LLNL、3Dプリントされたステンレス鋼の孔食原因を発見

March, 29, 2024, Livermore--隠れた敵のように、孔食は金属表面を攻撃し、検出と制御を困難にする。この種の腐食は、主に自然界の海水との長時間の接触によって引き起こされるもので、海軍艦艇にとって特に問題となる。

Nature Communications誌に掲載された最近の論文で、ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)の科学者たちは、海水中で積層造形(3Dプリント)されたステンレス鋼316Lの孔食の神秘的な世界を掘り下げた。ステンレス鋼316Lは、機械的強度と耐食性の優れた組み合わせにより、海洋アプリケーションに人気がある。これは3Dプリンティング後にも当てはまるが、この弾力性のある素材でさえ、孔食の惨事の影響を受けないわけではない。

LLNLチームは、この腐食劇の主役が、マンガンやシリコンなどの脱酸剤によって生成される「スラグ」と呼ばれる小さな粒子であることを発見した。従来のステンレス鋼316Lの製造では、これらの元素は通常、鋳造前に添加して酸素と結合し、製造後に簡単に除去できる溶融液体金属に固相を形成する。研究チームは、これらのスラグがレーザ粉末床溶融結合(LPBF)3Dプリンティング中にも形成されるが、金属の表面に残り、孔食を引き起こすことを発見した。

「孔食は、確率的な性質のために、理解が非常に困難だが、この種の腐食を引き起こしたり、開始したりする材料特性を特定した」と、筆頭著者でLLNLのスタッフサイエンティストShohini Sen-Britainは話している。「われわれのスラグは、従来の材料で観察されたものとは異なって見えたが、316Lの孔食の原因である可能性があるという仮説を立てた。われわれは、LLNLの優れた材料特性評価スイートとモデリング能力を利用して、スラグが原因であることに疑いの余地がないことを証明することで、これを確認した。これは非常にやりがいのあることだった」

スラグは従来のステンレス鋼の製造中にも形成される可能性があるが、通常はチッピングハンマー、グラインダー、またはその他の工具で除去される。研究者は、これらの後処理オプションは、金属を積層造形(AM)する目的を打ち負かすと話している。さらに、研究前には、AM中にスラグがどのように形成され、堆積するかについての情報がほとんどなかったと付け加えた。

これらの未解決の疑問を解決するために、研究チームは、プラズマ集束イオンビームミリング、透過型電子顕微鏡、AMステンレス鋼部品の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た。その結果、スラグにズームインし、模擬海洋環境での腐食プロセスにおけるスラグの役割を明らかにすることができ、スラグが不連続性を生み出し、塩化物を豊富な水が鋼材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、海水のような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、腐食プロセスにさらに寄与する。

「われわれは、これらの材料で腐食が発生した場合に、何が腐食の原因となる可能性があるのかを解明するために、詳細な顕微鏡研究を行いたいと考えていた。もしそうなら、その特定の物質を回避することで腐食を改善する追加の方法があるかも知れない」と、主任研究者、Brandon Woodは話している。「マンガンを含む二次相が形成されている。このスラグが、最も責任があるようだ。われわれのチームは、これらのスラグの近傍をさらに詳細に顕微鏡で観察し、案の定、その近傍にエンハンスメント（増進）があること、つまり、これがおそらく支配的な物質であることを示す二次的な指標を示すことができた。」

主任研究者Thomas Voisinによると、研究チームは透過型電子顕微鏡を用いて、3Dプリントされたステンレス鋼の小さなサンプル(約数ミクロン)を表面から選択的に持ち上げ、顕微鏡でスラグを可視化し、その化学的性質と構造を原子分解能で分析した。この特性評価技術は、孔食につながる要因の複雑な相互作用を明らかにするのに役立ち、チームはAMでこれまで行われなかった方法でスラグを分析することができた。

「プロセス中、レーザで材料を局所的に溶かし、その後、非常に急速に固化する。急速冷却は材料を非平衡状態で凍結させる。基本的には、原子を本来あるべきではない配置に保ち、材料の機械的特性と腐食特性を変化させている。ステンレス鋼は海洋用途で多く使用されるため、腐食は非常に重要である。最高の機械的特性を持つ最高の材料を手に入れることができるが、海水と接触できなければ、用途は大きく制限される」（Voisin）。

研究チームによると、この研究は、腐食プロセスの科学的理解を深めるだけでなく、改良された材料と製造技術の開発への道を開く、進行中の腐食との戦いにおける重要な一歩を示している。スラグのメカニズムや孔食との関係を解明することで、強度や耐久性だけでなく、海水の腐食力にも強いステンレス部品の開発が期待でき、海洋用途にとどまらず、他の産業や過酷な環境にも影響が及ぶ。

「材料を 3D プリントすると、機械的特性が向上し、われわれの研究から、腐食にも優れていることが分かった。プロセス中に形成される表面酸化物は高温で発生し、様々な特性も得られる。エキサイティングなのは、素材が腐食する理由、他の技術よりも優れている理由、また、その背後にある科学を理解することだ。レーザ粉末床溶融結合AMを使用して、他の技術でできることをはるかに超えて、材料特性を改善できることを何度も確認している」と Voisin はコメントしている。

孔食の原因がわかったので、Sen-BritainとVoisin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ための次のステップは、マンガンとシリコンを除去し、スラグの形成を制限または排除するために粉末原料の配合を変更することだと考えている。また、研究チームはレーザの融解経路と融解挙動の詳細なシミュレーションを分析して、レーザの加工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る可能性があるとVoisinは付け加えている。

このプロジェクトの資金は、Woodが主導する腐食に関するラボ戦略イニシアチブから提供されている。モデリングと詳細な実験的特性評価を組み合わせて、材料の寿命を予測し、それらを改善できる可能性を探そうとした。

「これらの合金組成と、耐食性をさらに高めるための加工方法を実際に共同設計するための真の道筋があると考えている。長期的なビジョンは、予測と検証のフィードバックサイクルに戻ることだ。われわれは、スラグが問題であるという考えを持っている。次に、組成モデルとプロセスモデルを活用して、基本の定式化を変更する方法を見つけ出し、基本的には逆設計問題になるようにすることができる。自分たちが何を望んでいるかはわかっているので、あとはそこにたどり着く方法を考えればよし」とWoodは話している。