Pesquisadores descobrem os culpados por trás da corrosão por pites em aço inoxidável impresso em 3D
Uma foto tirada por um microscópio eletrônico de varredura mostra um buraco na superfície de uma peça de aço inoxidável fabricada aditivamente (impressa em 3D). Crédito:Thomas Voisin. Como um inimigo oculto, a corrosão por pite ataca as superfícies metálicas, dificultando sua detecção e controle. Este tipo de corrosão, causada principalmente pelo contato prolongado com a água do mar na natureza, é especialmente problemática para embarcações navais.
Em um artigo recente publicado na Nature Communications , Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) mergulharam no misterioso mundo da corrosão por pites em aço inoxidável 316L fabricado aditivamente (impresso em 3D) na água do mar.
O aço inoxidável 316L é uma escolha popular para aplicações marítimas devido à sua excelente combinação de resistência mecânica e resistência à corrosão. Isto é ainda mais verdadeiro após a impressão 3D, mas mesmo este material resiliente não está imune ao flagelo da corrosão por picadas.
A equipe do LLNL descobriu que os principais atores desse drama da corrosão são pequenas partículas chamadas “escórias”, produzidas por desoxidantes como manganês e silício. Na fabricação tradicional de aço inoxidável 316L, esses elementos são normalmente adicionados antes da fundição para se ligarem ao oxigênio e formarem uma fase sólida no metal líquido fundido que pode ser facilmente removida após a fabricação.
Os pesquisadores descobriram que essas escórias também se formam durante a impressão 3D de fusão em leito de pó a laser (LPBF), mas permanecem na superfície do metal e iniciam a corrosão por pites.
"A corrosão por pite é extremamente difícil de entender devido à sua natureza estocástica, mas determinamos as características do material que causam ou iniciam esse tipo de corrosão", disse o autor principal e cientista da equipe do LLNL, Shohini Sen-Britain.
"Embora nossas escórias parecessem diferentes do que foi observado em materiais fabricados convencionalmente, levantamos a hipótese de que elas poderiam ser a causa da corrosão por pite no 316L. Confirmamos isso aproveitando o impressionante conjunto de caracterização de materiais e os recursos de modelagem que temos no LLNL, onde pudemos provar sem dúvida que as escórias eram a causa. Isto foi extremamente gratificante."
Embora as escórias também possam se formar durante a fabricação tradicional de aço inoxidável, elas normalmente são removidas com martelos picadores, esmerilhadeiras ou outras ferramentas. Essas opções de pós-processamento anulariam o propósito da fabricação aditiva (AM) do metal, disseram os pesquisadores, que acrescentaram que, antes do estudo, quase não havia informações sobre como as escórias são formadas e depositadas durante a AM.
Para ajudar a resolver essas questões não respondidas, a equipe usou uma combinação de técnicas avançadas, incluindo fresagem por feixe de íons com foco em plasma, microscopia eletrônica de transmissão e espectroscopia de fotoelétrons de raios X em componentes de aço inoxidável AM.
Eles conseguiram ampliar as escórias e descobrir seu papel no processo de corrosão em um ambiente oceânico simulado, descobrindo que elas criavam descontinuidades e permitiam que a água rica em cloreto penetrasse no aço e causasse estragos. Além disso, as escórias contêm inclusões metálicas que se dissolvem quando expostas ao ambiente semelhante à água do mar, contribuindo ainda mais para o processo de corrosão.
“Queríamos fazer um estudo de microscopia aprofundado para descobrir o que poderia ser potencialmente responsável pela corrosão quando ela acontece nesses materiais e, se for esse o caso, então pode haver maneiras adicionais de melhorá-los, evitando esse agente específico. ", disse o investigador principal Brandon Wood.
"Há uma fase secundária formada que contém manganês - essas escórias - que parece ser a maior responsável. Nossa equipe fez uma microscopia detalhada adicional observando a vizinhança dessas escórias e, com certeza, fomos capazes de mostrar isso em naquela vizinhança, você tem aprimoramento – um indicador secundário de que este é provavelmente o agente dominante."
Usando microscopia eletrônica de transmissão, os pesquisadores levantaram seletivamente pequenas amostras de aço inoxidável impresso em 3D da superfície – cerca de alguns mícrons – para visualizar as escórias através do microscópio e analisar sua química e estrutura em resolução atômica, de acordo com o investigador principal Thomas Voisin.
As técnicas de caracterização ajudaram a esclarecer a complexa interação de fatores que levam à corrosão por pites e permitiram à equipe analisar escórias de maneiras nunca feitas antes em AM.
“Durante o processo, você derrete localmente o material com o laser e então ele solidifica muito rapidamente”, disse Voisin. "O resfriamento rápido congela o material em um estado de desequilíbrio; você basicamente mantém os átomos em uma configuração que não deveria estar e altera as propriedades mecânicas e de corrosão do material."
"A corrosão é muito importante para o aço inoxidável porque é muito utilizado em aplicações marítimas. Você poderia ter o melhor material com as melhores propriedades mecânicas, mas se não puder entrar em contato com a água do mar, isso restringirá significativamente as aplicações."
Os pesquisadores disseram que o estudo marca um passo significativo na batalha contínua contra a corrosão, não apenas aprofundando a compreensão científica dos processos de corrosão, mas também abrindo caminho para o desenvolvimento de materiais e técnicas de fabricação aprimorados.
Ao desvendar os mecanismos por trás das escórias e sua relação com a corrosão por pite, engenheiros e fabricantes podem se esforçar para criar componentes de aço inoxidável que não sejam apenas fortes e duráveis, mas também altamente resistentes às forças corrosivas da água do mar, com implicações que vão além do domínio da marinha. aplicações e em outras indústrias e tipos de ambientes agressivos.
“Quando imprimimos o material em 3D, ele é melhor para as propriedades mecânicas e, com base em nossa pesquisa, também entendemos que é melhor para a corrosão”, disse Voisin.
"O óxido superficial que se forma durante o processo se desenvolve em altas temperaturas, o que também lhe confere muitas propriedades diferentes. O que é emocionante é entender a razão pela qual o material sofre corrosão, por que é melhor do que outras técnicas e a ciência por trás disso. É confirmando, repetidas vezes, que podemos usar a fusão AM em leito de pó a laser para melhorar as propriedades de nossos materiais muito além de qualquer coisa que possamos fazer com outras técnicas."
Agora que a equipe entende as causas por trás da corrosão, Sen-Britain e Voisin disseram que os próximos passos para melhorar o desempenho e a longevidade do aço inoxidável 316L impresso em 3D seriam alterar a formulação da matéria-prima em pó para remover manganês e silício para limitar ou eliminar formação de escória.
Os pesquisadores também poderiam analisar simulações detalhadas da trilha de fusão do laser e do comportamento de fusão para otimizar os parâmetros de processamento do laser e potencialmente evitar que as escórias alcancem a superfície, acrescentou Voisin.
"Acho que há um caminho real para realmente co-projetar essas composições de ligas e a forma como elas são processadas para torná-las ainda mais resistentes à corrosão", disse Wood.
"A visão de longo prazo é voltar a um ciclo de feedback de validação de previsão. Temos uma ideia de que as escórias são problemáticas; podemos em seguida aproveitar nossos modelos de composição e modelos de processo para então descobrir como mudar nossas formulações básicas, como que o que obtemos é basicamente um problema de design inverso. Sabemos o que queremos, agora só temos que descobrir como chegar lá."
