01
Soyut
Yüksek erime noktası, iyi ısı iletkenliği ve düşük hidrojen tutma özelliği nedeniyle tungsten, nükleer füzyon reaktörlerindeki plazma-yönelimli bileşenler için ideal bir malzemedir. Bununla birlikte, içsel kırılganlığı ve yüksek sünek-kırılgan geçiş sıcaklığı (DBTT), onu lazer işleme sırasında çatlamaya karşı oldukça duyarlı hale getirir. Bunun temel nedeni aşırı yüksek soğuma hızı ve sıcaklık değişiminin termal gerilime ve tane sınırı zayıflamasına yol açmasıdır. Çatlamayı bastırmak için mevcut yöntemler arasında alt tabakanın ön ısıtılması, nanopartikül alaşımı ve darbeli lazerler yer alır, ancak bu yöntemlerin toz bozunması, bileşim değişiklikleri veya artan gözeneklilik gibi sınırlamaları vardır. Son yıllarda, tepe güç yoğunluğunu azaltmak, derin nüfuzlu kaynağı termal olarak iletken kaynağa dönüştürmek, sıcaklık gradyanlarını ve soğuma oranlarını etkili bir şekilde azaltmak için lazer ışını şekillendirme (halka ışınlar gibi) kullanıldı. Lazer ışını salınımı erimiş havuzu karıştırabilir, ısı girdisini daha da homojenleştirebilir ve eş eksenli tane oluşumunu destekleyebilir. Her iki yöntem de termodinamik kontrole dayanmaktadır ve tamamlayıcı mekanizmalara sahiptir. Bu makale, saf tungstenin ön ısıtma veya modifikasyon olmadan tekrarlanabilir çatlaksız-kaynaklanmasını sağlamak için bunların birleştirilmesini önermektedir. Kiriş şekli ve salınım parametrelerinin çatlaklar, erimiş havuz ve mikro yapı üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmekte ve sonraki katmanlı imalat için bir referans sağlanmaktadır.
02
Genel Bakış
Bu çalışma, üç lazer ışını şeklinin-Gauss ışını, halka çekirdek dağılımı (RC 80/20) ve halka şeklindeki ışının-farklı salınım parametreleri altında saf tungsten ince plakalardaki tek-geçişli kaynakların çatlama davranışı üzerindeki etkilerini sistematik olarak karşılaştırdı. Termofiziksel simülasyon, optik mikroskopi analizi ve EBSD karakterizasyonunu birleştirerek, makroskobik çatlak istatistikleri ve erimiş havuz geometrisinden mikroskobik tanecik yapısına kadar çok-ölçekli bir analiz gerçekleştirildi. Deneysel sonuçlar, Gauss ışınının, aşırı yüksek tepe gücünden dolayı kolayca derin ve dar bir erimiş havuz oluşturduğunu (derinlik--genişlik oranı > 1), bu durumun yalnızca %36'lık bir çatlaksızlık oranıyla ciddi çatlamaya yol açtığını göstermektedir. Buna karşılık, halka şeklindeki ve RC 80/20 kirişler, tepe güç yoğunluğunu azaltarak, erimiş havuzu genişletip sığlaştırarak sıcaklık gradyanını ve soğuma hızını önemli ölçüde azaltır. RC 80/20 kiriş tek başına %80'lik çatlaksızlık oranına ulaşabilir. Bu temel üzerine inşa edilen lazer ışını salınımının eklenmesi, tüm ışın türlerinde çatlamayı daha da bastırdı; en boy oranları genel olarak 1'in altına düştü. RC 80/20 ve salınım kombinasyonu en iyi performansı gösterdi ve 55 parametre kümesinde %91'lik çatlaksız bir orana ulaştı. Ayrıca, erimiş havuz içinde daha büyük eş eksenli kristallerin oluşmasıyla sonuçlandı; bu da simüle edilmiş soğutma hızındaki %45'e varan azalmayla yakından eşleşiyor. Nihai istatistiksel analiz, ışın şekli, lazer gücü ve tarama hızının çatlak başlangıcını etkileyen en önemli parametreler olduğunu, salınım frekansı ve genliğinin ise bu çalışma kapsamında önemli bir etkisinin olmadığını ortaya çıkardı. Bu, ışın şekillendirme ve salınımdan oluşan birleşik stratejinin, ön ısıtma veya malzeme değişikliği olmaksızın tungstenin tekrarlanabilir, çatlaksız kaynaklanmasını sağlayabileceğini göstermektedir.
03
Grafik Analizi
Şekil 1'in sol üst köşesindeki veriler, aynı nokta çapı (202 μm) ve işlem koşulları altında, RC 80/20 ışınının sıcaklık gradyanı G'nin Gauss ışınınınkinden önemli ölçüde düşük olduğunu, R büyüme oranının ise biraz daha yüksek olduğunu göstermektedir. Burada önemli olan, sağ üst köşedeki soğuma oranı hesaplama sonuçlarında yatmaktadır-RC 80/20 ışınının soğuma hızı, aynı nokta çapına sahip Gauss ışınına kıyasla yaklaşık %40 oranında azaltılır ve ayrıca dairesel ışın için yaklaşık %45 oranında azaltılır. Aşağıdaki simüle edilmiş erimiş havuz kesiti de bunu görsel olarak yansıtmaktadır: şekillendirilmiş kirişin erimiş havuzu daha geniş ve daha sığdır. Bu veriler, ışın şekillendirmenin neden termal stresin neden olduğu çatlakları etkili bir şekilde azaltabildiğini doğrudan açıklayarak termodinamik açıdan sonraki deneyler için güçlü bir destek sağlar.
Şekil 2 bir Gauss ışınına karşılık gelir. Salınım olmadan, uzunlamasına bir çatlak kaynağın tamamına nüfuz eder. Ancak salınımın da eklenmesiyle benzer hat enerji yoğunluklarında bile çatlak tamamen ortadan kalkar. Şekil 3 bir RC 80/20 ışınına karşılık gelmektedir. Salınım olmadan, yüksek hat enerji yoğunluklarında hala bir çatlak mevcuttur. Salınım ilavesiyle çatlak tamamen ortadan kaldırılır. Bu, kiriş şekli ne olursa olsun, salınımın çatlakları etkili bir şekilde bastırabildiğini tam olarak göstermektedir. Mekanizma, ışın salınımının erimiş havuzu harekete geçirerek ısı girdisini daha düzgün hale getirmesidir. Başlangıçta dar ve derin olan erimiş havuz önemli ölçüde genişler ve derinliğin-genişlik-oranı 1'in altına düşer. Kaynak modu, derin nüfuzlu kaynaktan ısı iletimli kaynağa değişir, böylece termal gerilim serbest kalır.
Şekil 4, işleme stratejisinin etkisini mikroyapısal düzeyde ölçer. Sol taraf, Gauss ışınının (93 μm) ortalama tane boyutunun yalnızca 10,2 μm olduğunu göstermektedir; tek başına RC 80/20 (202 μm) kullanıldığında bu değer 14,3 μm'ye çıkar; ve RC 80/20 salınımla birleştirildiğinde taneler daha da irileşir; bu da soğutma oranındaki %45'lik azalmanın simülasyon sonucuyla mükemmel bir şekilde örtüşür. Sağdaki en boy oranı verileri, şekillendirme ve salınım kombinasyonunun taneciklerinin eş eksenliye daha yakın olduğunu (oran 1'e yakın), Gauss ışınının taneciklerinin ise açıkça sütun şeklinde olduğunu (oran daha büyük) göstermektedir. Daha yüksek oran ve daha fazla sayıda eş eksenli tanecik, malzemenin mekanik özelliklerinin daha izotropik olduğu ve çatlak yayılmasına karşı direncinin daha güçlü olduğu anlamına gelir; bu da çatlakların neden mikroyapısal düzeyde etkili bir şekilde bastırıldığını açıklar.
04
Özet
Bu çalışma, lazer ışını şekillendirme ve salınımdan oluşan birleşik bir stratejinin, ön ısıtma veya malzeme değişikliği olmaksızın saf tungstenin tekrarlanabilir çatlaksız-kaynaklanmasını sağlayabileceğini doğrulamaktadır. Test edilen parametreler arasında, salınımla birleştirilmiş RC 80/20 halka çekirdekli kiriş en iyi sonuçları verdi ve Gauss ışınının %36'sından önemli ölçüde daha yüksek, %91'lik bir çatlaksız-oranına ulaştı. Bu kombinasyon, tepe güç yoğunluğunu azaltarak ve erimiş havuzu karıştırarak, kaynak modunu ısı-iletken kaynağa dönüştürerek, soğutma oranını %45'e kadar azaltarak ve daha büyük eş eksenli kristallerin oluşumunu teşvik ederek çatlakları etkili bir şekilde bastırır. Işın şekli, lazer gücü ve tarama hızı, etkileyen temel parametrelerdir; salınım frekansı ve genliğin ise çok az etkisi vardır. Gelecekteki araştırmaların bu stratejinin çok-katmanlı, çok-geçişli laminasyonda ve gerçek PBF-LB/M üretiminde uygulanabilirliğini daha fazla doğrulaması gerekmektedir.
