Chwalić sięnajwyższe temperatury topnienia i wrzeniawszystkich znanych pierwiastków,wolframstał się popularnym wyborem w zastosowaniach obejmujących ekstremalne temperatury, w tymwłókna żarówki, spawanie łukowe, ekranowanie przed promieniowaniema ostatnio jakomateriał skierowany w stronę plazmyw reaktorach termojądrowych, takich jak ITER Tokamak.

Jednakże,wrodzona kruchość wolframuoraz mikropęknięcia występujące podczas wytwarzania przyrostowego (Druk 3D) zrzadki metal, utrudnia jego powszechne przyjęcie.

Aby scharakteryzować, w jaki sposób i dlaczego powstają te mikropęknięcia, naukowcy z Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) połączyli symulacje termomechaniczne z szybkimi filmami nagranymi podczas procesu drukowania 3D metalu w technologii laserowej syntezy proszkowej (LPBF). Podczas gdy poprzednie badania ograniczały się do badania pęknięć po budowie, naukowcom po raz pierwszy udało się zwizualizować w czasie rzeczywistym przejście od plastycznego do kruchego (DBT) w wolframie, co pozwoliło im obserwować, w jaki sposób mikropęknięcia inicjują się i rozprzestrzeniają w miarę jak metal ogrzewane i chłodzone. Zespołowi udało się powiązać zjawisko mikropęknięć ze zmiennymi, takimi jak naprężenie szczątkowe, szybkość odkształcania i temperatura, i potwierdzić, że pękanie spowodowało DBT.

Naukowcy twierdzą, że badanie, opublikowane niedawno w czasopiśmie Acta Materialia i zaprezentowane we wrześniowym numerze prestiżowego biuletynu MRS, odkrywa podstawowe mechanizmy stojące za pękaniemWolfram wydrukowany w technologii 3Di wyznacza punkt odniesienia dla przyszłych wysiłków na rzecz wyprodukowania części metalowych wolnych od pęknięć.

„Ze względu na swoje unikalne właściwości,wolframodegrał znaczącą rolę w zastosowaniach specyficznych dla misji dla Departamentu Energii i Departamentu Obrony” – powiedział współkierownik badania Manyalibo „Ibo” Matthews. „Ta praca pomaga utorować drogę do nowego obszaru przetwarzania wytwarzania przyrostowegowolframktóre mogą mieć znaczący wpływ na te misje.”

Dzięki obserwacjom eksperymentalnym i modelowaniu obliczeniowemu przeprowadzonemu przy użyciu kodu elementów skończonych Diablo firmy LLNL naukowcy odkryli, że mikropęknięcia w wolframie występują w małym oknie o temperaturze od 450 do 650 stopni Kelvina i zależą od szybkości odkształcania, na którą bezpośrednio wpływają parametry procesu. Udało im się także powiązać wielkość obszaru dotkniętego pęknięciami i morfologię sieci pęknięć z lokalnymi naprężeniami szczątkowymi.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, główna autorka artykułu i współgłówna badaczka, zaprojektowała i przeprowadziła eksperymenty, a także przeprowadziła większość analiz danych.

„Postawiłem hipotezę, że pękanie wolframu będzie opóźnione, ale wyniki znacznie przekroczyły moje oczekiwania” – powiedział Vrancken. „Model termomechaniczny zapewnił wyjaśnienie wszystkich naszych obserwacji eksperymentalnych i oba były wystarczająco szczegółowe, aby uchwycić zależność DBT od szybkości odkształcania. Dzięki tej metodzie mamy doskonałe narzędzie do określania najskuteczniejszych strategii eliminowania pęknięć podczas LPBF wolframu.

Naukowcy stwierdzili, że praca zapewnia szczegółowe, fundamentalne zrozumienie wpływu parametrów procesu i geometrii stopu na powstawanie pęknięć oraz pokazuje wpływ składu materiału i podgrzewania wstępnego na integralność strukturalną części drukowanych przy użyciu wolframu. Zespół doszedł do wniosku, że dodanie niektórych pierwiastków stopowych może pomóc w ograniczeniu przejścia DBT i wzmocnieniu metalu, natomiast podgrzewanie wstępne może pomóc w ograniczeniu mikropęknięć.

Zespół wykorzystuje wyniki do oceny istniejących technik ograniczania pęknięć, takich jak modyfikacje procesów i stopów. Odkrycia, wraz z diagnostyką opracowaną na potrzeby badania, będą miały kluczowe znaczenie dla osiągnięcia ostatecznego celu laboratorium, jakim jest drukowanie 3D pozbawionych pęknięć części wolframowych, które będą odporne na ekstremalne warunki - twierdzą naukowcy.