01
Astratto
Il tungsteno, grazie al suo elevato punto di fusione, alla buona conduttività termica e alla bassa ritenzione di idrogeno, è un materiale ideale per componenti orientati al plasma-nei reattori a fusione nucleare. Tuttavia, la sua fragilità intrinseca e l'elevata duttilità-temperatura di transizione fragile (DBTT) lo rendono altamente suscettibile alle fessurazioni durante la lavorazione laser. Ciò è fondamentalmente dovuto alla velocità di raffreddamento estremamente elevata e al gradiente di temperatura che portano allo stress termico e all’indebolimento dei bordi dei grani. I metodi esistenti per sopprimere le fessurazioni includono il preriscaldamento del substrato, la lega di nanoparticelle e i laser pulsati, ma questi metodi presentano limitazioni come la degradazione della polvere, i cambiamenti di composizione o l'aumento della porosità. Negli ultimi anni, la modellatura del raggio laser (come i raggi anulari) è stata utilizzata per ridurre la densità di potenza di picco, trasformando la saldatura a penetrazione profonda in saldatura termicamente conduttiva, riducendo efficacemente i gradienti di temperatura e le velocità di raffreddamento. L'oscillazione del raggio laser può agitare la pozza fusa, omogeneizzare ulteriormente l'apporto di calore e promuovere la formazione di grani equiassici. Entrambi i metodi si basano sul controllo termodinamico e hanno meccanismi complementari. Questo articolo propone di combinarli per ottenere una saldatura ripetibile-senza crepe del tungsteno puro senza preriscaldamento o modifica. Gli effetti della forma del fascio e dei parametri di oscillazione sulle cricche, sul bagno di fusione e sulla microstruttura vengono studiati sistematicamente, fornendo un riferimento per la successiva produzione additiva.
02
Panoramica
Questo studio ha confrontato sistematicamente gli effetti di tre forme di raggio laser-raggio gaussiano, distribuzione del nucleo ad anello (RC 80/20) e raggio anulare-sul comportamento alla fessurazione delle saldature a passaggio singolo-in piastre sottili di tungsteno puro con diversi parametri di oscillazione. Combinando la simulazione termofisica, l'analisi al microscopio ottico e la caratterizzazione EBSD, è stata condotta un'analisi multi-scala, dalle statistiche macroscopiche delle cricche e dalla geometria del bagno di fusione alla struttura microscopica dei grani. I risultati sperimentali mostrano che il fascio gaussiano, a causa della sua potenza di picco eccessivamente elevata, forma facilmente una pozza fusa profonda e stretta (rapporto tra profondità-e-larghezza > 1), che porta a gravi fessurazioni, con un tasso di rottura-libero di solo il 36%. Al contrario, le travi anulari e RC 80/20, riducendo la densità di potenza di picco, allargano e riducono la profondità del bagno di fusione, riducendo significativamente il gradiente di temperatura e la velocità di raffreddamento. La sola trave RC 80/20 può raggiungere un tasso di assenza di crepe-dell'80%. Basandosi su queste basi, l'aggiunta dell'oscillazione del raggio laser ha ulteriormente soppresso le fessurazioni in tutti i tipi di raggi, con proporzioni che generalmente scendono al di sotto di 1. La combinazione di RC 80/20 e oscillazione ha funzionato meglio, ottenendo un tasso di assenza di crepe del 91%-su 55 set di parametri. Inoltre, il risultato è la formazione di cristalli equiassici più grandi all'interno del bagno fuso, che corrispondono perfettamente alla riduzione simulata della velocità di raffreddamento fino al 45%. L’analisi statistica finale ha rivelato che la forma del raggio, la potenza del laser e la velocità di scansione erano i parametri più significativi che influenzavano l’inizio della cricca, mentre la frequenza e l’ampiezza dell’oscillazione non avevano alcun impatto significativo nell’ambito di questo studio. Ciò dimostra che la strategia combinata di modellatura del fascio e oscillazione può ottenere una saldatura ripetibile-senza crepe del tungsteno senza preriscaldamento o modifica del materiale.
03
Analisi grafica
I dati nell'angolo in alto a sinistra della Figura 1 mostrano che, a parità di diametro dello spot (202 μm) e condizioni di processo, il gradiente di temperatura G del fascio RC 80/20 è significativamente inferiore a quello del fascio gaussiano, mentre il tasso di crescita R è leggermente superiore. La chiave sta nei risultati del calcolo della velocità di raffreddamento nell'angolo in alto a destra-la velocità di raffreddamento del raggio RC 80/20 è ridotta di circa il 40% rispetto al raggio gaussiano con lo stesso diametro dello spot e ulteriormente ridotta di circa il 45% per il raggio anulare. La sezione trasversale simulata della pozza di fusione-di seguito riflette anche visivamente questo: la pozza di fusione della trave sagomata è più ampia e meno profonda. Questi dati spiegano direttamente perché la modellatura del fascio può ridurre efficacemente le crepe indotte dallo stress termico-, fornendo un forte supporto per esperimenti successivi da una prospettiva termodinamica.
La Figura 2 corrisponde ad un fascio gaussiano. Senza oscillazione, una fessura longitudinale penetra nell'intera saldatura. Tuttavia, con l'aggiunta dell'oscillazione, anche a densità di energia di linea simili, la cricca scompare completamente. La figura 3 corrisponde ad una trave RC 80/20. Senza oscillazione, esiste ancora una fessura ad alte densità di energia di linea. Con l'aggiunta dell'oscillazione la fessura viene completamente eliminata. Ciò dimostra pienamente che, indipendentemente dalla forma della trave, l'oscillazione può eliminare efficacemente le cricche. Il meccanismo è che l'oscillazione del raggio agita il bagno di fusione, rendendo l'apporto di calore più uniforme. Il bagno di fusione originariamente stretto e profondo viene ampliato in modo significativo e il rapporto tra profondità-e-larghezza scende al di sotto di 1. La modalità di saldatura cambia da saldatura a penetrazione profonda a saldatura a conduzione di calore, rilasciando così lo stress termico.
La Figura 4 quantifica l'effetto della strategia di elaborazione a livello microstrutturale. Il lato sinistro mostra che la dimensione media dei grani del fascio gaussiano (93 μm) è di soli 10,2 μm; utilizzando solo RC 80/20 (202 μm) lo aumenta a 14,3 μm; e quando RC 80/20 è combinato con l'oscillazione, i grani si ingrossano ulteriormente, il che corrisponde perfettamente al risultato della simulazione di una riduzione del 45% della velocità di raffreddamento. I dati sulle proporzioni sulla destra mostrano che i grani della combinazione di modellatura e oscillazione sono più vicini all'equiassico (rapporto vicino a 1), mentre i grani del fascio gaussiano sono chiaramente colonnari (rapporto maggiore). Una proporzione maggiore e un numero maggiore di grani equiassici significano che le proprietà meccaniche del materiale sono più isotrope e la sua resistenza alla propagazione delle crepe è più forte, spiegando così perché le crepe vengono efficacemente soppresse a livello microstrutturale.
04
Riepilogo
Questo studio conferma che una strategia combinata di modellatura e oscillazione del raggio laser può ottenere una saldatura ripetibile-senza crepe del tungsteno puro senza preriscaldamento o modifica del materiale. Tra i parametri testati, la trave con nucleo anulare RC 80/20 combinata con l'oscillazione ha dato i migliori risultati, ottenendo un tasso di assenza di crepe del 91%, significativamente superiore al 36% della trave gaussiana. Questa combinazione sopprime efficacemente le cricche riducendo la densità di potenza di picco e agitando il bagno di fusione, trasformando la modalità di saldatura in saldatura termoconduttiva, riducendo la velocità di raffreddamento fino al 45% e promuovendo la formazione di cristalli equiassici più grandi. La forma del raggio, la potenza del laser e la velocità di scansione sono i parametri chiave che influenzano, mentre la frequenza e l'ampiezza dell'oscillazione hanno scarso effetto. La ricerca futura dovrà verificare ulteriormente l'applicabilità di questa strategia nella laminazione multi-strato, multi-passaggio e nella produzione effettiva di PBF-LB/M.
