01
Abstract
Tungstenul, datorită punctului său de topire ridicat, conductibilității termice bune și retenției scăzute de hidrogen, este un material ideal pentru componentele orientate cu plasmă-în reactoarele de fuziune nucleară. Cu toate acestea, fragilitatea sa intrinsecă și temperatura ridicată de tranziție ductil-frittle (DBTT) îl fac foarte susceptibil la crăpare în timpul procesării cu laser. Acest lucru se datorează în principal vitezei de răcire extrem de ridicate și gradientului de temperatură care duce la stresul termic și slăbirea limitelor de cereale. Metodele existente pentru a suprima fisurarea includ preîncălzirea substratului, alierea cu nanoparticule și laserele pulsate, dar aceste metode au limitări, cum ar fi degradarea pulberii, modificări de compoziție sau porozitate crescută. În ultimii ani, modelarea fasciculului laser (cum ar fi fasciculele inelare) a fost folosită pentru a reduce densitatea de vârf a puterii, transformând sudarea cu penetrare adâncă în sudare conductivă termic, reducând efectiv gradienții de temperatură și ratele de răcire. Oscilația fasciculului laser poate agita bazinul topit, poate omogeniza și mai mult aportul de căldură și poate promova formarea de boabe echiaxiale. Ambele metode se bazează pe controlul termodinamic și au mecanisme complementare. Această lucrare propune combinarea acestora pentru a obține o sudare repetabilă fără fisuri-a wolframului pur fără preîncălzire sau modificare. Efectele formei fasciculului și ale parametrilor de oscilație asupra fisurilor, bazinului topit și microstructurii sunt studiate sistematic, oferind o referință pentru fabricarea aditivă ulterioară.
02
Prezentare generală
Acest studiu a comparat sistematic efectele a trei forme de fascicul laser-Fascicul Gaussian, distribuția miezului inel (RC 80/20) și fasciculul inelar- asupra comportamentului de fisurare a sudurilor cu o singură trecere-în plăci subțiri de tungsten pur sub diferiți parametri de oscilație. Combinând simularea termofizică, analiza microscopiei optice și caracterizarea EBSD, a fost efectuată o analiză la mai multe-scări, de la statisticile fisurilor macroscopice și geometria bazinului topit până la structura microscopică a granulelor. Rezultatele experimentale arată că fasciculul Gaussian, datorită puterii sale de vârf excesiv de mare, formează cu ușurință un bazin de topire adânc și îngust (raport adâncime-la-lățime > 1), ducând la fisuri severe, cu o rată liberă-de fisurare de numai 36%. În schimb, grinzile inelare și RC 80/20, prin reducerea densității de putere de vârf, lărgesc și mai puțin adânc bazinul de topire, reducând semnificativ gradientul de temperatură și viteza de răcire. Doar fasciculul RC 80/20 poate atinge o rată-liberă de fisuri de 80%. Pornind de la această bază, adăugarea oscilației fasciculului laser a suprimat și mai mult fisurarea în toate tipurile de fascicule, raporturile de aspect scăzând în general sub 1. Combinația dintre RC 80/20 și oscilație a funcționat cel mai bine, obținând o rată fără fisuri de 91%-pentru 55 de seturi de parametri. Mai mult, a dus la formarea de cristale echiaxiale mai mari în bazinul topit, care se potrivesc îndeaproape cu reducerea ratei de răcire simulată de până la 45%. Analiza statistică finală a arătat că forma fasciculului, puterea laserului și viteza de scanare au fost cei mai importanți parametri care afectează inițierea fisurii, în timp ce frecvența și amplitudinea oscilației nu au avut un impact semnificativ în domeniul de aplicare al acestui studiu. Acest lucru demonstrează că strategia combinată de modelare a fasciculului și oscilație poate realiza o sudare repetabilă-fără fisuri a wolframului fără preîncălzire sau modificarea materialului.
03
Analiza grafică
Datele din colțul din stânga sus al figurii 1 arată că, în același diametru al punctului (202 μm) și condiții de proces, gradientul de temperatură G al fasciculului RC 80/20 este semnificativ mai mic decât cel al fasciculului gaussian, în timp ce rata de creștere R este puțin mai mare. Cheia constă în rezultatele calculului vitezei de răcire în colțul din dreapta sus-rata de răcire a fasciculului RC 80/20 este redusă cu aproximativ 40% în comparație cu fasciculul Gaussian cu același diametru spot și mai mult redusă cu aproximativ 45% pentru fasciculul inelar. Secțiunea transversală-de bazin topit simulat de mai jos reflectă, de asemenea, vizual acest lucru: bazinul topit al fasciculului în formă este mai lat și mai puțin adânc. Aceste date explică direct de ce modelarea fasciculului poate reduce eficient fisurile induse de stres termic-, oferind un sprijin puternic pentru experimentele ulterioare din perspectivă termodinamică.
Figura 2 corespunde unui fascicul gaussian. Fără oscilație, o fisură longitudinală pătrunde în întreaga sudură. Cu toate acestea, odată cu adăugarea de oscilație, chiar și la densități similare de energie de linie, fisura dispare complet. Figura 3 corespunde unui fascicul RC 80/20. Fără oscilație, o fisură mai există la densități mari de energie a liniei. Odată cu adăugarea de oscilație, fisura este complet eliminată. Acest lucru demonstrează pe deplin că, indiferent de forma fasciculului, oscilația poate suprima efectiv fisurile. Mecanismul este că oscilația fasciculului agită bazinul topit, făcând aportul de căldură mai uniform. Bazinul topit inițial îngust și adânc este lărgit semnificativ, iar raportul adâncime-la-lățime scade sub 1. Modul de sudare se schimbă de la sudarea cu penetrare adâncă la sudarea prin conducție termică, eliberând astfel stresul termic.
Figura 4 cuantifică efectul strategiei de procesare la nivel microstructural. Partea stângă arată că dimensiunea medie a granulelor fasciculului gaussian (93 μm) este de numai 10,2 μm; folosind numai RC 80/20 (202 μm) îl crește la 14,3 μm; iar când RC 80/20 este combinat cu oscilația, boabele se îngroașă și mai mult, ceea ce se potrivește perfect cu rezultatul simulării unei reduceri de 45% a vitezei de răcire. Datele raportului de aspect din dreapta arată că granulele combinației de modelare și oscilație sunt mai aproape de echiaxial (raport apropiat de 1), în timp ce granulele fasciculului Gaussian sunt clar columnare (raport mai mare). O proporție mai mare și un număr mai mare de granule echiaxiale înseamnă că proprietățile mecanice ale materialului sunt mai izotrope, iar rezistența acestuia la propagarea fisurilor este mai puternică, explicând astfel de ce fisurile sunt efectiv suprimate la nivel microstructural.
04
Rezumat
Acest studiu confirmă faptul că o strategie combinată de modelare și oscilație a fasciculului laser poate realiza sudarea repetabilă fără fisuri-a wolframului pur fără preîncălzire sau modificarea materialului. Dintre parametrii testați, fasciculul cu miez inel RC 80/20 combinat cu oscilația a dat cele mai bune rezultate, obținând o rată-liberă de fisuri de 91%, semnificativ mai mare decât 36% din fasciculul Gaussian. Această combinație suprimă efectiv fisurile prin reducerea densității de vârf a puterii și agitarea bazinului de topire, transformând modul de sudare în sudare conducătoare de căldură-, reducând viteza de răcire cu până la 45% și promovând formarea de cristale echiaxiale mai mari. Forma fasciculului, puterea laserului și viteza de scanare sunt parametrii cheie care influențează, în timp ce frecvența și amplitudinea oscilației au un efect redus. Cercetările viitoare trebuie să verifice în continuare aplicabilitatea acestei strategii în mai multe straturi, laminare cu mai multe treceri și în producția reală PBF-LB/M.
