01
Abstraktus
Dėl aukštos lydymosi temperatūros, gero šilumos laidumo ir mažo vandenilio sulaikymo volframas yra ideali medžiaga plazmos{0}}orientuotiems komponentams branduolių sintezės reaktoriuose. Tačiau dėl būdingo trapumo ir aukštos plastinės -trapus perėjimo temperatūros (DBTT) jis yra labai jautrus įtrūkimams apdorojant lazeriu. Taip yra iš esmės dėl itin didelio aušinimo greičio ir temperatūros gradiento, dėl kurio atsiranda šiluminis įtempis ir susilpnėja grūdų riba. Esami krekingo slopinimo metodai apima pagrindo išankstinį pašildymą, nanodalelių legiravimą ir impulsinius lazerius, tačiau šie metodai turi apribojimų, tokių kaip miltelių skaidymas, sudėties pokyčiai arba padidėjęs poringumas. Pastaraisiais metais lazerio spindulio formavimas (pvz., žiediniai spinduliai) buvo naudojamas siekiant sumažinti didžiausios galios tankį, giliai įsiskverbiantį suvirinimą paverčiant šilumai laidžiu suvirinimu, efektyviai sumažinant temperatūros gradientus ir aušinimo greitį. Lazerio spindulio svyravimai gali išjudinti išlydytą baseiną, dar labiau homogenizuoti šilumos patekimą ir skatinti tolygų grūdelių susidarymą. Abu metodai yra pagrįsti termodinamine kontrole ir turi papildomus mechanizmus. Šiame dokumente siūloma juos sujungti, kad būtų galima pasiekti pakartotinį gryno volframo suvirinimą be įtrūkimų, nekaitinant ar modifikuojant. Sistemingai tiriamas pluošto formos ir virpesių parametrų poveikis įtrūkimams, išlydytam baseinui ir mikrostruktūrai, suteikiant nuorodas vėlesnei priedų gamybai.
02
Apžvalga
Šiame tyrime buvo sistemingai lyginamas trijų lazerio spindulių formų -Gauso pluoštas, žiedo šerdies pasiskirstymas (RC 80/20) ir žiedinis pluoštas-vienkartinio-praėjimo suvirinimo siūlių trūkinėjimui gryno volframo plonose plokštėse esant skirtingiems virpesių parametrams. Derinant termofizinį modeliavimą, optinės mikroskopijos analizę ir EBSD apibūdinimą, buvo atlikta kelių mastelių analizė – nuo makroskopinės įtrūkimų statistikos ir išlydyto baseino geometrijos iki mikroskopinės grūdelių struktūros. Eksperimentiniai rezultatai rodo, kad Gauso spindulys dėl pernelyg didelės didžiausios galios lengvai sudaro gilų ir siaurą išlydytą telkinį (gylio -ir -pločio santykis > 1), todėl susidaro stiprus įtrūkimas, o įtrūkimų skaičius tik 36 %. Priešingai, žiedinės ir RC 80/20 sijos, sumažindamos didžiausios galios tankį, išplečia ir pažemina išlydytą baseiną, žymiai sumažindamos temperatūros gradientą ir aušinimo greitį. Vien tik RC 80/20 spindulys gali pasiekti 80 proc. Remiantis šiuo pagrindu, lazerio spindulio virpesių pridėjimas dar labiau slopino visų tipų spindulių įtrūkimus, o kraštinių santykis paprastai nukrito žemiau 1. RC 80/20 ir virpesių derinys veikė geriausiai, o 55 parametrų rinkiniuose buvo pasiektas 91 % įtrūkimų{26}} dažnis. Be to, išlydytame baseine susidarė didesni lygiašiai kristalai, kurie labai atitiko imituojamą aušinimo greičio sumažėjimą iki 45%. Galutinė statistinė analizė atskleidė, kad spindulio forma, lazerio galia ir skenavimo greitis buvo svarbiausi parametrai, turintys įtakos įtrūkimų atsiradimui, o virpesių dažnis ir amplitudė neturėjo reikšmingos įtakos šio tyrimo metu. Tai rodo, kad taikant kombinuotą pluošto formavimo ir virpesių strategiją galima pasiekti pakartotinį volframo suvirinimą be įtrūkimų be išankstinio pakaitinimo ar medžiagos modifikavimo.
03
Grafinė analizė
Viršutiniame kairiajame 1 paveikslo kampe pateikti duomenys rodo, kad esant tokiam pat taško skersmeniui (202 μm) ir proceso sąlygoms, RC 80/20 pluošto temperatūros gradientas G yra žymiai mažesnis nei Gauso pluošto, o augimo greitis R yra šiek tiek didesnis. Svarbiausia yra aušinimo greičio skaičiavimo rezultatai viršutiniame dešiniajame kampe{5}}RC 80/20 pluošto aušinimo greitis sumažinamas maždaug 40 %, palyginti su Gauso pluoštu, kurio taško skersmuo yra toks pat, o žiedinės sijos atveju dar sumažintas maždaug 45 %. Toliau pateikiamas imituotas išlydyto baseino skerspjūvis{11}}taip pat vizualiai tai atspindi: formos pluošto išlydytas baseinas yra platesnis ir seklesnis. Šie duomenys tiesiogiai paaiškina, kodėl sijos formavimas gali veiksmingai sumažinti šiluminio įtempio{13}}sukeltus įtrūkimus, todėl termodinamine perspektyva suteikia tvirtą paramą tolesniems eksperimentams.
2 pav. atitinka Gauso spindulį. Be svyravimų, išilginis įtrūkimas prasiskverbia per visą suvirinimo siūlę. Tačiau pridėjus svyravimą, net esant panašiam linijos energijos tankiui, įtrūkimas visiškai išnyksta. 3 pav. atitinka RC 80/20 spindulį. Be virpesių, esant dideliam linijos energijos tankiui, įtrūkimas vis dar egzistuoja. Pridėjus svyravimą, įtrūkimas visiškai pašalinamas. Tai visiškai parodo, kad nepaisant sijos formos, svyravimai gali veiksmingai slopinti įtrūkimus. Mechanizmas yra tas, kad spindulio svyravimai sujudina išlydytą baseiną, todėl šilumos įėjimas tampa tolygesnis. Iš pradžių siauras ir gilus išlydytas baseinas yra žymiai išplėstas, o gylio -ir-pločio santykis nukrenta žemiau 1. Suvirinimo režimas pakeičiamas iš gilaus įsiskverbimo suvirinimo į šilumos laidumo suvirinimą, taip pašalinant šiluminį įtampą.
4 paveiksle kiekybiškai parodytas apdorojimo strategijos poveikis mikrostruktūros lygiu. Kairėje pusėje matyti, kad vidutinis Gauso pluošto grūdelių dydis (93 μm) yra tik 10,2 μm; naudojant vien RC 80/20 (202 μm), jis padidėja iki 14,3 μm; o kai RC 80/20 derinamas su virpesiais, grūdeliai dar labiau sutirštėja, o tai puikiai atitinka modeliavimo rezultatą, kai aušinimo greitis sumažėja 45%. Dešinėje pateikiami kraštinių santykio duomenys rodo, kad formavimo ir virpesių derinio grūdeliai yra artimesni lygiašiams (santykis artimas 1), o Gauso pluošto grūdeliai yra aiškiai stulpeliai (santykis didesnis). Didesnė lygiašių grūdelių dalis ir didesnis skaičius reiškia, kad medžiagos mechaninės savybės yra labiau izotropinės, o atsparumas plyšių plitimui yra stipresnis, tai paaiškina, kodėl įtrūkimai efektyviai slopinami mikrostruktūriniu lygmeniu.
04
Santrauka
Šis tyrimas patvirtina, kad taikant kombinuotą lazerio spindulio formavimo ir virpesių strategiją galima pasiekti pakartotinį gryno volframo suvirinimą be plyšių be išankstinio pakaitinimo ar medžiagos modifikavimo. Iš išbandytų parametrų geriausius rezultatus davė RC 80/20 žiedo šerdies pluoštas kartu su virpesiais, nes buvo pasiektas 91 % plyšių -laisvas greitis, žymiai didesnis nei 36 % Gauso pluošto. Šis derinys efektyviai slopina įtrūkimus, sumažindamas didžiausios galios tankį ir maišydamas išlydytą baseiną, paversdamas suvirinimo režimą į šilumą{8}}laidų suvirinimą, sumažindamas aušinimo greitį iki 45 % ir skatindamas didesnių lygiagrečių kristalų susidarymą. Spindulio forma, lazerio galia ir skenavimo greitis yra pagrindiniai įtakojantys parametrai, o virpesių dažnis ir amplitudė turi mažai įtakos. Būsimuose tyrimuose reikia toliau patikrinti šios strategijos pritaikomumą daugiasluoksnėje, daugiasluoksnėje laminavimo ir faktinėje PBF{14}}LB/M gamyboje.
