Ultrasone nanokristaloppervlakmodificatie herstelt de corrosieweerstand van roestvrij staal

Gevonden in alles, van keukenapparatuur tot infrastructuur voor duurzame energie, worden roestvrij staalsies veelvuldig gebruikt vanwege hun uitstekende corrosie (roesten) weerstand. Ze zijn een belangrijk materiaal in veel industrieën, waaronder productie, transport, olie en gas, kernenergie en chemische verwerking.

Roestvrij staal kan echter een proces ondergaan dat sensibilisatie wordt genoemd wanneer ze worden onderworpen aan een bepaald bereik van hoge temperaturen – zoals tijdens het lassen – en dit verslechtert hun corrosieweerstand aanzienlijk. Niet aangevinkt, kan corrosie leiden tot kraken en structureel falen.

“Dit is een groot probleem voor roestvrij staal”, zegt Kumar Sridharan, een professor in nucleaire engineering en engineering natuurkunde en materiaalwetenschappen en engineering aan de Universiteit van Wisconsin – Madison. “Wanneer roestvrij staal wordt gecorrodeerd, moeten componenten worden vervangen of worden hersteld. Dit is een duur proces en veroorzaakt uitgebreide downtime in de industrie.”

Sridharan en Kasturi Narasimha Sasidhar, een assistent-wetenschapper in de groep van Sridharan, hebben een nieuwe aanpak aangetoond voor het herstellen van de corrosiebestendigheid van roestvrij staal die veel sneller en mogelijk minder duur kan zijn dan conventionele hoog-verwarm remediatiemethoden.

Om fundamenteel te begrijpen waarom hun aanpak zo succesvol was in het herstellen van corrosieweerstand, hebben de onderzoekers een geavanceerde techniek gebruikt die Atom-sonde-tomografie worden genoemd in samenwerking met Madison-gebaseerde bedrijf Cameca Instruments Inc. (Ametek), die banden heeft met UW-Madison.

Het team beschreef zijn bevindingen in een paper gepubliceerd 5 maart 2025, in het tijdschrift Metallurgische en materiaaltransacties.

Voor hun aanpak gebruikten de onderzoekers een technologie genaamd “Ultrasone Nanocrystal Surface Modification” op een monster van gesensibiliseerd roestvrij staal. In dit proces tikt een harde pin op het oppervlak van het staal op extreem hoge frequenties.

“We hebben aangetoond dat ultrasone oppervlaktemodificatie van nanokristal de corrosiebestendige toestand van het roestvrij staal kan herstellen, zonder een warmtebehandeling nodig te hebben, wat echt een groot probleem is,” zegt Sridharan.

Hoewel ultrasone oppervlaktemodificatie van nanokristal niet gemakkelijk schaalbaar is, zegt Sridharan dat dit onderzoek een deur kan openen voor vergelijkbare, meer schaalbare oppervlaktemodificatiemethoden om de prestaties van roestvrij staal te optimaliseren.

Natuurlijk wilden de onderzoekers begrijpen waarom hun aanpak effectief was. Traditionele microscopietechnieken zoals alleen scannen of transmissie -elektronenmicroscopie waren onvoldoende om de gegevens op te leveren die nodig zijn om hun vragen te beantwoorden.

“Cameca’s atoomsonde -tomografie -technologie stelde de onderzoekers in staat om naar het staal op de nanometerschaal te kijken, in drie dimensies, en om precies de locatie van de elementen in het materiaal te meten”, zegt Sasidhar, nu een senior applicaties wetenschapper bij Cameca Instruments Inc.

Roestvrij staal bevat ongeveer 18% chroom, wat het corrosiebestendig maakt. Terwijl sensibilisatie optreedt, raakt chroom uitgeput in kleine gebieden in het roestvrij staal. Met name zijn deze kleine uitputtingsgebieden verantwoordelijk voor het drastische verlies bij corrosieweerstand.

Het team ontdekte dat de ultrasone nanokristaloppervlakmodificatiebehandeling de chroomconcentratie in de kleine uitgeputte gebieden gelijk maakte, die de corrosieweerstand herstelden.

Sridharan zegt dat de connectie van UW-Madison met Cameca, een wereldwijd toonaangevende fabrikant van Atom-sonde tomografie-apparatuur, een sleutelrol heeft gespeeld in deze doorbraak. De voorloper van Cameca’s Atom-sonde tomografie-activiteiten was Imago Scientific Instruments Corporation, een bedrijf opgericht in 1998 door Tom Kelly, een voormalig professor in materiaalwetenschappen en engineering aan UW-Madison. In 2010 werd Imago overgenomen door Ametek en opgenomen in de Cameca Business Unit.

“Het bedrijf heeft sterke historische banden met UW-Madison”, zegt Robert Ulfig (BSNEEP ’94, MSMS & E ’97), senior applicaties en bedrijfsontwikkelaar bij Cameca en co-auteur van de krant, die nauw samenwerkte met Sridharan tijdens zijn graduate studies. “Het is opwindend dat we in staat zijn om samen te werken met de universiteit om deze impactvolle ontdekking te doen.”