Skryta medhögsta smält- och kokpunkterav alla kända element,volframhar blivit ett populärt val för applikationer som involverar extrema temperaturer, inklusiveglödlampa glödtrådar, bågsvetsning, strålningsskärmningoch på senare tid sommaterial som vänder mot plasmai fusionsreaktorer som ITER Tokamak.

Dock,volframs inneboende sprödhetoch mikrosprickbildningen som uppstår vid additiv tillverkning (3D-utskrift) medsällsynt metall, har hindrat dess utbredda antagande.

För att karakterisera hur och varför dessa mikrosprickor bildas, har Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare kombinerat termomekaniska simuleringar med höghastighetsvideor tagna under laserpulverbäddfusion (LPBF) metall 3-D-utskrift. Medan tidigare forskning var begränsad till att undersöka sprickor efter byggandet, kunde forskare för första gången visualisera den sega-till-spröda övergången (DBT) i volfram i realtid, vilket gjorde det möjligt för dem att observera hur mikrosprickor initierades och spred sig som metallen uppvärmd och kyld. Teamet kunde korrelera mikrosprickningsfenomenet med variabler som restspänning, töjningshastighet och temperatur, och bekräfta att DBT orsakade sprickbildningen.

Forskare sa att studien, som nyligen publicerades i tidskriften Acta Materialia och presenterades i septembernumret av den prestigefyllda MRS Bulletin, avslöjar de grundläggande mekanismerna bakom sprickbildning i3-D-tryckt volframoch sätter en baslinje för framtida ansträngningar att producera sprickfria delar från metallen.

"På grund av dess unika egenskaper,volframhar spelat en betydande roll i uppdragsspecifika ansökningar för departementet för energi och försvarsdepartementet, säger co-huvudutredaren Manyalibo "Ibo" Matthews. "Detta arbete hjälper till att bana väg mot ett nytt område för bearbetning av additiv tillverkningvolframsom kan ha betydande inverkan på dessa uppdrag.”

Genom sina experimentella observationer och beräkningsmodeller utförda med hjälp av LLNL:s Diablo finita element-kod, fann forskarna att mikrosprickning i volfram sker i ett litet fönster mellan 450 och 650 grader Kelvin och är beroende av töjningshastigheten, som direkt påverkas av processparametrar. De kunde också korrelera storleken på det sprickpåverkade området och spricknätets morfologi till lokala kvarvarande spänningar.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, tidningens huvudförfattare och medansvarig utredare, designade och utförde experimenten och genomförde också det mesta av dataanalysen.

"Jag hade en hypotes om att det skulle bli en fördröjning i sprickbildningen för volfram, men resultaten överträffade avsevärt mina förväntningar," sa Vrancken. "Den termomekaniska modellen gav en förklaring till alla våra experimentella observationer, och båda var tillräckligt detaljerade för att fånga töjningshastighetens beroende av DBT. Med denna metod har vi ett utmärkt verktyg för att bestämma de mest effektiva strategierna för att eliminera sprickbildning under LPBF av volfram."

Forskare sa att arbetet ger en detaljerad, grundläggande förståelse för inverkan av processparametrar och smältgeometri på sprickbildning och visar vilken påverkan materialsammansättning och förvärmning har på den strukturella integriteten hos delar tryckta med volfram. Teamet drog slutsatsen att tillsats av vissa legeringselement kan hjälpa till att minska DBT-övergången och stärka metallen, medan förvärmning kan hjälpa till att mildra mikrosprickbildning.

Teamet använder resultaten för att utvärdera befintliga sprickreducerande tekniker, såsom process- och legeringsmodifieringar. Fynden, tillsammans med diagnostiken som utvecklats för studien, kommer att vara avgörande för laboratoriets slutmål att 3-D-utskrift av sprickfria volframdelar som tål extrema miljöer, sa forskare.