研究者らが3Dプリントステンレス鋼の孔食腐食耐性を向上させる鍵となる要素を発見

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-3-20 11:49 に最後に編集されました

はじめに:孔食は金属表面を攻撃する潜在的な敵のようなもので、腐食の検出と制御を困難にします。このタイプの腐食は主に金属が長時間海水と接触することによって発生し、特に海軍艦艇にとって問題となります。

△走査型電子顕微鏡で撮影した写真には、3Dプリントされたステンレス鋼部品の表面の穴が写っている
2024年3月20日、アンタークティックベアは、ローレンス・リバモア国立研究所（LLNL）の科学者が、海水中の3Dプリントステンレス鋼の孔食腐食に関する詳細な研究を実施したことを知りました。研究者たちは、粉末原料の配合を変更することでスラグの形成を制限または排除し、ステンレス鋼の性能と寿命を改善できることを発見しました。この研究は、海軍艦艇などの海水環境で使用される金属部品の耐食性を向上させる上で大きな意義があります。

△この研究は「模擬海水中における付加製造ステンレス鋼の孔食に対するスラグの影響」というタイトルでネイチャーコミュニケーションズに掲載されました（ポータル）
技術研究の背景

316L ステンレス鋼は、優れた機械的強度と耐腐食性を備えているため、海洋用途でよく使用されます。 3D プリント後ではさらにその傾向が強まりますが、この弾力性のある素材でも孔食の影響を受けないわけではありません。

LLNL チームは、この腐食現象の主要因は、マンガンやシリコンなどの脱酸素剤によって生成される「スラグ」と呼ばれる微粒子であることを発見しました。従来の 316L ステンレス鋼の製造では、通常、これらの元素は鋳造前に添加され、酸素と結合して溶融液体金属中に固相を形成します。この固相は製造後に簡単に除去できます。

「孔食はランダムな性質のため理解するのが非常に難しいが、私たちはこの種の腐食を引き起こす、または開始する材料特性を特定した」と、LLNL の科学者で筆頭著者の Shohini Sen-Britain 氏は述べた。「私たちのスラグは従来製造された材料で観察されるものとは異なっていたが、私たちはそれが 316L の孔食の原因である可能性があると仮説を立てた。私たちはこれを LLNL の材料特性評価スイートとモデリング機能を使用して確認し、スラグが原因であることを合理的な疑いの余地なく証明することができた。これは非常に意義深いことだ。」

スラグは従来のステンレス鋼製造工程でも生成されますが、通常はハンマー、グラインダー、またはその他の工具で除去されます。研究者らは、研究以前には、3Dプリントの過程でスラグがどのように形成され堆積するかに関する情報は事実上なかったと付け加えている。

△LPBF 316Lステンレス鋼板仕上げ表面特性
ピット形成因子間の相互作用の解明

これらの未解決の疑問を解決するために、研究チームは、3D プリントされたステンレス鋼部品に対して、プラズマ集束イオンビームミリング、透過型電子顕微鏡、X 線光電子分光法などの高度な技術を組み合わせて使用しました。

研究者たちはスラグにズームインし、模擬海洋環境における腐食プロセスにおけるその役割を明らかにし、スラグが不連続性を生み出し、塩化物を多く含む水が鋼鉄に浸透して大惨事を引き起こすことを発見した。さらに、スラグには海水などの環境にさらされると溶解する金属介在物が含まれており、腐食プロセスがさらに促進されます。

主任研究員のブランドン・ウッド氏は、詳細な顕微鏡検査を通じて材料の腐食の潜在的な原因を特定し、状況を改善するために特定の試薬の使用を避けたいと語った。同時に、形成された第 2 相にはマンガンが含まれており、これらのスラグが腐食の主な原因である可能性があることも発見されました。彼らは詳細な顕微鏡検査を通じてこれを確認した。

「研究者らは透過型電子顕微鏡を使用して、3Dプリントされたステンレス鋼の表面から選択的に小さなサンプル（数マイクロメートル程度）を採取し、顕微鏡を通してスラグを視覚化し、その化学的性質と構造を原子分解能で分析した」と主任研究者のトーマス・ヴォワザン氏は述べた。

△ スラグまたは部分的に溶融した領域で見つかった自然表面酸化物の透過型電子顕微鏡 (TEM) による特性評価この特性評価技術により、孔食腐食につながる要因の複雑な相互作用が明らかになり、チームは積層造形ではこれまで不可能だった方法でスラグを分析できるようになりました。

「このプロセスでは、レーザーで材料を局所的に溶かし、その後急速に凝固させます」とヴォワザン氏は言う。「急速冷却により、材料は非平衡状態で凍結します。基本的に、原子を本来あるべきではない配置に維持し、材料の機械的特性と腐食特性を変えています。ステンレス鋼は海洋用途で多く使用されているため、腐食はステンレス鋼にとって非常に重要です。最高の機械的特性を持つ最高の材料があっても、海水と接触できない場合は、その用途は大幅に制限されます。」

研究者らは、この研究は腐食に対する継続的な戦いにおいて大きな前進を示し、腐食プロセスに関する科学的理解を深めるだけでなく、改良された材料や製造技術の開発への道を開くものだと述べている。

スラグの背後にあるメカニズムと孔食との関係を解明することで、エンジニアやメーカーは、強度と耐久性だけでなく、海水腐食に対する耐性も高いステンレス鋼部品の製造に取り組むことができ、海洋用途だけでなく、他の産業やさまざまな過酷な環境にも影響を与えることができます。

△この研究では、マンガンを多く含むケイ酸塩スラグが塩化物溶液中のLPBF 316L SSの孔食の原因であることが判明した。
次のステップ

ヴォワザン氏は、この材料を3Dプリントすることで、その機械的特性と耐腐食性の両方が向上すると指摘した。同時に、研究チームは、3D プリントのプロセス中に形成された表面酸化物が材料にさまざまな特性を与え、材料の性能を向上させる新しい方法を提供することに気付きました。 Sen-Britain 氏と Voisin 氏は、3D プリントされたステンレス鋼 316L の性能と寿命を向上させる次のステップは、粉末原料の配合を変更してマンガンとシリコンを除去し、それによってスラグの形成を制限または排除することだと述べています。さらに、研究者はレーザー溶融の軌跡と溶融挙動を分析することで処理パラメータを最適化し、スラグが表面に到達するのを防ぐことができます。

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