Bénéficiant dupoints de fusion et d'ébullition les plus élevésde tous les éléments connus,tungstèneest devenu un choix populaire pour les applications impliquant des températures extrêmes, notammentfilaments d'ampoule, soudage à l'arc, protection contre les radiationset, plus récemment, commematériau face au plasmadans des réacteurs à fusion comme le Tokamak ITER.

Cependant,la fragilité inhérente du tungstène, et la microfissuration qui se produit lors de la fabrication additive (Impression 3D) avec lemétal rare, a entravé son adoption généralisée.

Pour caractériser comment et pourquoi ces microfissures se forment, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont combiné des simulations thermomécaniques avec des vidéos à grande vitesse prises lors du processus d'impression 3D métallique par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Alors que les recherches précédentes se limitaient à l'examen des fissures après la construction, les scientifiques ont pu pour la première fois visualiser la transition ductile à fragile (DBT) dans le tungstène en temps réel, ce qui leur a permis d'observer comment les microfissures se sont initiées et se sont propagées à mesure que le métal s'est formé. chauffé et refroidi. L’équipe a pu corréler le phénomène de microfissuration avec des variables telles que la contrainte résiduelle, la vitesse de déformation et la température, et confirmer que le DBT était à l’origine de la fissuration.

Les chercheurs ont déclaré que l'étude, récemment publiée dans la revue Acta Materialia et présentée dans le numéro de septembre du prestigieux MRS Bulletin, révèle les mécanismes fondamentaux à l'origine du craquage dansTungstène imprimé en 3Det établit une base de référence pour les efforts futurs visant à produire des pièces sans fissures à partir du métal.

« En raison de ses propriétés uniques,tungstènea joué un rôle important dans les applications spécifiques aux missions du ministère de l’Énergie et du ministère de la Défense », a déclaré le co-chercheur principal Manyalibo « Ibo » Matthews. « Ce travail contribue à ouvrir la voie à un nouveau territoire de transformation de la fabrication additive pourtungstènecela peut avoir un impact significatif sur ces missions.

Grâce à leurs observations expérimentales et à leur modélisation informatique réalisée à l'aide du code d'éléments finis Diablo de LLNL, les chercheurs ont découvert que la microfissuration du tungstène se produit dans une petite fenêtre comprise entre 450 et 650 degrés Kelvin et dépend de la vitesse de déformation, qui est directement influencée par les paramètres du processus. Ils ont également pu corréler la taille de la zone affectée par les fissures et la morphologie du réseau de fissures aux contraintes résiduelles locales.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, auteur principal et co-chercheur principal de l'article, a conçu et réalisé les expériences et a également effectué la plupart de l'analyse des données.

"J'avais émis l'hypothèse qu'il y aurait un retard dans la fissuration du tungstène, mais les résultats ont largement dépassé mes attentes", a déclaré Vrancken. « Le modèle thermomécanique a fourni une explication de toutes nos observations expérimentales, et les deux étaient suffisamment détaillées pour capturer la dépendance du DBT à la vitesse de déformation. Avec cette méthode, nous disposons d’un excellent outil pour déterminer les stratégies les plus efficaces pour éliminer les fissures lors du LPBF du tungstène.

Les chercheurs ont déclaré que les travaux fournissaient une compréhension détaillée et fondamentale de l'influence des paramètres du processus et de la géométrie de la fusion sur la formation de fissures et montraient l'impact de la composition du matériau et du préchauffage sur l'intégrité structurelle des pièces imprimées avec du tungstène. L’équipe a conclu que l’ajout de certains éléments d’alliage pourrait contribuer à réduire la transition DBT et à renforcer le métal, tandis que le préchauffage pourrait contribuer à atténuer les microfissures.

L'équipe utilise les résultats pour évaluer les techniques existantes d'atténuation des fissures, telles que les modifications des processus et des alliages. Les résultats, ainsi que les diagnostics développés pour l'étude, seront cruciaux pour l'objectif ultime du laboratoire : imprimer en 3D des pièces en tungstène sans fissures et capables de résister à des environnements extrêmes, ont déclaré les chercheurs.