Met de hoogste smelt- en kookpunten van alle bekende elementen, wolfraam is een populaire keuze geworden voor toepassingen met extreme temperaturen, inclusief gloeilamp filamenten, booglassen, stralingsafscherming en, recenter, als naar plasma gericht materiaal in fusiereactoren zoals de ITER Tokamak.

Echter, de inherente broosheid van wolfraam, en de microscheurtjes die optreden bij het additief produceren (3D-printen) met het zeldzame metaal, heeft de brede acceptatie ervan belemmerd.

Om te karakteriseren hoe en waarom deze microscheurtjes ontstaan, Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben thermomechanische simulaties gecombineerd met hogesnelheidsvideo's die zijn gemaakt tijdens het laserpoederbedfusie (LPBF) metaal 3D-printproces. Waar eerder onderzoek zich beperkte tot het onderzoeken van scheuren na de bouw, wetenschappers konden voor het eerst de overgang van ductiel naar bros (DBT) in wolfraam in realtime visualiseren, waardoor ze konden observeren hoe microscheuren begonnen en zich verspreidden terwijl het metaal werd verwarmd en afgekoeld. Het team was in staat om het microkraakfenomeen te correleren met variabelen zoals restspanning, reksnelheid en temperatuur, en bevestig dat de DBT het kraken heeft veroorzaakt.

Onderzoekers zeiden dat de studie, onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Acta Materialia en te zien in het septembernummer van het prestigieuze MRS Bulletin, onthult de fundamentele mechanismen achter scheuren in 3D-geprint wolfraam en vormt een basis voor toekomstige inspanningen om scheurvrije onderdelen van het metaal te produceren.

"Vanwege zijn unieke eigenschappen, wolfraam heeft een belangrijke rol gespeeld in missiespecifieke toepassingen voor het ministerie van Energie en het ministerie van Defensie, "Zei co-hoofdonderzoeker Manyalibo "Ibo" Matthews. "Dit werk helpt de weg vrij te maken naar een nieuw gebied voor de verwerking van additieven voor wolfraam dat een aanzienlijke impact kan hebben op deze missies."

Door hun experimentele observaties en computationele modellering uitgevoerd met behulp van LLNL's Diablo eindige elementencode, de onderzoekers ontdekten dat microscheurtjes in wolfraam optreden in een klein venster tussen 450 en 650 graden Kelvin en afhankelijk zijn van de vervormingssnelheid, die direct wordt beïnvloed door procesparameters. Ze waren ook in staat om de grootte van het door scheuren aangetaste gebied en de morfologie van het scheurnetwerk te correleren met lokale restspanningen.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, de hoofdauteur en co-hoofdonderzoeker van het artikel, ontwierp en voerde de experimenten uit en voerde ook het grootste deel van de gegevensanalyse uit.

"Ik had de hypothese dat er een vertraging zou zijn in het kraken van wolfraam, maar de resultaten overtroffen mijn verwachtingen ruimschoots, Vrancken zei. "Het thermomechanische model gaf een verklaring voor al onze experimentele waarnemingen, en beide waren gedetailleerd genoeg om de afhankelijkheid van de reksnelheid van de DBT vast te leggen. Met deze methode, we hebben een uitstekend hulpmiddel om de meest effectieve strategieën te bepalen om barsten tijdens LPBF van wolfraam te elimineren."

Onderzoekers zeiden dat het werk een gedetailleerd, fundamenteel begrip van de invloed van procesparameters en smeltgeometrie op scheurvorming en toont de impact van materiaalsamenstelling en voorverwarmen op de structurele integriteit van onderdelen bedrukt met wolfraam. Het team concludeerde dat het toevoegen van bepaalde legeringselementen zou kunnen helpen de DBT-overgang te verminderen en het metaal te versterken. terwijl voorverwarmen microscheurtjes kan helpen verminderen.

Het team gebruikt de resultaten om bestaande scheurbeperkingstechnieken te evalueren, zoals proces- en legeringsmodificaties. De bevindingen, samen met de voor het onderzoek ontwikkelde diagnostiek, zal cruciaal zijn voor het uiteindelijke doel van het laboratorium om scheurvrije wolfraamonderdelen te 3D-printen die bestand zijn tegen extreme omgevingen, aldus onderzoekers.