Καυχώνοντας τουψηλότερα σημεία τήξης και βρασμούόλων των γνωστών στοιχείων,βολφράμιοέχει γίνει δημοφιλής επιλογή για εφαρμογές που περιλαμβάνουν ακραίες θερμοκρασίες, συμπεριλαμβανομένωννήματα λαμπτήρα, συγκόλληση τόξου, θωράκιση ακτινοβολίαςκαι, πιο πρόσφατα, ωςυλικό που βλέπει στο πλάσμασε αντιδραστήρες σύντηξης όπως ο ITER Tokamak.

Ωστόσο,εγγενής ευθραυστότητα του βολφραμίουκαι η μικρορωγμή που συμβαίνει κατά την πρόσθετη παραγωγή (3-D εκτύπωση) με τοσπάνιο μέταλλο, έχει εμποδίσει την ευρεία υιοθέτησή του.

Για να χαρακτηρίσουν πώς και γιατί δημιουργούνται αυτές οι μικρορωγμές, οι επιστήμονες του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Livermore (LLNL) συνδύασαν θερμομηχανικές προσομοιώσεις με βίντεο υψηλής ταχύτητας που τραβήχτηκαν κατά τη διαδικασία τρισδιάστατης εκτύπωσης μετάλλων με λέιζερ πούδρας-κρεβάτι σύντηξης (LPBF). Ενώ η προηγούμενη έρευνα περιοριζόταν στην εξέταση ρωγμών μετά την κατασκευή, οι επιστήμονες για πρώτη φορά μπόρεσαν να οπτικοποιήσουν τη μετάβαση από όλκιμο σε εύθραυστο (DBT) στο βολφράμιο σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντάς τους να παρατηρήσουν πώς οι μικρορωγμές ξεκίνησαν και εξαπλώθηκαν ως μέταλλο θερμαίνεται και ψύχεται. Η ομάδα μπόρεσε να συσχετίσει το φαινόμενο της μικρορωγμής με μεταβλητές όπως η υπολειπόμενη τάση, ο ρυθμός παραμόρφωσης και η θερμοκρασία και να επιβεβαιώσει ότι το DBT προκάλεσε τη ρωγμή.

Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η μελέτη, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Acta Materialia και παρουσιάστηκε στο τεύχος Σεπτεμβρίου του διάσημου Δελτίου MRS, αποκαλύπτει τους θεμελιώδεις μηχανισμούς πίσω από το σπάσιμο στοΤρισδιάστατη εκτύπωση βολφραμίουκαι θέτει μια βάση για μελλοντικές προσπάθειες παραγωγής εξαρτημάτων χωρίς ρωγμές από το μέταλλο.

«Λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων του,βολφράμιοέχει διαδραματίσει σημαντικό ρόλο σε εφαρμογές για συγκεκριμένες αποστολές για το Υπουργείο Ενέργειας και το Υπουργείο Άμυνας», δήλωσε ο συν-κύριος ερευνητής Manyalibo «Ibo» Matthews. «Αυτή η εργασία βοηθά στο να ανοίξει ο δρόμος για νέα περιοχή επεξεργασίας παραγωγής πρόσθετωνβολφράμιοπου μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο σε αυτές τις αποστολές».

Μέσω των πειραματικών τους παρατηρήσεων και της υπολογιστικής μοντελοποίησης που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιώντας τον κώδικα πεπερασμένων στοιχείων Diablo του LLNL, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η μικρορωγμή στο βολφράμιο εμφανίζεται σε ένα μικρό παράθυρο μεταξύ 450 και 650 βαθμών Kelvin και εξαρτάται από τον ρυθμό καταπόνησης, ο οποίος επηρεάζεται άμεσα από τις παραμέτρους της διαδικασίας. Κατάφεραν επίσης να συσχετίσουν το μέγεθος της περιοχής που επηρεάστηκε από τη ρωγμή και τη μορφολογία του δικτύου ρωγμών με τις τοπικές υπολειμματικές τάσεις.

Ο Lawrence Fellow Bey Vrancken, ο κύριος συγγραφέας της εργασίας και συν-κύριος ερευνητής, σχεδίασε και πραγματοποίησε τα πειράματα και διεξήγαγε επίσης το μεγαλύτερο μέρος της ανάλυσης δεδομένων.

«Είχα υποθέσει ότι θα υπήρχε καθυστέρηση στο ράγισμα για το βολφράμιο, αλλά τα αποτελέσματα ξεπέρασαν κατά πολύ τις προσδοκίες μου», είπε ο Vrancken. «Το θερμομηχανικό μοντέλο παρείχε μια εξήγηση για όλες τις πειραματικές παρατηρήσεις μας και και οι δύο ήταν αρκετά λεπτομερείς για να καταγράψουν την εξάρτηση του ρυθμού καταπόνησης του DBT. Με αυτή τη μέθοδο, έχουμε ένα εξαιρετικό εργαλείο για να καθορίσουμε τις πιο αποτελεσματικές στρατηγικές για την εξάλειψη της ρωγμής κατά τη διάρκεια της LPBF του βολφραμίου.

Οι ερευνητές είπαν ότι η εργασία παρέχει μια λεπτομερή, θεμελιώδη κατανόηση της επίδρασης των παραμέτρων διεργασίας και της γεωμετρίας του τήγματος στον σχηματισμό ρωγμών και δείχνει την πρόσκρουση της σύνθεσης του υλικού και της προθέρμανσης στη δομική ακεραιότητα των εξαρτημάτων που τυπώνονται με βολφράμιο. Η ομάδα κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η προσθήκη ορισμένων στοιχείων κράματος θα μπορούσε να βοηθήσει στη μείωση της μετάβασης του DBT και στην ενίσχυση του μετάλλου, ενώ η προθέρμανση θα μπορούσε να βοηθήσει στον μετριασμό των μικρορωγμών.

Η ομάδα χρησιμοποιεί τα αποτελέσματα για να αξιολογήσει τις υπάρχουσες τεχνικές μετριασμού των ρωγμών, όπως οι τροποποιήσεις διεργασιών και κραμάτων. Τα ευρήματα, μαζί με τα διαγνωστικά που αναπτύχθηκαν για τη μελέτη, θα είναι ζωτικής σημασίας για τον τελικό στόχο του Εργαστηρίου για τρισδιάστατη εκτύπωση εξαρτημάτων βολφραμίου χωρίς ρωγμές που μπορούν να αντέξουν σε ακραία περιβάλλοντα, είπαν οι ερευνητές.