01
Абстрацт
Волфрам је, због своје високе тачке топљења, добре топлотне проводљивости и малог задржавања водоника, идеалан материјал за компоненте оријентисане на плазму{0}}у нуклеарним фузионим реакторима. Међутим, његова суштинска ломљивост и висока дуктилна-прелазна температура (ДБТТ) чине га веома подложним пуцању током ласерске обраде. Ово је у основи последица изузетно високе брзине хлађења и температурног градијента који доводе до термичког напрезања и слабљења граница зрна. Постојеће методе за сузбијање пуцања укључују предгревање супстрата, легирање наночестица и пулсне ласере, али ове методе имају ограничења као што су деградација праха, промене у саставу или повећана порозност. Последњих година, обликовање ласерског снопа (као што су прстенасти снопови) коришћено је за смањење густине вршне снаге, претварајући заваривање дубоког продирања у топлотно проводљиво заваривање, ефикасно смањујући температурне градијенте и стопе хлађења. Осцилације ласерског снопа могу да промешају растопљени базен, додатно хомогенизују унос топлоте и промовишу равноосно формирање зрна. Обе методе су засноване на термодинамичкој контроли и имају комплементарне механизме. Овај рад предлаже њихово комбиновање да би се постигло поновљиво заваривање-без пукотина чистог волфрама без претходног загревања или модификације. Ефекти облика греде и параметара осциловања на пукотине, растопљени базен и микроструктуру се систематски проучавају, дајући референцу за накнадну производњу адитива.
02
Преглед
Ова студија је систематски упоређивала ефекте три облика ласерског зрака-Гаусовог снопа, расподеле прстенастог језгра (РЦ 80/20) и прстенастог снопа-на понашање пуцања једнопролазних -завара у танким плочама од чистог волфрама под различитим параметрима осциловања. Комбинујући термофизичку симулацију, оптичку микроскопску анализу и ЕБСД карактеризацију, спроведена је анализа више-размера, од макроскопске статистике пукотина и геометрије растопљеног базена до микроскопске структуре зрна. Експериментални резултати показују да Гаусов сноп, због своје претерано велике вршне снаге, лако формира дубоки и уски растопљени базен (однос дубине-према-ширине > 1), што доводи до озбиљног пуцања, са стопом-без пукотина од само 36%. Насупрот томе, прстенасте и РЦ 80/20 греде, смањењем вршне густине снаге, проширују и плиће растопљени базен, значајно смањујући температурни градијент и брзину хлађења. Сама греда РЦ 80/20 може постићи стопу{{19}без пуцања од 80%. Надовезујући се на ову основу, додавање осцилације ласерског снопа додатно је потиснуло пуцање у свим типовима зрака, са односом ширине и висине висине испод 1. Комбинација РЦ 80/20 и осцилације је била најбоља, постижући стопу без пукотина{26}од 91% у 55 скупова параметара. Штавише, то је резултирало формирањем већих равноосних кристала унутар растопљеног базена, што је блиско одговарало симулираном смањењу брзине хлађења до 45%. Коначна статистичка анализа је открила да су облик зрака, снага ласера и брзина скенирања најзначајнији параметри који утичу на настанак пукотине, док фреквенција и амплитуда осциловања нису имале значајан утицај у оквиру овог истраживања. Ово показује да комбинована стратегија обликовања снопа и осциловања може да постигне поновљиво заваривање волфрама-без пукотина без претходног загревања или модификације материјала.
03
Графичка анализа
Подаци у горњем левом углу слике 1 показују да је, под истим пречником тачке (202 μм) и условима процеса, температурни градијент Г греде РЦ 80/20 значајно нижи него код Гаусове греде, док је брзина раста Р нешто већа. Кључ лежи у резултатима израчунавања брзине хлађења у горњем десном углу-брзина хлађења РЦ 80/20 снопа је смањена за приближно 40% у поређењу са Гаусовом гредом са истим пречником тачке, и даље смањена за приближно 45% за прстенасту греду. Симулирани попречни пресек растопљеног базена-у наставку такође визуелно одражава ово: растопљени базен обликоване греде је шири и плићи. Ови подаци директно објашњавају зашто обликовање снопа може ефикасно да смањи пукотине изазване термичким напрезањем-, пружајући снажну подршку за наредне експерименте из термодинамичке перспективе.
Слика 2 одговара Гаусовом снопу. Без осциловања, уздужна пукотина продире кроз цео завар. Међутим, додавањем осцилације, чак и при сличним густинама енергије линија, пукотина потпуно нестаје. Слика 3 одговара греди РЦ 80/20. Без осциловања, пукотина и даље постоји при високим густинама енергије линија. Уз додатак осцилације, пукотина је потпуно елиминисана. Ово у потпуности показује да без обзира на облик греде, осцилација може ефикасно потиснути пукотине. Механизам је да осцилација снопа меша растопљени базен, чинећи унос топлоте уједначенијим. Првобитно уски и дубоки растопљени базен је значајно проширен, а однос дубине-према-ширине пада испод 1. Режим заваривања се мења са заваривања са дубоким продором на заваривање са топлотном проводљивошћу, чиме се ослобађа термички стрес.
Слика 4 квантификује ефекат стратегије обраде на микроструктурном нивоу. Лева страна показује да је просечна величина зрна Гаусовог снопа (93 μм) само 10,2 μм; коришћењем само РЦ 80/20 (202 μм) повећава се на 14,3 μм; а када се РЦ 80/20 комбинује са осцилацијом, зрна се додатно грубљају, што савршено одговара резултату симулације смањења брзине хлађења од 45%. Подаци о размери на десној страни показују да су зрна комбинације обликовања и осциловања ближа равноосним (однос близу 1), док су зрна Гаусовог снопа јасно ступаста (однос већи). Већи удео и већи број равноосних зрна значе да су механичке особине материјала изотропније, а отпорност на ширење прслина јача, што објашњава зашто се пукотине ефикасно потискују на микроструктурном нивоу.
04
Резиме
Ова студија потврђује да комбинована стратегија обликовања ласерског зрака и осциловања може да постигне поновљиво заваривање чистог волфрама-без пукотина без претходног загревања или модификације материјала. Међу тестираним параметрима, РЦ 80/20 сноп прстенастог језгра у комбинацији са осцилацијом дао је најбоље резултате, постигавши стопу{{4}без пукотина од 91%, што је знатно више од 36% Гаусовог снопа. Ова комбинација ефикасно сузбија пукотине тако што смањује вршну густину снаге и меша растопљени базен, трансформише начин заваривања у заваривање{8}}које спроводи топлоту, смањује брзину хлађења до 45% и промовише формирање већих равноосних кристала. Облик зрака, снага ласера и брзина скенирања су кључни параметри који утичу, док фреквенција и амплитуда осциловања имају мали ефекат. Будућа истраживања треба да додатно верификују применљивост ове стратегије у више-слојној, више-ламинацији и стварној ПБФ-ЛБ/М производњи.
