Vantando ilpunti di fusione e di ebollizione più elevatidi tutti gli elementi conosciuti,tungstenoè diventata una scelta popolare per applicazioni che comportano temperature estreme, tra cuifilamenti di lampadine, saldatura ad arco, schermatura contro le radiazionie, più recentemente, comemateriale rivolto al plasmanei reattori a fusione come ITER Tokamak.

Tuttavia,fragilità intrinseca del tungstenoe le microfessurazioni che si verificano durante la produzione additiva (Stampa 3D) con ilmetallo raro, ne ha ostacolato l'adozione diffusa.

Per caratterizzare come e perché si formano queste microfessure, gli scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno combinato simulazioni termomeccaniche con video ad alta velocità ripresi durante il processo di stampa 3D dei metalli con fusione laser a letto di polvere (LPBF). Mentre la ricerca precedente si limitava all'esame delle crepe post-costruzione, gli scienziati per la prima volta sono stati in grado di visualizzare la transizione da duttile a fragile (DBT) nel tungsteno in tempo reale, consentendo loro di osservare come le microfessure si sono avviate e si sono diffuse man mano che il metallo riscaldato e raffreddato. Il team è stato in grado di correlare il fenomeno delle microfessurazioni con variabili quali stress residuo, velocità di deformazione e temperatura, e confermare che il DBT ha causato la fessurazione.

I ricercatori hanno affermato che lo studio, recentemente pubblicato sulla rivista Acta Materialia e presentato nel numero di settembre del prestigioso MRS Bulletin, svela i meccanismi fondamentali alla base del crackingTungsteno stampato in 3De stabilisce una linea di base per gli sforzi futuri volti a produrre parti prive di crepe dal metallo.

“A causa delle sue proprietà uniche,tungstenoha svolto un ruolo significativo nelle applicazioni specifiche per le missioni del Dipartimento dell’Energia e del Dipartimento della Difesa”, ha affermato il co-investigatore principale Manyalibo “Ibo” Matthews. “Questo lavoro aiuta ad aprire la strada verso un nuovo territorio di lavorazione della produzione additivatungstenoche può avere un impatto significativo su queste missioni”.

Attraverso le loro osservazioni sperimentali e la modellazione computazionale eseguita utilizzando il codice agli elementi finiti Diablo di LLNL, i ricercatori hanno scoperto che le microfessurazioni nel tungsteno si verificano in una piccola finestra tra 450 e 650 gradi Kelvin e dipendono dalla velocità di deformazione, che è direttamente influenzata dai parametri di processo. Sono stati inoltre in grado di correlare la dimensione dell'area interessata dalla fessura e la morfologia della rete di fessurazioni alle tensioni residue locali.

Il Lawrence Fellow Bey Vrancken, autore principale dell'articolo e co-investigatore principale, ha progettato ed eseguito gli esperimenti e ha anche condotto la maggior parte dell'analisi dei dati.

"Avevo ipotizzato che ci sarebbe stato un ritardo nel cracking del tungsteno, ma i risultati hanno ampiamente superato le mie aspettative", ha detto Vrancken. “Il modello termomeccanico ha fornito una spiegazione per tutte le nostre osservazioni sperimentali ed entrambi erano sufficientemente dettagliati da catturare la dipendenza dalla velocità di deformazione del DBT. Con questo metodo, disponiamo di uno strumento eccellente per determinare le strategie più efficaci per eliminare le fessurazioni durante l’LPBF del tungsteno”.

I ricercatori hanno affermato che il lavoro fornisce una comprensione dettagliata e fondamentale dell’influenza dei parametri di processo e della geometria della fusione sulla formazione di crepe e mostra l’impatto che la composizione del materiale e il preriscaldamento hanno sull’integrità strutturale delle parti stampate con tungsteno. Il team ha concluso che l’aggiunta di alcuni elementi di lega potrebbe contribuire a ridurre la transizione DBT e rafforzare il metallo, mentre il preriscaldamento potrebbe contribuire a mitigare le microfessurazioni.

Il team sta utilizzando i risultati per valutare le tecniche esistenti di mitigazione delle crepe, come le modifiche del processo e della lega. I risultati, insieme alla diagnostica sviluppata per lo studio, saranno cruciali per l’obiettivo finale del laboratorio di stampare in 3D parti di tungsteno prive di crepe che possano resistere ad ambienti estremi, hanno affermato i ricercatori.