01
Abstrakt
Tungsten er, på grunn av dets høye smeltepunkt, gode varmeledningsevne og lave hydrogenretensjon, et ideelt materiale for plasma-orienterte komponenter i kjernefysiske fusjonsreaktorer. Imidlertid gjør dens iboende sprøhet og høye duktile-sprø overgangstemperatur (DBTT) den svært utsatt for sprekker under laserbehandling. Dette er grunnleggende på grunn av den ekstremt høye kjølehastigheten og temperaturgradienten som fører til termisk stress og svekkelse av korngrensene. Eksisterende metoder for å undertrykke sprekkdannelse inkluderer substratforvarming, nanopartikkellegering og pulserende lasere, men disse metodene har begrensninger som pulvernedbrytning, komposisjonsendringer eller økt porøsitet. De siste årene har laserstråleforming (som ringstråler) blitt brukt for å redusere toppeffekttetthet, transformere dyp penetrasjonssveising til termisk ledende sveising, og effektivt redusere temperaturgradienter og kjølehastigheter. Laserstråleoscillasjon kan røre i det smeltede bassenget, homogenisere varmetilførselen ytterligere og fremme likeakset korndannelse. Begge metodene er basert på termodynamisk kontroll og har komplementære mekanismer. Denne artikkelen foreslår å kombinere dem for å oppnå repeterbar sprekk-fri sveising av ren wolfram uten forvarming eller modifikasjon. Effektene av bjelkeform og oscillasjonsparametere på sprekker, det smeltede bassenget og mikrostrukturen blir systematisk studert, og gir en referanse for påfølgende additiv produksjon.
02
Oversikt
Denne studien sammenlignet systematisk effekten av tre laserstråleformer-gaussisk stråle, ringkjernefordeling (RC 80/20) og ringformet stråle-på sprekkeoppførselen til enkelt-pass sveiser i rene wolfram-tynne plater under forskjellige oscillasjonsparametere. Ved å kombinere termofysisk simulering, optisk mikroskopianalyse og EBSD-karakterisering ble det utført en multi-skalaanalyse, fra makroskopisk sprekkstatistikk og smeltet bassenggeometri til mikroskopisk kornstruktur. Eksperimentelle resultater viser at den gaussiske bjelken, på grunn av sin for høye toppeffekt, lett danner et dypt og smalt smeltet basseng (dybde-til-breddeforhold > 1), som fører til alvorlig sprekkdannelse, med en sprekkfri-fri rate på bare 36 %. I motsetning til dette vil de ringformede og RC 80/20 strålene, ved å redusere toppeffekttettheten, utvide og grunnere det smeltede bassenget, noe som reduserer temperaturgradienten og kjølehastigheten betydelig. RC 80/20-strålen alene kan oppnå en -sprekkefri rate på 80 %. Ved å bygge på dette grunnlaget undertrykte tillegget av laserstråleoscillasjon ytterligere sprekkdannelse i alle stråletyper, med sideforhold som vanligvis falt under 1. Kombinasjonen av RC 80/20 og oscillasjon fungerte best, og oppnådde en 91 % sprekk-fri rate på tvers av 55 parametersett. Videre resulterte det i dannelsen av større likeaksede krystaller i det smeltede bassenget, som samsvarer nøye med den simulerte kjølehastighetsreduksjonen på opptil 45 %. Endelig statistisk analyse avslørte at stråleform, laserkraft og skannehastighet var de mest signifikante parameterne som påvirket sprekkinitiering, mens oscillasjonsfrekvens og amplitude ikke hadde noen signifikant innvirkning innenfor rammen av denne studien. Dette demonstrerer at den kombinerte strategien med stråleforming og oscillasjon kan oppnå repeterbar sprekkfri-fri sveising av wolfram uten forvarming eller materialmodifisering.
03
Grafisk analyse
Dataene i øvre venstre hjørne av figur 1 viser at under samme punktdiameter (202 μm) og prosessforhold er temperaturgradienten G til RC 80/20-strålen betydelig lavere enn den for Gauss-strålen, mens veksthastigheten R er litt høyere. Nøkkelen ligger i kjølehastighetsberegningsresultatene i øvre høyre hjørne-avkjølingshastigheten til RC 80/20-strålen reduseres med omtrent 40 % sammenlignet med Gauss-strålen med samme punktdiameter, og ytterligere redusert med omtrent 45 % for den ringformede strålen. Det simulerte smeltede bassengtverrsnittet-under gjenspeiler også dette visuelt: Det smeltede bassenget til den formede strålen er bredere og grunnere. Disse dataene forklarer direkte hvorfor bjelkeforming effektivt kan redusere termisk spenning-induserte sprekker, og gir sterk støtte for påfølgende eksperimenter fra et termodynamisk perspektiv.
Figur 2 tilsvarer en gaussisk stråle. Uten oscillasjon trenger en langsgående sprekk gjennom hele sveisen. Men med tillegg av oscillasjon, selv ved lignende linjeenergitettheter, forsvinner sprekken fullstendig. Figur 3 tilsvarer en RC 80/20 bjelke. Uten oscillasjon eksisterer det fortsatt en sprekk ved høye linjeenergitettheter. Med tillegg av oscillasjon er sprekken fullstendig eliminert. Dette demonstrerer fullt ut at uavhengig av bjelkeformen, kan oscillasjon effektivt undertrykke sprekker. Mekanismen er at stråleoscillasjonen rører i det smeltede bassenget, noe som gjør varmetilførselen mer jevn. Det opprinnelig smale og dype smeltede bassenget er betydelig utvidet, og dybde-til-breddeforholdet faller under 1. Sveisemodusen endres fra dyp penetrasjonssveising til varmeledningssveising, og frigjør dermed termisk stress.
Figur 4 kvantifiserer effekten av prosesseringsstrategien på mikrostrukturnivå. Venstre side viser at den gjennomsnittlige kornstørrelsen til den Gaussiske strålen (93 μm) bare er 10,2 μm; bruk av RC 80/20 alene (202 μm) øker den til 14,3 μm; og når RC 80/20 kombineres med oscillasjon, forgroves kornene ytterligere, noe som perfekt matcher simuleringsresultatet med 45 % reduksjon i kjølehastighet. Sideforholdsdataene til høyre viser at kornene i formings- og oscillasjonskombinasjonen er nærmere likeaksede (forhold nær 1), mens kornene til den gaussiske strålen er tydelig søyleformede (forhold større). En høyere andel og større antall likeaksede korn betyr at materialets mekaniske egenskaper er mer isotropiske, og dets motstand mot sprekkforplantning er sterkere, og forklarer dermed hvorfor sprekker effektivt undertrykkes på mikrostrukturnivå.
04
Sammendrag
Denne studien bekrefter at en kombinert strategi med laserstråleforming og oscillasjon kan oppnå repeterbar sprekkfri-fri sveising av ren wolfram uten forvarming eller materialmodifisering. Blant de testede parametrene ga RC 80/20-ringkjernestrålen kombinert med oscillasjon de beste resultatene, og oppnådde en sprekkfri-hastighet på 91 %, betydelig høyere enn 36 % av den Gaussiske strålen. Denne kombinasjonen undertrykker sprekker effektivt ved å redusere toppeffekttettheten og røre om det smeltede bassenget, transformere sveisemodusen til varme-ledende sveising, redusere kjølehastigheten med opptil 45 % og fremme dannelsen av større likeaksede krystaller. Stråleform, laserkraft og skannehastighet er de viktigste påvirkningsparametrene, mens oscillasjonsfrekvens og amplitude har liten effekt. Fremtidig forskning må verifisere anvendeligheten av denne strategien ytterligere i fler-lags-, fler-passasjelaminering og i faktisk PBF-LB/M-produksjon.
