研究人員實時看到3D列印鎢中的裂紋形成

2020-09-03 工程學習

通過將模擬與雷射粉末床熔合過程中拍攝的高速視頻相結合，LLNL科學家能夠實時可視化3D列印鎢中的韌性到脆性轉變，從而使他們能夠觀察到微裂紋是如何開始和擴散的在金屬中。用掃描電子顯微鏡拍攝的照片顯示，微裂紋網絡在表面的雷射熔體軌道上分支，並且可以深入到相鄰的基材材料中，最好沿著晶界滲透。圖片來源：勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室

鎢具有所有已知元素的最高熔點和最高沸點，因此在涉及極端溫度的應用中已成為流行的選擇，包括燈泡燈絲，電弧焊，輻射屏蔽以及最近在聚變反應堆（如ITER）中作為面向等離子體的材料託卡馬克。

然而，鎢固有的脆性以及在用稀有金屬進行增材製造（3D列印）時發生的微裂紋阻礙了鎢的廣泛採用。

為了表徵這些微裂紋的形成方式和原因，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的科學家將熱機械模擬與在雷射粉末床熔合（LPBF）金屬3-D列印過程中拍攝的高速視頻相結合。儘管先前的研究僅限於檢查生成後的裂紋，但科學家們首次能夠實時觀察鎢中的韌性到脆性轉變（DBT），從而使他們能夠觀察微裂紋是如何隨著金屬而引發和擴散的加熱和冷卻。該團隊能夠將微裂紋現象與殘餘應力，應變速率和溫度等變量相關聯，並確認由DBT引起裂紋。

研究人員說，這項研究最近發表在《Acta Materialia》雜誌上，並在享有盛譽的《 MRS公報》 9月號上刊登，揭示了3D列印鎢破裂的基本機理，並為將來生產無裂縫零件的工作奠定了基礎從金屬。

共同主要研究人員Manyalibo「 Ibo」 Matthews說：「由於其獨特的性能，鎢在能源部和國防部的特定任務應用中發揮了重要作用。」 「這項工作有助於為鎢的新增材製造加工領域鋪平道路，這可能會對這些任務產生重大影響。」

通過他們的實驗觀察和使用LLNL的Diablo有限元代碼進行的計算模型，研究人員發現鎢的微裂紋發生在開爾文度數在450至650度之間的小窗口中，並且取決於應變率，而應變率直接受到工藝參數的影響。他們還能夠將裂縫影響區域的大小和裂縫網絡形態與局部殘餘應力相關聯。

該論文的主要作者和共同主要研究者Lawrence Fellow Bey Vrancken設計並進行了實驗，並進行了大部分數據分析。

弗蘭肯說：「我曾以為鎢的開裂會有所延遲，但結果大大超出了我的預期。」 「熱力學模型為我們所有的實驗觀察提供了解釋，並且兩者都足夠詳細，足以捕獲DBT的應變率依賴性。採用這種方法，我們擁有出色的工具，可以確定消除鎢LPBF時最有效的消除裂紋的策略。 。」

研究人員說，這項工作提供了對工藝參數和熔體幾何形狀對裂紋形成的影響的詳細，基本的理解，並顯示了材料成分和預熱對用鎢印刷的零件的結構完整性的影響。研究小組得出結論，添加某些合金元素可以幫助減少DBT轉變並增強金屬，而預熱則可以幫助減輕微裂紋。

該團隊正在使用結果評估現有的緩解裂紋技術，例如工藝和合金改性。研究人員說，這些發現以及為該研究開發的診斷方法，對於實驗室3D列印無裂紋，可以承受極端環境的鎢零件的最終目標至關重要。

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