por picaduras en el acero inoxidable impreso en 3D. Los investigadores de LLNL descubren a los culpables de la corrosión por picaduras en acero inoxidable impreso en 3D.
Como un enemigo oculto, la corrosión por picaduras ataca las superficies metálicas, lo que dificulta su detección y control. Este tipo de corrosión, causada principalmente por el contacto prolongado con el agua de mar en la naturaleza, es especialmente problemática para los buques de guerra.
En un artículo reciente publicado en Nature Communications , los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) profundizaron en el misterioso mundo de la corrosión por picaduras en acero inoxidable 316L fabricado aditivamente (impreso en 3D) en agua de mar. El acero inoxidable 316L es una opción popular para aplicaciones marinas debido a su excelente combinación de resistencia mecánica y resistencia a la corrosión. Esto es aún más cierto después de la impresión 3D, pero ni siquiera este material resistente es inmune al flagelo de la corrosión por picaduras.
El equipo de LLNL descubrió que los actores clave en este drama de corrosión son pequeñas partículas llamadas «escorias», que son producidas por desoxidantes como el manganeso y el silicio. En la fabricación tradicional de acero inoxidable 316L, estos elementos generalmente se agregan antes de la fundición para unirse con el oxígeno y formar una fase sólida en el metal líquido fundido que se puede eliminar fácilmente después de la fabricación. Los investigadores descubrieron que estas escorias también se forman durante la impresión 3D por fusión de lecho de polvo con láser (LPBF), pero permanecen en la superficie del metal e inician la corrosión por picadura.
«La corrosión por picaduras es extremadamente difícil de entender debido a su naturaleza estocástica, pero determinamos las características del material que causan o inician este tipo de corrosión», dijo el autor principal y científico del LLNL, Shohini Sen-Britain.
“Si bien nuestras escorias tenían un aspecto diferente al observado en materiales fabricados de forma convencional, planteamos la hipótesis de que podrían ser la causa de la corrosión por picaduras en el 316L. Lo confirmamos aprovechando el impresionante conjunto de caracterización de materiales y las capacidades de modelado que tenemos en LLNL, donde pudimos demostrar sin lugar a dudas que las escorias eran la causa. Esto fue extremadamente gratificante”.
Si bien también se pueden formar escorias durante la fabricación tradicional de acero inoxidable, generalmente se eliminan con martillos cinceladores, amoladoras u otras herramientas.
Esas opciones de posprocesamiento anularían el propósito de fabricar aditivamente (AM) el metal, dijeron los investigadores, quienes agregaron que antes de su estudio, casi no había información sobre cómo se forman y depositan las escorias durante la AM.
Para ayudar a abordar estas preguntas sin respuesta, el equipo utilizó una combinación de técnicas avanzadas que incluyen fresado con haz de iones centrado en plasma, microscopía electrónica de transmisión y espectroscopia fotoelectrónica de rayos X en componentes de acero inoxidable AM.
Pudieron acercarse a las escorias y descubrir su papel en el proceso de corrosión en un entorno oceánico simulado, descubriendo que creaban discontinuidades y permitían que el agua rica en cloruro penetrara el acero y causara estragos. Además, las escorias contienen inclusiones metálicas que se disuelven cuando se exponen a un entorno similar al agua de mar, lo que contribuye aún más al proceso de corrosión.
«Queríamos hacer un estudio microscópico profundo para descubrir qué podría ser potencialmente responsable de la corrosión cuando ocurre en estos materiales, y si ese es el caso, entonces puede haber formas adicionales de mejorarlos evitando ese agente en particular. ”, dijo el investigador principal Brandon Wood.
“Se formó una fase secundaria que contiene manganeso (estas escorias) que parecían ser las más responsables. Nuestro equipo realizó una microscopía detallada adicional observando la vecindad de esas escorias y, efectivamente, pudimos demostrar que en esa vecindad hay una mejora, un indicador secundario de que este es probablemente el agente dominante”.
Utilizando microscopía electrónica de transmisión, los investigadores levantaron selectivamente pequeñas muestras de acero inoxidable impresas en 3D de la superficie (unas pocas micras) para visualizar las escorias a través del microscopio y analizar su química y estructura con resolución atómica, según el investigador principal Thomas Voisin. Las técnicas de caracterización ayudaron a arrojar luz sobre la compleja interacción de factores que conducen a la corrosión por picaduras y permitieron al equipo analizar escorias de formas nunca antes realizadas en AM.
«Durante el proceso, el material se funde localmente con el láser y luego se solidifica muy rápidamente», dijo Voisin. “El rápido enfriamiento congela el material en un estado de desequilibrio; Básicamente, estás manteniendo los átomos en una configuración que no se supone que esté, y estás cambiando las propiedades mecánicas y de corrosión del material. La corrosión es muy importante para el acero inoxidable porque se utiliza mucho en aplicaciones marinas. Se podría tener el mejor material con las mejores propiedades mecánicas, pero si no puede estar en contacto con el agua de mar, esto restringirá significativamente las aplicaciones”.
Los investigadores dijeron que el estudio marca un importante paso adelante en la batalla en curso contra la corrosión, no sólo profundizando la comprensión científica de los procesos de corrosión, sino también allanando el camino para desarrollar materiales y técnicas de fabricación mejorados. Al desentrañar los mecanismos detrás de las escorias y su relación con la corrosión por picaduras, los ingenieros y fabricantes pueden esforzarse por crear componentes de acero inoxidable que no sólo sean fuertes y duraderos, sino también altamente resistentes a las fuerzas corrosivas del agua de mar, con implicaciones que se extienden más allá del ámbito de la tecnología. aplicaciones marinas y en otras industrias y tipos de entornos hostiles.
«Cuando imprimimos el material en 3D, es mejor para las propiedades mecánicas y, según nuestra investigación, también entendemos que es mejor para la corrosión», dijo Voisin. “El óxido superficial que se forma durante el proceso se desarrolla a alta temperatura y eso también le confiere muchas propiedades diferentes. Lo emocionante es comprender la razón por la que el material se corroe, por qué es mejor que otras técnicas y la ciencia detrás de ello. Esto confirma, una y otra vez, que podemos utilizar la fusión por láser en lecho de polvo para mejorar las propiedades de nuestros materiales, mucho más allá de lo que podamos hacer con otras técnicas”.
Ahora que el equipo comprende las causas detrás de las picaduras, Sen-Britain y Voisin dijeron que los próximos pasos para mejorar el rendimiento y la longevidad del acero inoxidable 316L impreso en 3D serían alterar la formulación de la materia prima en polvo para eliminar el manganeso y el silicio, para limitar o eliminar la formación de escoria. Los investigadores también podrían analizar simulaciones detalladas de la trayectoria de fusión del láser y del comportamiento de fusión para optimizar los parámetros de procesamiento del láser y potencialmente evitar que las escorias lleguen a la superficie, añadió Voisin.
La financiación del proyecto provino de una iniciativa estratégica de laboratorio sobre corrosión liderada por Wood, que buscaba combinar modelado y caracterización experimental detallada para predecir la vida útil de los materiales y potencialmente mejorarlos.
«Creo que existe un camino real para codiseñar estas composiciones de aleaciones y la forma en que se procesan para hacerlas aún más resistentes a la corrosión», dijo Wood. «La visión a largo plazo es volver a un ciclo de retroalimentación de predicción-validación Tenemos la idea de que las escorias son problemáticas; ¿podemos aprovechar nuestros modelos de composición y modelos de proceso para luego descubrir cómo cambiar nuestras formulaciones base, de modo que lo que obtengamos sea básicamente un problema de diseño inverso? Sabemos lo que queremos, ahora sólo tenemos que descubrir cómo llegar allí”.
Reportacero
