Dans un article récent publié dans Nature Communications , les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) se sont plongés dans le monde mystérieux de la corrosion par piqûre dans l'acier inoxydable 316L fabriqué de manière additive (imprimé en 3D) dans l'eau de mer.

L'acier inoxydable 316L est un choix populaire pour les applications marines en raison de son excellente combinaison de résistance mécanique et de résistance à la corrosion. Cela est encore plus vrai après l'impression 3D, mais même ce matériau résilient n'est pas à l'abri du fléau de la corrosion par piqûre.

L'équipe du LLNL a découvert que les principaux acteurs de ce drame de corrosion sont de minuscules particules appelées « scories », produites par des désoxydants tels que le manganèse et le silicium. Dans la fabrication traditionnelle de l'acier inoxydable 316L, ces éléments sont généralement ajoutés avant la coulée pour se lier à l'oxygène et former une phase solide dans le métal liquide fondu qui peut être facilement éliminée après la fabrication.

Les chercheurs ont découvert que ces scories se forment également lors de l'impression 3D par fusion laser sur lit de poudre (LPBF), mais restent à la surface du métal et déclenchent une corrosion par piqûres.

"La corrosion par piqûres est extrêmement difficile à comprendre en raison de sa nature stochastique, mais nous avons déterminé les caractéristiques des matériaux qui provoquent ou déclenchent ce type de corrosion", a déclaré l'auteur principal et scientifique du LLNL, Shohini Sen-Britain.

"Bien que nos scories semblaient différentes de ce qui avait été observé dans les matériaux fabriqués de manière conventionnelle, nous avons émis l'hypothèse qu'elles pourraient être une cause de corrosion par piqûre dans le 316L. Nous l'avons confirmé en tirant parti de l'impressionnante suite de caractérisation des matériaux et des capacités de modélisation dont nous disposons au LLNL, où nous avons pu prouver sans aucun doute que les scories en étaient la cause. C'était extrêmement enrichissant."

Bien que des scories puissent également se former lors de la fabrication traditionnelle de l'acier inoxydable, elles sont généralement éliminées à l'aide de marteaux burineurs, de meuleuses ou d'autres outils. Ces options de post-traitement iraient à l'encontre de l'objectif de la fabrication additive (FA) du métal, ont déclaré les chercheurs, qui ont ajouté qu'avant leur étude, il n'y avait presque aucune information sur la façon dont les scories se forment et se déposent pendant la fabrication additive.

Pour aider à répondre à ces questions sans réponse, l'équipe a utilisé une combinaison de techniques avancées, notamment le broyage par faisceau d'ions focalisé sur plasma, la microscopie électronique à transmission et la spectroscopie photoélectronique à rayons X sur les composants AM en acier inoxydable.

Ils ont pu zoomer sur les scories et découvrir leur rôle dans le processus de corrosion dans un environnement océanique simulé, découvrant qu'elles créaient des discontinuités et permettaient à l'eau riche en chlorure de pénétrer dans l'acier et de faire des ravages. De plus, les scories contiennent des inclusions métalliques qui se dissolvent lorsqu'elles sont exposées à un environnement semblable à l'eau de mer, contribuant ainsi au processus de corrosion.

"Nous voulions réaliser une étude microscopie approfondie pour déterminer ce qui pourrait potentiellement être responsable de la corrosion lorsqu'elle se produit dans ces matériaux, et si tel est le cas, il pourrait y avoir d'autres moyens de les améliorer en évitant cet agent particulier", " a déclaré le chercheur principal Brandon Wood.

"Il y a une phase secondaire qui s'est formée et qui contient du manganèse - ces scories - qui semble être la principale responsable. Notre équipe a effectué une microscopie détaillée supplémentaire en examinant le voisinage de ces scories, et bien sûr, nous avons pu le montrer dans dans ce quartier, vous avez une amélioration - un indicateur secondaire indiquant qu'il s'agit probablement de l'agent dominant. "

À l’aide de la microscopie électronique à transmission, les chercheurs ont prélevé sélectivement de la surface de petits échantillons d’acier inoxydable imprimés en 3D (environ quelques microns) pour visualiser les scories au microscope et analyser leur chimie et leur structure à une résolution atomique, selon le chercheur principal Thomas Voisin.

Les techniques de caractérisation ont permis de mettre en lumière l'interaction complexe des facteurs qui conduisent à la corrosion par piqûres et ont permis à l'équipe d'analyser les scories d'une manière jamais réalisée auparavant en FA.

"Pendant le processus, vous faites fondre localement le matériau avec le laser, puis il se solidifie très rapidement", a expliqué Voisin. "Le refroidissement rapide gèle le matériau dans un état de non-équilibre ; vous maintenez essentiellement les atomes dans une configuration qui n'est pas censée l'être, et vous modifiez les propriétés mécaniques et de corrosion du matériau."

"La corrosion est très importante pour l'acier inoxydable car il est beaucoup utilisé dans les applications marines. Vous pourriez avoir le meilleur matériau avec les meilleures propriétés mécaniques, mais s'il ne peut pas être en contact avec l'eau de mer, cela limitera considérablement les applications."

Les chercheurs ont déclaré que l'étude marque une avancée significative dans la lutte en cours contre la corrosion, approfondissant non seulement la compréhension scientifique des processus de corrosion, mais ouvrant également la voie au développement de matériaux et de techniques de fabrication améliorés.

En élucidant les mécanismes à l'origine des scories et leur relation avec la corrosion par piqûre, les ingénieurs et les fabricants peuvent s'efforcer de créer des composants en acier inoxydable non seulement solides et durables, mais également très résistants aux forces corrosives de l'eau de mer, avec des implications s'étendant au-delà du domaine marin. applications et dans d'autres industries et types d'environnements difficiles.

"Lorsque nous imprimons le matériau en 3D, ses propriétés mécaniques sont meilleures, et d'après nos recherches, nous comprenons également qu'il est également meilleur pour la corrosion", a déclaré Voisin.

"L'oxyde de surface qui se forme au cours du processus se développe à des températures élevées, ce qui lui confère également de nombreuses propriétés différentes. Ce qui est passionnant, c'est de comprendre la raison pour laquelle le matériau se corrode, pourquoi il est meilleur que d'autres techniques et la science qui le sous-tend. confirmant, encore et encore, que nous pouvons utiliser la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre pour améliorer les propriétés de nos matériaux bien au-delà de tout ce que nous pouvons faire avec d'autres techniques."

Maintenant que l'équipe comprend les causes des piqûres, Sen-Britain et Voisin ont déclaré que les prochaines étapes pour améliorer les performances et la longévité de l'acier inoxydable 316L imprimé en 3D consisteraient à modifier la formulation de la matière première en poudre pour éliminer le manganèse et le silicium afin de limiter ou d'éliminer formation de scories.

Les chercheurs pourraient également analyser des simulations détaillées de la trajectoire de fusion et du comportement de fusion du laser pour optimiser les paramètres de traitement du laser et potentiellement empêcher les scories d'atteindre la surface, a ajouté Voisin.

"Je pense qu'il existe une véritable voie à suivre pour co-concevoir ces compositions d'alliages et la manière dont elles sont traitées pour les rendre encore plus résistantes à la corrosion", a déclaré Wood.

"La vision à long terme est de revenir à un cycle de rétroaction prédiction-validation. Nous avons l'idée que les scories sont problématiques ; pouvons-nous ensuite exploiter nos modèles de composition et nos modèles de processus pour ensuite déterminer comment modifier nos formulations de base, telles que que ce que nous obtenons est fondamentalement un problème de conception inverse. Nous savons ce que nous voulons, il ne nous reste plus qu'à trouver comment y arriver."