Stress assisted corrosion in AISI 316L austenitic stainless steel, manufactured by different additive manufacturing technologies

The 316L austenitic stainless steel, is an alloy employed for several applications in industrial, marine, aeronautical, pharmaceutical, oil & gas and automotive fields, thanks to the combination of its mechanical properties, weldability and corrosion resistance. Alloying elements such as Chromium, Nichel and Molybdenum permit the formation of a thin passive layer which protects bulk material against corrosion and pitting phenomena. 316L is obtained by steelmaking processes, subjected to annealing to dissolve carbides formed during the solidification from the melt, and its fully austenitic microstructure makes it suitable for strain hardening processes. Final components, are obtained from semi-finished products subjected to processes such as bending, forming, welding or machining. In the last decades additive manufacturing had a huge development, due to the introduction of technological solutions which use metallic powders as feedstock materials. Additive processes allow to obtain near net shape parts with complex geometries, thanks to the layer-by-layer manufacturing based on a 3D CAD model. These systems reduce consistently the lead time production, making much easier the prototyping and eliminating several manufacturing steps and therefore the time required to their design, implementation and optimization. However, additive manufacturing has some limitations such as cost-effectiveness only for small and medium batches, poor productivity and reproducibility, and production of parts with poor finishing and anisotropic properties. Many experiments were done to assess the mechanical properties of 316L obtained by additive processes, but fewer are those related to corrosion, and very few data are available on stress assisted corrosion. The wide range of technical solutions, the high number of process parameters and their synergistic effect on the material properties, make the assessment complicated and experimental results not always aligned. It is well known from the literature that stainless steels, in environments containing chlorides and subjected to tensile stresses, are susceptible to stress corrosion cracking. In this project, 316L samples obtained by laser powder bed fusion (LPBF), direct energy deposition (DED) and binder jetting (BJ) processes were assessed using annealed conventional material as reference. Corrosion performances were investigated using an innovative microcapillary equipment, which provides consistent, reliable and repeatable results as confirmed by other works, while the corrosion morphology has been examined with SEM. Corrosion tests were performed in borate buffer and 3,5% w.t. NaCl solutions, and samples subjected to a 0,2% tensile strain were tested in the 3,5% w.t. NaCl solution to examine stress assisted corrosion. Experimental results highlighted the better corrosion performances of LPBF material in all the conditions. In neutral environment additive manufactured 316L showed better corrosion performances compared to conventional 316L, while in simulated marine environment, BJ performances were lower than conventional. The application of a 0,2% strain, decreased the corrosion performances of all tested materials and DED and BJ 316L, showed lower resistance compared to conventional. The SEM detected the presence of cracks only in conventional and BJ samples.

L’acciaio inossidabile austenitico 316L è una lega utilizzata nei settori industriale, marino, aeronautico, farmaceutico, oil & gas e automotive, grazie alla combinazione delle sue proprietà meccaniche, saldabilità e resistenza alla corrosione. Elementi in lega quali cromo, nichel e molibdeno consentono la formazione di un sottile strato passivo che protegge il materiale base dalla corrosione e dal pitting. Il 316L ottenuto da processi di acciaieria è sottoposto a solubilizzazione, per disciogliere i carburi formatisi durante la solidificazione e la sua struttura completamente austenitica lo rende idoneo ai processi di incrudimento. I componenti sono ottenuti da prodotti semilavorati sottoposti a processi quali piegatura, formatura, saldatura o lavorazione meccanica. Negli ultimi decenni, la produzione additiva ha avuto uno sviluppo notevole grazie all' introduzione di tecnologie che utilizzano polveri metalliche come materia prima. I processi additivi consentono di ottenere parti con geometrie complesse e quasi finite, grazie ad una fabbricazione per strati basata su modello CAD 3D. Questi sistemi riducono notevolmente i tempi di produzione, facilitando la prototipazione ed eliminando diverse fasi di fabbricazione, compreso il tempo necessario per la loro progettazione, implementazione e ottimizzazione. I principali limiti derivano dall' essere economicamente conveniente solo per lotti di produzione piccoli e medi, avere una bassa produttività e riproducibilità, e produrre componenti caratterizzate da una scarsa finitura e proprietà anisotrope. Molti sono gli studi fatti sulle proprietà meccaniche del 316L ottenuto con processi additivi, ma poche sono le prove a corrosione condotte e i dati sperimentali sulla corrosione sotto sforzo sono molto limitati. L'ampia gamma di soluzioni tecniche, l'elevato numero di parametri di processo e il loro effetto sinergico sulle proprietà del materiale, rendono complicata la valutazione, con risultati sperimentali non sempre allineati. È noto dalla letteratura che gli acciai inossidabili, in ambienti contenenti cloruri e sottoposti a sollecitazioni di trazione, sono suscettibili alla corrosione sotto sforzo. In questo progetto, i campioni di 316L ottenuti da processi additivi come fusione laser a letto di polvere (LPBF), deposizione diretta ad energia (DED) e a base di legante (BJ), sono stati valutati usando un 316L solubilizzato come riferimento. Le prove a corrosione sono state condotte con un innovativo apparato a microcapillare, che altri studi hanno confermato essere affidabile e ripetibile, mentre la morfologia della corrosione è stata esaminata al SEM. Le prove a corrosione sono state eseguite in soluzione tampone borato e 3,5% di NaCl. Per valutare l’effetto combinato di sforzi esterni e ambiente corrosivo, sono stati testati campioni con una deformazione dello 0,2%, in soluzione di NaCl al 3,5%. I risultati sperimentali evidenziano prestazioni a corrosione migliori del materiale LPBF in tutte le condizioni. In ambiente neutro, il 316L prodotto con metodi additivi, mostra prestazioni a corrosione migliori rispetto al 316L convenzionale, mentre in ambiente marino, le prestazioni del BJ sono inferiori al convenzionale. L’applicazione di una deformazione dello 0,2% diminuisce le prestazioni a corrosione di tutti i materiali testati e il 316L ottenuto con DED e BJ mostra una resistenza inferiore rispetto a quella del convenzionale. Il SEM ha rilevato la presenza di cricche solamente nei campioni di 316L convenzionale e BJ.