Met dehoogste smelt- en kookpuntenvan alle bekende elementen,wolfraamis een populaire keuze geworden voor toepassingen met extreme temperaturen, waarondergloeilamp gloeidraden, booglassen, straling afschermingen, meer recentelijk, alsplasma gericht materiaalin fusiereactoren zoals de ITER Tokamak.

Echter,de inherente broosheid van wolfraam, en de microscheurtjes die optreden tijdens additieve productie (3D-printen) met dezeldzaam metaal, heeft de wijdverbreide adoptie ervan belemmerd.

Om te karakteriseren hoe en waarom deze microscheuren ontstaan, hebben wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) thermomechanische simulaties gecombineerd met hogesnelheidsvideo's gemaakt tijdens het 3D-printproces van laserpoederbedfusie (LPBF). Terwijl eerder onderzoek zich beperkte tot het onderzoeken van scheuren na de bouw, konden wetenschappers voor het eerst de ductiele-naar-brosse overgang (DBT) in wolfraam in realtime visualiseren, waardoor ze konden observeren hoe microscheuren ontstonden en zich verspreidden naarmate het metaal verwarmd en gekoeld. Het team kon het fenomeen microscheuren correleren met variabelen zoals restspanning, reksnelheid en temperatuur, en bevestigen dat de DBT het scheuren veroorzaakte.

Onderzoekers zeggen dat de studie, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Acta Materialia en opgenomen in het septembernummer van het prestigieuze MRS Bulletin, de fundamentele mechanismen blootlegt achter het kraken van3D-geprint wolfraamen vormt een basis voor toekomstige inspanningen om scheurvrije onderdelen uit het metaal te produceren.

“Vanwege zijn unieke eigenschappen,wolfraamheeft een belangrijke rol gespeeld in missiespecifieke toepassingen voor het ministerie van Energie en het ministerie van Defensie”, zegt co-hoofdonderzoeker Manyalibo “Ibo” Matthews. “Dit werk helpt de weg vrij te maken voor een nieuw verwerkingsgebied voor additieve productiewolfraamdie een aanzienlijke impact kunnen hebben op deze missies.”

Door hun experimentele observaties en computationele modellering, uitgevoerd met behulp van de Diablo-eindige-elementencode van LLNL, ontdekten de onderzoekers dat microscheuren in wolfraam plaatsvinden in een klein venster tussen 450 en 650 graden Kelvin en afhankelijk zijn van de reksnelheid, die rechtstreeks wordt beïnvloed door procesparameters. Ze waren ook in staat om de omvang van het door scheuren aangetaste gebied en de morfologie van het scheurnetwerk te correleren met lokale restspanningen.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, hoofdauteur en co-hoofdonderzoeker van het artikel, ontwierp en voerde de experimenten uit en voerde ook het grootste deel van de data-analyse uit.

“Ik had verondersteld dat er vertraging zou optreden bij het kraken van wolfraam, maar de resultaten overtroffen ruimschoots mijn verwachtingen”, aldus Vrancken. “Het thermomechanische model bood een verklaring voor al onze experimentele waarnemingen, en beide waren gedetailleerd genoeg om de reksnelheidsafhankelijkheid van de DBT vast te leggen. Met deze methode beschikken we over een uitstekend hulpmiddel om de meest effectieve strategieën te bepalen om scheurvorming tijdens LPBF van wolfraam te elimineren.”

Onderzoekers zeggen dat het werk een gedetailleerd, fundamenteel inzicht geeft in de invloed van procesparameters en smeltgeometrie op scheurvorming en laat zien welke impact de materiaalsamenstelling en voorverhitting hebben op de structurele integriteit van onderdelen die met wolfraam zijn bedrukt. Het team concludeerde dat het toevoegen van bepaalde legeringselementen de DBT-overgang zou kunnen helpen verminderen en het metaal zou kunnen versterken, terwijl voorverwarmen microscheurtjes zou kunnen helpen verminderen.

Het team gebruikt de resultaten om bestaande technieken voor scheurvermindering te evalueren, zoals proces- en legeringsaanpassingen. De bevindingen, samen met de voor de studie ontwikkelde diagnostiek, zullen cruciaal zijn voor het uiteindelijke doel van het laboratorium: het 3D-printen van scheurvrije wolfraamonderdelen die bestand zijn tegen extreme omgevingen, aldus onderzoekers.