Обладаясамые высокие температуры плавления и кипенияиз всех известных элементов,вольфрамстал популярным выбором для применений, связанных с экстремальными температурами, в том численити лампочки, дуговая сварка, радиационная защитаи, в последнее время, какплазменный материалв термоядерных реакторах, таких как токамак ИТЭР.

Однако,присущая вольфраму хрупкостьи микротрещины, возникающие при аддитивном производстве (3-D печать) средкий металл, препятствовало его широкому распространению.

Чтобы охарактеризовать, как и почему образуются эти микротрещины, ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) объединили термомеханическое моделирование с высокоскоростными видеороликами, снятыми в процессе 3D-печати металла методом лазерного плавления порошка (LPBF). В то время как предыдущие исследования ограничивались изучением трещин после сборки, ученые впервые смогли визуализировать переход от пластичного к хрупкому состоянию (DBT) вольфрама в режиме реального времени, что позволило им наблюдать, как микротрещины возникают и распространяются по мере разрушения металла. нагревается и охлаждается. Команда смогла связать явление микротрещин с такими переменными, как остаточное напряжение, скорость деформации и температура, и подтвердить, что DBT вызвал растрескивание.

Исследователи заявили, что исследование, недавно опубликованное в журнале Acta Materialia и представленное в сентябрьском выпуске престижного бюллетеня MRS, раскрывает фундаментальные механизмы взломавольфрам, напечатанный на 3D-принтереи устанавливает основу для будущих усилий по производству деталей из металла без трещин.

«Благодаря своим уникальным свойствам,вольфрамсыграл значительную роль в разработке конкретных заявок для Министерства энергетики и Министерства обороны», — сказал соруководитель следователя Маньялибо «Ибо» Мэтьюз. «Эта работа помогает проложить путь к новой территории обработки аддитивного производства длявольфрамэто может оказать существенное влияние на эти миссии».

Благодаря экспериментальным наблюдениям и компьютерному моделированию, выполненному с использованием конечно-элементного кода Diablo компании LLNL, исследователи обнаружили, что микротрещины вольфрама происходят в небольшом интервале между 450 и 650 градусами Кельвина и зависят от скорости деформации, на которую напрямую влияют параметры процесса. Они также смогли соотнести размер зоны, пораженной трещиной, и морфологию сети трещин с местными остаточными напряжениями.

Сотрудник Лоуренса Бей Вранкен, ведущий автор статьи и соруководитель исследования, разработал и провел эксперименты, а также провел большую часть анализа данных.

«Я предполагал, что крекинг вольфрама произойдет с задержкой, но результаты значительно превзошли мои ожидания», — сказал Вранкен. «Термомеханическая модель дала объяснение всем нашим экспериментальным наблюдениям, и обе они были достаточно подробными, чтобы уловить зависимость DBT от скорости деформации. Благодаря этому методу у нас есть отличный инструмент для определения наиболее эффективных стратегий предотвращения растрескивания вольфрама во время LPBF».

Исследователи заявили, что работа дает детальное, фундаментальное понимание влияния параметров процесса и геометрии расплава на образование трещин, а также показывает влияние состава материала и предварительного нагрева на структурную целостность деталей, напечатанных вольфрамом. Команда пришла к выводу, что добавление определенных легирующих элементов может помочь уменьшить переход DBT и укрепить металл, а предварительный нагрев может помочь уменьшить микротрещины.

Команда использует результаты для оценки существующих методов борьбы с трещинами, таких как модификации процессов и сплавов. По словам исследователей, полученные результаты, а также диагностические данные, разработанные для исследования, будут иметь решающее значение для достижения конечной цели лаборатории — 3D-печати вольфрамовых деталей без трещин, способных выдерживать экстремальные условия.