01
Abstrak
Tungsten, disebabkan takat leburnya yang tinggi, kekonduksian terma yang baik dan pengekalan hidrogen yang rendah, merupakan bahan yang sesuai untuk komponen berorientasikan plasma-dalam reaktor pelakuran nuklear. Walau bagaimanapun, kerapuhan intrinsiknya dan -mulur tinggi suhu peralihan rapuh (DBTT) menjadikannya sangat terdedah kepada keretakan semasa pemprosesan laser. Ini pada asasnya disebabkan oleh kadar penyejukan yang sangat tinggi dan kecerunan suhu yang membawa kepada tegasan haba dan kelemahan sempadan bijian. Kaedah sedia ada untuk menyekat keretakan termasuk pemanasan awal substrat, pengaloian nanopartikel, dan laser berdenyut, tetapi kaedah ini mempunyai had seperti degradasi serbuk, perubahan komposisi atau peningkatan keliangan. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pembentukan pancaran laser (seperti pancaran cincin) telah digunakan untuk mengurangkan ketumpatan kuasa puncak, mengubah kimpalan penembusan dalam kepada kimpalan konduktif terma, mengurangkan kecerunan suhu dan kadar penyejukan dengan berkesan. Ayunan pancaran laser boleh mengacaukan kolam lebur, menyeragamkan lagi input haba, dan menggalakkan pembentukan butiran sama. Kedua-dua kaedah adalah berdasarkan kawalan termodinamik dan mempunyai mekanisme pelengkap. Kertas kerja ini mencadangkan untuk menggabungkannya untuk mencapai-kimpalan bebas retakan tungsten tulen tanpa pemanasan atau pengubahsuaian. Kesan bentuk rasuk dan parameter ayunan pada retak, kolam lebur, dan struktur mikro dikaji secara sistematik, memberikan rujukan untuk pembuatan aditif berikutnya.
02
Gambaran keseluruhan
Kajian ini secara sistematik membandingkan kesan tiga bentuk pancaran laser-Rasuk Gaussian, taburan teras gelang (RC 80/20) dan rasuk anulus-ke atas gelagat keretakan kimpalan-tunggal pas dalam plat nipis tungsten tulen di bawah parameter ayunan yang berbeza. Menggabungkan simulasi termofizik, analisis mikroskop optik dan pencirian EBSD, analisis berbilang-skala telah dijalankan, daripada statistik retak makroskopik dan geometri kolam lebur kepada struktur butiran mikroskopik. Keputusan percubaan menunjukkan bahawa rasuk Gaussian, disebabkan kuasa puncaknya yang terlalu tinggi, mudah membentuk kolam cair yang dalam dan sempit (kedalaman-hingga-nisbah lebar > 1), yang membawa kepada keretakan yang teruk, dengan kadar bebas retak-hanya 36%. Sebaliknya, rasuk anulus dan RC 80/20, dengan mengurangkan ketumpatan kuasa puncak, melebarkan dan mencetekkan kolam lebur, dengan ketara mengurangkan kecerunan suhu dan kadar penyejukan. Rasuk RC 80/20 sahaja boleh mencapai{19}}kadar bebas retak sebanyak 80%. Berdasarkan asas ini, penambahan ayunan pancaran laser terus menekan keretakan dalam semua jenis rasuk, dengan nisbah bidang secara amnya menurun di bawah 1. Gabungan RC 80/20 dan ayunan menunjukkan prestasi terbaik, mencapai kadar bebas retakan-91% merentas 55 set parameter. Tambahan pula, ia menghasilkan pembentukan kristal equiaxed yang lebih besar dalam kolam lebur, hampir sepadan dengan pengurangan kadar penyejukan simulasi sehingga 45%. Analisis statistik akhir mendedahkan bahawa bentuk rasuk, kuasa laser, dan kelajuan pengimbasan adalah parameter paling ketara yang mempengaruhi permulaan retak, manakala kekerapan ayunan dan amplitud tidak mempunyai kesan ketara dalam skop kajian ini. Ini menunjukkan bahawa strategi gabungan pembentukan rasuk dan ayunan boleh mencapai{32}}kimpalan bebas retak berulang tungsten tanpa pemanasan awal atau pengubahsuaian bahan.
03
Analisis Grafik
Data di sudut kiri atas Rajah 1 menunjukkan bahawa, di bawah diameter titik yang sama (202 μm) dan keadaan proses, kecerunan suhu G rasuk RC 80/20 adalah jauh lebih rendah daripada rasuk Gaussian, manakala kadar pertumbuhan R adalah lebih tinggi sedikit. Kuncinya terletak pada hasil pengiraan kadar penyejukan di penjuru kanan sebelah atas-kadar penyejukan rasuk RC 80/20 dikurangkan kira-kira 40% berbanding rasuk Gaussian dengan diameter titik yang sama, dan dikurangkan lagi sebanyak kira-kira 45% untuk rasuk anulus. Bahagian rentas kolam cair simulasi-di bawah juga menggambarkan perkara ini secara visual: kolam lebur rasuk berbentuk lebih lebar dan cetek. Data ini secara langsung menerangkan sebab pembentukan rasuk boleh mengurangkan tegasan terma{13}}rekahan yang disebabkan, memberikan sokongan kuat untuk percubaan seterusnya dari perspektif termodinamik.
Rajah 2 sepadan dengan rasuk Gaussian. Tanpa ayunan, retakan membujur menembusi keseluruhan kimpalan. Walau bagaimanapun, dengan penambahan ayunan, walaupun pada ketumpatan tenaga talian yang sama, retak hilang sepenuhnya. Rajah 3 sepadan dengan rasuk RC 80/20. Tanpa ayunan, retakan masih wujud pada ketumpatan tenaga talian tinggi. Dengan penambahan ayunan, retakan itu dihapuskan sepenuhnya. Ini menunjukkan sepenuhnya bahawa tanpa mengira bentuk rasuk, ayunan boleh menekan keretakan dengan berkesan. Mekanismenya ialah ayunan rasuk mengacau kolam lebur, menjadikan input haba lebih seragam. Kolam cair yang pada asalnya sempit dan dalam diluaskan dengan ketara, dan nisbah kedalaman-ke-lebar turun di bawah 1. Mod kimpalan berubah daripada kimpalan penembusan dalam kepada kimpalan pengaliran haba, dengan itu melepaskan tegasan terma.
Rajah 4 mengukur kesan strategi pemprosesan pada peringkat mikrostruktur. Bahagian kiri menunjukkan bahawa saiz butiran purata rasuk Gaussian (93 μm) hanya 10.2 μm; menggunakan RC 80/20 sahaja (202 μm) meningkatkannya kepada 14.3 μm; dan apabila RC 80/20 digabungkan dengan ayunan, butiran menjadi lebih kasar, yang sepadan dengan sempurna dengan hasil simulasi pengurangan 45% dalam kadar penyejukan. Data nisbah aspek di sebelah kanan menunjukkan bahawa butiran gabungan membentuk dan ayunan lebih hampir kepada equiaxed (nisbah menghampiri 1), manakala butiran rasuk Gaussian jelas berbentuk kolumnar (nisbah lebih besar). Perkadaran yang lebih tinggi dan bilangan butir equiaxed yang lebih banyak bermakna sifat mekanikal bahan adalah lebih isotropik, dan rintangannya terhadap perambatan retak adalah lebih kuat, sekali gus menjelaskan mengapa retakan ditekan dengan berkesan pada tahap mikrostruktur.
04
Ringkasan
Kajian ini mengesahkan bahawa strategi gabungan pembentukan dan ayunan pancaran laser boleh mencapai{0}}kimpalan bebas retak berulang bagi tungsten tulen tanpa pemanasan awal atau pengubahsuaian bahan. Antara parameter yang diuji, rasuk teras gelang RC 80/20 digabungkan dengan ayunan menghasilkan hasil terbaik, mencapai-kadar bebas retak sebanyak 91%, jauh lebih tinggi daripada 36% rasuk Gaussian. Gabungan ini berkesan menyekat keretakan dengan mengurangkan ketumpatan kuasa puncak dan mengacau kolam lebur, menukar mod kimpalan kepada haba-menjalankan kimpalan, mengurangkan kadar penyejukan sehingga 45% dan menggalakkan pembentukan kristal sama yang lebih besar. Bentuk rasuk, kuasa laser dan kelajuan pengimbasan adalah parameter utama yang mempengaruhi, manakala kekerapan ayunan dan amplitud mempunyai sedikit kesan. Penyelidikan masa depan perlu mengesahkan lagi kebolehgunaan strategi ini dalam pelbagai-lapisan, berbilang-laminasi dan dalam pembuatan PBF-LB/M sebenar.
