Prahlt mit demhöchste Schmelz- und Siedepunktealler bekannten Elemente,Wolframist zu einer beliebten Wahl für Anwendungen mit extremen Temperaturen geworden, einschließlichGlühbirnenfäden, Lichtbogenschweißen, Strahlenschutzund in jüngerer Zeit alsplasmabeschichtetes Materialin Fusionsreaktoren wie dem ITER Tokamak.

Jedoch,Wolframs inhärente Sprödigkeitund die Mikrorisse, die bei der additiven Fertigung auftreten (3D-Druck) mit demseltenes Metallhat seine weitverbreitete Einführung behindert.

Um zu charakterisieren, wie und warum sich diese Mikrorisse bilden, haben Wissenschaftler des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) thermomechanische Simulationen mit Hochgeschwindigkeitsvideos kombiniert, die während des 3D-Metalldruckprozesses Laser Powder Bed Fusion (LPBF) aufgenommen wurden. Während sich frühere Forschungen auf die Untersuchung von Rissen nach der Bildung beschränkten, konnten Wissenschaftler erstmals den Übergang von duktil zu spröde (DBT) in Wolfram in Echtzeit visualisieren und so beobachten, wie Mikrorisse entstehen und sich im Laufe des Metalls ausbreiten erhitzt und abgekühlt. Das Team konnte das Mikrorissphänomen mit Variablen wie Restspannung, Dehnungsrate und Temperatur korrelieren und bestätigen, dass das DBT die Rissbildung verursacht hat.

Forscher sagten, dass die Studie, die kürzlich in der Zeitschrift Acta Materialia veröffentlicht und in der Septemberausgabe des renommierten MRS Bulletin vorgestellt wurde, die grundlegenden Mechanismen hinter dem Einbruch aufdeckt3-D-gedrucktes Wolframund legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, rissfreie Teile aus dem Metall herzustellen.

„Aufgrund seiner einzigartigen EigenschaftenWolframhat eine bedeutende Rolle bei missionsspezifischen Anwendungen für das Energieministerium und das Verteidigungsministerium gespielt“, sagte Co-Hauptforscher Manyalibo „Ibo“ Matthews. „Diese Arbeit trägt dazu bei, den Weg für ein neues Gebiet der additiven Fertigungsverarbeitung zu ebnenWolframDas kann erhebliche Auswirkungen auf diese Missionen haben.“

Durch ihre experimentellen Beobachtungen und rechnerischen Modellierungen, die mit dem Finite-Elemente-Code Diablo des LLNL durchgeführt wurden, fanden die Forscher heraus, dass Mikrorisse in Wolfram in einem kleinen Fenster zwischen 450 und 650 Kelvin auftreten und von der Dehnungsrate abhängig sind, die direkt von den Prozessparametern beeinflusst wird. Sie konnten auch die Größe des von Rissen betroffenen Bereichs und die Morphologie des Rissnetzwerks mit lokalen Eigenspannungen in Beziehung setzen.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, der Hauptautor des Artikels und Co-Hauptforscher, hat die Experimente entworfen und durchgeführt und auch den Großteil der Datenanalyse durchgeführt.

„Ich hatte angenommen, dass es bei Wolfram zu einer Verzögerung bei der Crackung kommen würde, aber die Ergebnisse übertrafen meine Erwartungen bei weitem“, sagte Vrancken. „Das thermomechanische Modell lieferte eine Erklärung für alle unsere experimentellen Beobachtungen, und beide waren detailliert genug, um die Abhängigkeit der DBT von der Dehnungsrate zu erfassen. Mit dieser Methode verfügen wir über ein hervorragendes Werkzeug, um die effektivsten Strategien zur Vermeidung von Rissen während der LPBF von Wolfram zu ermitteln.“

Die Forscher sagten, die Arbeit biete ein detailliertes, grundlegendes Verständnis des Einflusses von Prozessparametern und Schmelzgeometrie auf die Rissbildung und zeige, welchen Einfluss Materialzusammensetzung und Vorwärmung auf die strukturelle Integrität von mit Wolfram gedruckten Teilen haben. Das Team kam zu dem Schluss, dass die Zugabe bestimmter Legierungselemente dazu beitragen könnte, den DBT-Übergang zu reduzieren und das Metall zu stärken, während das Vorwärmen dazu beitragen könnte, Mikrorisse zu mildern.

Das Team nutzt die Ergebnisse, um bestehende Techniken zur Rissminderung zu bewerten, wie etwa Prozess- und Legierungsmodifikationen. Die Ergebnisse werden zusammen mit der für die Studie entwickelten Diagnostik von entscheidender Bedeutung für das ultimative Ziel des Labors sein, rissfreie Wolframteile in 3D zu drucken, die extremen Umgebungen standhalten können, sagten die Forscher.