Forskere ser revnedannelse i 3-D-printet wolfram i realtid

Med de højeste smelte- og kogepunkter af alle kendte grundstoffer, wolfram er blevet et populært valg til applikationer, der involverer ekstreme temperaturer, inklusive glødetråde, buesvejsning, strålingsafskærmning og, for nylig, som plasma-vendt materiale i fusionsreaktorer såsom ITER Tokamak.

Imidlertid, wolframs iboende skørhed, og mikrorevnen, der opstår under additiv fremstilling (3-D-print) med det sjældne metal, har hæmmet dens udbredte adoption.

For at karakterisere hvordan og hvorfor disse mikrorevner dannes, Forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har kombineret termomekaniske simuleringer med højhastighedsvideoer taget under laserpulver-bed fusion (LPBF) metal 3-D printprocessen. Mens tidligere forskning var begrænset til at undersøge revner efter bygning, videnskabsmænd var for første gang i stand til at visualisere overgangen fra duktilt til skørt (DBT) i wolfram i realtid, giver dem mulighed for at observere, hvordan mikrorevner initierede og spredte sig, når metallet blev opvarmet og afkølet. Holdet var i stand til at korrelere mikrocracking-fænomenet med variabler såsom resterende stress, belastningshastighed og temperatur, og bekræfte, at DBT forårsagede revnet.

Forskere sagde, at undersøgelsen, for nylig offentliggjort i tidsskriftet Acta Materialia og omtalt i septemberudgaven af ​​den prestigefyldte MRS Bulletin, afdækker de grundlæggende mekanismer bag revnedannelse i 3-D-printet wolfram og sætter en baseline for fremtidige bestræbelser på at fremstille revnefrie dele fra metallet.

"På grund af dets unikke egenskaber, wolfram har spillet en væsentlig rolle i missionsspecifikke applikationer for Department of Energy og Department of Defense, " sagde co-principal investigator Manyalibo "Ibo" Matthews. "Dette arbejde hjælper med at bane vejen mod et nyt område til behandling af additiv fremstilling af wolfram, som kan have betydelig indflydelse på disse missioner."

Gennem deres eksperimentelle observationer og beregningsmodeller udført ved hjælp af LLNL's Diablo endelige element-kode, forskerne fandt, at mikrorevner i wolfram forekommer i et lille vindue mellem 450 og 650 grader Kelvin og er afhængig af belastningshastigheden, som er direkte påvirket af procesparametre. De var også i stand til at korrelere størrelsen af ​​det revnepåvirkede område og sprækkenetværksmorfologi til lokale resterende spændinger.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, avisens hovedforfatter og co-principal investigator, designet og udførte eksperimenterne og udførte også det meste af dataanalysen.

"Jeg havde en hypotese om, at der ville være en forsinkelse i revnedannelsen for wolfram, men resultaterne oversteg mine forventninger, " sagde Vrancken. "Den termomekaniske model gav en forklaring på alle vores eksperimentelle observationer, og begge var detaljerede nok til at fange spændingshastighedsafhængigheden af ​​DBT. Med denne metode, vi har et fremragende værktøj til at bestemme de mest effektive strategier til at eliminere revner under LPBF af wolfram."

Forskere sagde, at arbejdet giver en detaljeret, grundlæggende forståelse af indflydelsen af ​​procesparametre og smeltegeometri på revnedannelse og viser den indvirkning materialesammensætning og forvarmning har på den strukturelle integritet af dele trykt med wolfram. Holdet konkluderede, at tilføjelse af visse legeringselementer kunne hjælpe med at reducere DBT-overgangen og styrke metallet, mens forvarmning kan hjælpe med at afbøde mikrorevner.

Holdet bruger resultaterne til at evaluere eksisterende revnedæmpende teknikker, såsom proces- og legeringsmodifikationer. Fundene, sammen med diagnostik udviklet til undersøgelsen, vil være afgørende for laboratoriets ultimative mål om 3-D-printning af revnefri wolframdele, der kan modstå ekstreme miljøer, sagde forskere.