Materialwissenschaft: Optimierung von 3D-gedrucktem Edelstahl gegen Seewasserkorrosion

LLNL-Forschende enthüllen in “Nature Communications” die Ursachen der Lochkorrosion in 3D-gedrucktem Edelstahl 316L der in Seewasser eingesetzt wird. Ihre Entdeckung dass Schlackenpartikel die Korrosion initiieren markiert einen Durchbruch in der Materialforschung und bietet neue Ansätze zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit.

Edelstahl 316L, bekannt für seine hervorragende Kombination aus mechanischer Stärke und Korrosionsbeständigkeit, wird häufig in der maritimen Industrie verwendet. Die Forschung des LLNL-Teams hat jedoch offenbart, dass beim Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF) 3D-Druckverfahren winzige Partikel, sogenannte “Schlacken”, entstehen, die Pittingkorrosion an der Metalloberfläche initiieren können. Diese Schlacken, die durch Deoxidationsmittel wie Mangan und Silizium erzeugt werden, bleiben im Gegensatz zur traditionellen Herstellung von Edelstahl 316L an der Oberfläche des Metalls haften.

“Lochfraßkorrosion ist aufgrund ihres stochastischen Charakters äußerst schwer zu verstehen, aber wir haben die Materialeigenschaften ermittelt, die diese Art von Korrosion verursachen oder auslösen”, sagte die Hauptautorin und LLNL-Mitarbeiterin Shohini Sen-Britain. “Obwohl unsere Schlacken anders aussahen als die, die bei konventionell hergestellten Materialien beobachtet wurden, stellten wir die Hypothese auf, dass sie eine Ursache für Lochfraßkorrosion in 316L sein könnten. Wir bestätigten dies, indem wir die beeindruckenden Materialcharakterisierungs- und Modellierungsmöglichkeiten des LLNL nutzten und zweifelsfrei nachweisen konnten, dass Schlacken die Ursache sind. Das war äußerst lohnend.”

Im Vergleich zur herkömmlichen Herstellung, bei der Schlacken normalerweise entfernt werden, bietet die additive Fertigung nicht dieselben Nachbearbeitungsmöglichkeiten, ohne die Vorteile des 3D-Drucks zu negieren. Durch den Einsatz von Techniken wie dem Plasma-Fokussierten Ionenstrahlfräsen, der Transmissionselektronenmikroskopie und der Röntgenphotoelektronenspektroskopie konnte das Team die Rolle der Schlacken im Korrosionsprozess in einer simulierten Meeresumgebung aufdecken. Die Schlacken erzeugen Diskontinuitäten, die es dem chloridreichen Wasser ermöglichen, in den Stahl einzudringen und Schäden zu verursachen.

“Wir wollten eine mikroskopische Tiefenstudie durchführen, um herauszufinden, was möglicherweise für die Korrosion in diesen Werkstoffen verantwortlich ist, und wenn das der Fall ist, gibt es vielleicht zusätzliche Möglichkeiten, sie zu verbessern, indem man diesen speziellen Erreger vermeidet”, sagte der leitende Forscher Brandon Wood. “Es gibt eine sekundäre Phase, die sich bildet und Mangan enthält – diese Schlacken -, die anscheinend die Hauptverantwortung trägt. Unser Team untersuchte zusätzlich die Umgebung dieser Schlacken mit Hilfe der Mikroskopie, und tatsächlich konnten wir zeigen, dass es in dieser Umgebung eine Anreicherung gibt – ein sekundärer Indikator dafür, dass dies wahrscheinlich das vorherrschende Agens ist.”

Um den Wechselwirkungen auf den Grund zu gehen, isolierte das Forschungsteam kleine Proben von 3D-gedrucktem Edelstahl und analysierte deren Chemie und Struktur auf atomarer Ebene. Diese detaillierten Untersuchungen erlaubten es, die Mechanismen hinter der Schlackenbildung und ihrer Beziehung zur Pittingkorrosion zu entwirren.

Thomas Voisin sagt: “Wenn wir das Material in 3D drucken, sind die mechanischen Eigenschaften besser, und aus unserer Forschung wissen wir auch, dass es besser für die Korrosion ist. Das Oberflächenoxid, das sich während des Prozesses bildet, entwickelt sich bei hohen Temperaturen, und das verleiht dem Material viele verschiedene Eigenschaften. Das Spannende ist, zu verstehen, warum das Material korrodiert, warum es besser ist als andere Techniken und welche Wissenschaft dahinter steckt. Es bestätigt sich immer wieder, dass wir mit dem Laser-Pulverbett-Schmelzverfahren unsere Materialeigenschaften verbessern können, und zwar weit über das hinaus, was wir mit anderen Verfahren erreichen können.”

Das Verständnis der Ursachen der Pittingkorrosion ebnet den Weg für zukünftige Verbesserungen der Leistung und Langlebigkeit von 3D-gedrucktem Edelstahl 316L. Durch Anpassungen in der Zusammensetzung des Pulverwerkstoffs könnten Mangan und Silizium reduziert oder eliminiert werden, um die Bildung von Schlacken zu begrenzen oder zu verhindern. Weiterhin könnte eine Optimierung der Laserbearbeitungsparameter dazu beitragen, die Entstehung von Schlacken an der Oberfläche zu verhindern.

“Ich glaube, dass es einen echten Weg gibt, diese Legierungszusammensetzungen und die Art ihrer Verarbeitung mitzugestalten, um sie noch korrosionsbeständiger zu machen”, sagte Wood. “Die langfristige Vision ist es, zu einem Feedback-Zyklus aus Vorhersage und Validierung zurückzukehren. Wir haben eine Vorstellung davon, dass die Schlacken problematisch sind; können wir als Nächstes unsere Zusammensetzungs- und Prozessmodelle nutzen, um herauszufinden, wie wir unsere Basisrezepturen ändern können, so dass wir im Grunde ein umgekehrtes Designproblem bekommen. Wir wissen, was wir wollen, jetzt müssen wir nur noch herausfinden, wie wir es erreichen können.