01
Abstraktní
Wolfram je díky svému vysokému bodu tání, dobré tepelné vodivosti a nízké retenci vodíku ideálním materiálem pro plazmově -orientované součásti v jaderných fúzních reaktorech. Nicméně jeho vnitřní křehkost a vysoká tvárná -teplota křehkého přechodu (DBTT) jej činí vysoce náchylným k praskání během laserového zpracování. To je zásadně způsobeno extrémně vysokou rychlostí ochlazování a teplotním gradientem vedoucím k tepelnému namáhání a zeslabování hranic zrn. Existující metody pro potlačení praskání zahrnují předehřívání substrátu, legování nanočástic a pulzní lasery, ale tyto metody mají omezení, jako je degradace prášku, změny složení nebo zvýšená poréznost. V posledních letech se ke snížení špičkové hustoty výkonu používá tvarování laserového paprsku (jako jsou prstencové paprsky), čímž se svařování s hlubokým průvarem transformuje na tepelně vodivé svařování, čímž se účinně snižují teplotní gradienty a rychlosti ochlazování. Oscilace laserového paprsku může míchat roztavenou lázeň, dále homogenizovat přívod tepla a podporovat tvorbu rovnoosého zrna. Obě metody jsou založeny na termodynamické regulaci a mají komplementární mechanismy. Tento článek navrhuje jejich kombinaci za účelem dosažení opakovatelného svařování čistého wolframu-bez prasklin bez předehřívání nebo úpravy. Systematicky jsou studovány účinky tvaru paprsku a parametrů oscilace na trhliny, roztavenou lázeň a mikrostrukturu, což poskytuje reference pro následnou aditivní výrobu.
02
Přehled
Tato studie systematicky porovnávala účinky tří tvarů laserového paprsku-Gaussova paprsku, rozložení prstencového jádra (RC 80/20) a prstencového paprsku-na chování při praskání u jednoprůchodových svarů-v čistých wolframových tenkých deskách za různých parametrů oscilace. Kombinací termofyzikální simulace, optické mikroskopické analýzy a charakterizace EBSD byla provedena analýza ve více měřítcích, od makroskopické statistiky trhlin a geometrie roztavené lázně až po mikroskopickou strukturu zrn. Experimentální výsledky ukazují, že Gaussův paprsek díky svému příliš vysokému špičkovému výkonu snadno vytvoří hlubokou a úzkou roztavenou lázeň (poměr hloubky-k-šířce > 1), což vede k vážnému popraskání s mírou-bez trhlin pouze 36 %. Naproti tomu prstencové a RC 80/20 paprsky snížením špičkové hustoty výkonu rozšiřují a mělčí tavnou lázeň, čímž výrazně snižují teplotní gradient a rychlost ochlazování. Samotný paprsek RC 80/20 může dosáhnout míry bez trhlin-80 %. Na základě tohoto základu přidání oscilace laserového paprsku dále potlačilo praskání u všech typů paprsků, přičemž poměr stran obecně klesal pod 1. Kombinace RC 80/20 a oscilace fungovala nejlépe a dosáhla 91% míry bez trhlin-u 55 sad parametrů. Kromě toho to vedlo k vytvoření větších rovnoosých krystalů v roztavené lázni, což těsně odpovídá simulovanému snížení rychlosti chlazení až o 45 %. Závěrečná statistická analýza odhalila, že tvar paprsku, výkon laseru a rychlost skenování byly nejvýznamnější parametry ovlivňující iniciaci trhliny, zatímco frekvence a amplituda oscilací neměly v rámci této studie významný vliv. To demonstruje, že kombinovaná strategie tvarování paprsku a oscilace může dosáhnout opakovatelného svařování wolframu bez prasklin- bez předehřívání nebo úpravy materiálu.
03
Grafická analýza
Údaje v levém horním rohu obrázku 1 ukazují, že při stejném průměru skvrny (202 μm) a podmínkách procesu je teplotní gradient G paprsku RC 80/20 výrazně nižší než u gaussovského paprsku, zatímco rychlost růstu R je o něco vyšší. Klíč spočívá ve výsledcích výpočtu rychlosti ochlazování v pravém horním rohu-rychlost ochlazování paprsku RC 80/20 je snížena přibližně o 40 % ve srovnání s Gaussovým paprskem se stejným průměrem bodu a dále snížena přibližně o 45 % u prstencového paprsku. Simulovaný průřez-taveniny níže to také vizuálně odráží: roztavená lázeň tvarovaného paprsku je širší a mělčí. Tato data přímo vysvětlují, proč tvarování paprsků může účinně redukovat trhliny-způsobené tepelným napětím a poskytuje silnou podporu pro následné experimenty z termodynamické perspektivy.
Obrázek 2 odpovídá Gaussovu svazku. Bez kmitání proniká podélná trhlina celým svarem. S přidáním kmitání však i při podobných hustotách energie čáry prasklina zcela zmizí. Obrázek 3 odpovídá nosníku RC 80/20. Bez oscilace trhlina stále existuje při vysokých hustotách energie vedení. S přidáním oscilace je trhlina zcela eliminována. To plně demonstruje, že bez ohledu na tvar nosníku může oscilace účinně potlačit trhliny. Mechanismus spočívá v tom, že oscilace paprsku rozvíří roztavenou lázeň, čímž se tepelný přísun rovnoměrnější. Původně úzká a hluboká roztavená lázeň je výrazně rozšířena a poměr hloubka-k-šířce klesne pod 1. Režim svařování se změní ze svařování s hlubokým průvarem na svařování tepelným vedením, čímž se uvolní tepelné napětí.
Obrázek 4 kvantifikuje účinek strategie zpracování na mikrostrukturální úrovni. Levá strana ukazuje, že průměrná velikost zrna Gaussova svazku (93 μm) je pouze 10,2 μm; použitím samotného RC 80/20 (202 μm) se zvýší na 14,3 μm; a když je RC 80/20 kombinován s oscilací, zrna dále hrubnou, což dokonale odpovídá výsledku simulace 45% snížení rychlosti chlazení. Údaje o poměru stran vpravo ukazují, že zrna kombinace tvarování a oscilace jsou blíže rovnoosým (poměr blízký 1), zatímco zrna Gaussova svazku jsou jasně sloupcová (poměr větší). Vyšší podíl a větší počet rovnoosých zrn znamenají, že mechanické vlastnosti materiálu jsou izotropnější a jeho odolnost proti šíření trhlin je silnější, což vysvětluje, proč jsou trhliny účinně potlačeny na mikrostrukturální úrovni.
04
Shrnutí
Tato studie potvrzuje, že kombinovanou strategií tvarování laserového paprsku a oscilací lze dosáhnout opakovatelného svařování čistého wolframu bez prasklin- bez předehřívání nebo úpravy materiálu. Mezi testovanými parametry vykazoval prstencový jádrový paprsek RC 80/20 kombinovaný s oscilací nejlepší výsledky a dosáhl míry bez trhlin- 91 %, což je výrazně vyšší hodnota než u 36 % Gaussova paprsku. Tato kombinace účinně potlačuje praskliny snížením špičkové hustoty výkonu a mícháním roztavené lázně, přeměnou svařovacího režimu na teplo{8}}vodivé svařování, snížením rychlosti ochlazování až o 45 % a podporou tvorby větších rovnoosých krystalů. Tvar paprsku, výkon laseru a rychlost skenování jsou klíčové ovlivňující parametry, zatímco frekvence a amplituda oscilací mají malý vliv. Budoucí výzkum musí dále ověřit použitelnost této strategie ve více-vrstvé, více{13}}průchodové laminaci a ve skutečné výrobě PBF-LB/M.
