L'acciaio inossidabile "marine grade" è apprezzato per le sue prestazioni in ambienti corrosivi e per la sua elevata duttilità, la capacità di piegarsi senza rompersi sotto stress, che lo rende la scelta preferita per oleodotti, saldatura, utensili da cucina, attrezzatura chimica, impianti medici, parti del motore e stoccaggio di scorie nucleari. Però, le tecniche convenzionali per rafforzare questa classe di acciai inossidabili in genere vanno a scapito della duttilità.

ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), insieme ai collaboratori dell'Ames National Laboratory, Georgia Tech University e Oregon State University, hanno raggiunto una svolta nella stampa 3D, una delle forme più comuni di acciaio inossidabile di grado marino, un tipo a basso tenore di carbonio chiamato 316L, che promette una combinazione senza precedenti di proprietà di alta resistenza e alta duttilità per la lega onnipresente. La ricerca appare online il 30 ottobre sulla rivista Materiali della natura .

"Per rendere utili tutti i componenti che stai cercando di stampare, devi avere questa proprietà del materiale almeno uguale a quella prodotta dalla metallurgia tradizionale, ", ha affermato lo scienziato dei materiali LLNL e autore principale Morris Wang. "Siamo stati in grado di stampare componenti reali in 3D in laboratorio con acciaio inossidabile 316L, e le prestazioni del materiale erano effettivamente migliori di quelle realizzate con l'approccio tradizionale. Questo è davvero un grande salto. Rende la produzione additiva molto interessante e colma una grande lacuna".

Wang ha affermato che la metodologia potrebbe aprire le porte alla stampa 3D diffusa di tali componenti in acciaio inossidabile, in particolare nel settore aerospaziale, industria automobilistica e petrolifera e del gas, dove sono necessari materiali resistenti e resistenti per tollerare forze estreme in ambienti difficili.

Per incontrarsi con successo, e superare, i requisiti di prestazione necessari per l'acciaio inossidabile 316L, i ricercatori hanno prima dovuto superare un importante collo di bottiglia che limitava il potenziale per la stampa 3D di metalli di alta qualità, la porosità provocata durante la fusione laser (o fusione) di polveri metalliche che può causare il facile degrado e frattura delle parti. I ricercatori hanno affrontato questo problema attraverso un processo di ottimizzazione della densità che coinvolge esperimenti e modellazione al computer, e manipolando la microstruttura sottostante dei materiali.

"Questa microstruttura che abbiamo sviluppato rompe la tradizionale barriera del compromesso tra resistenza e duttilità, " Wang ha detto. "Per l'acciaio, vuoi renderlo più forte, ma in sostanza si perde duttilità; non puoi avere entrambi. Ma con la stampa 3D, siamo in grado di spostare questo confine oltre l'attuale compromesso".

Utilizzando due diverse macchine per la fusione a letto di polvere laser, i ricercatori hanno stampato sottili lastre di acciaio inossidabile 316L per i test meccanici. La tecnica di fusione laser ha intrinsecamente portato a strutture gerarchiche simili a cellule che potrebbero essere sintonizzate per alterare le proprietà meccaniche, ricercatori hanno detto.

"La chiave era fare tutta la caratterizzazione e guardare le proprietà che stavamo ottenendo, " ha detto lo scienziato LLNL Alex Hamza, che ha supervisionato la produzione di alcuni componenti fabbricati in modo additivo. "Quando si produce 316L in modo additivo, si crea un'interessante struttura del grano, una specie di vetrata. I grani non sono molto piccoli, ma le strutture cellulari e altri difetti all'interno dei grani che si vedono comunemente nella saldatura sembrano controllare le proprietà. Questa è stata la scoperta. Non abbiamo deciso di fare qualcosa di meglio della produzione tradizionale; è andata proprio così".

Il ricercatore postdoc LLNL Thomas Voisin, un contributore chiave alla carta, ha eseguito ampie caratterizzazioni di metalli stampati in 3D da quando è entrato a far parte del laboratorio nel 2016. Ritiene che la ricerca possa fornire nuove informazioni sulla relazione struttura-proprietà dei materiali prodotti in modo additivo.

"La deformazione dei metalli è principalmente controllata dal modo in cui i difetti su scala nanometrica si muovono e interagiscono nella microstruttura, "Ha detto Voisin. "È interessante notare che abbiamo scoperto che questa struttura cellulare agisce come un filtro, permettendo ad alcuni difetti di muoversi liberamente e quindi di fornire la duttilità necessaria mentre ne blocca altri per fornire la forza. Osservare questi meccanismi e comprenderne la complessità ora ci consente di pensare a nuovi modi per controllare le proprietà meccaniche di questi materiali stampati in 3D".

Wang ha affermato che il progetto ha beneficiato di anni di simulazione, modellazione e sperimentazione eseguite presso il Lab nella stampa 3D dei metalli per comprendere il legame tra microstruttura e proprietà meccaniche. Ha chiamato l'acciaio inossidabile un sistema di "materiale sostitutivo" che potrebbe essere utilizzato per altri tipi di metalli.

L'obiettivo finale, Egli ha detto, consiste nell'utilizzare il calcolo ad alte prestazioni per convalidare e prevedere le prestazioni future dell'acciaio inossidabile, utilizzando modelli per controllare la microstruttura sottostante e scoprire come realizzare acciai ad alte prestazioni, compresa la resistenza alla corrosione. I ricercatori cercheranno quindi di utilizzare una strategia simile con altre leghe più leggere che sono più fragili e soggette a fessurazioni.

Il lavoro è durato diversi anni e ha richiesto i contributi dell'Ames Lab, che ha eseguito la diffrazione dei raggi X per comprendere le prestazioni del materiale; Georgia Tech, che ha eseguito la modellazione per capire come il materiale potesse avere elevata resistenza ed elevata duttilità, e lo stato dell'Oregon, che ha eseguito la caratterizzazione e l'analisi della composizione.