01
Giấy giới thiệu
Yttria-gốm zirconia ổn định (YSZ) được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật-chẳng hạn như lớp phủ cách nhiệt và y sinh-nhờ điểm nóng chảy cao, độ cứng đặc biệt và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời. Các kỹ thuật nối gốm truyền thống (ví dụ: hàn đồng và liên kết khuếch tán) thường yêu cầu toàn bộ cụm lắp ráp phải xử lý nhiệt kéo dài trong lò-nhiệt độ cao; quá trình này có thể làm ảnh hưởng đến chức năng của các linh kiện điện tử được bọc bên trong và kích thước của các mẫu đang được xử lý bị hạn chế nghiêm trọng bởi kích thước của buồng lò. Do đó, nhu cầu cấp thiết là phải phát triển các kỹ thuật nối nhanh, cục bộ, đặc trưng bởi lượng nhiệt đầu vào thấp. Trong khi hàn laser cực nhanh mang lại lợi thế khác biệt là đầu vào nhiệt cực thấp, hàn trực tiếp gốm YSZ dẫn đến sự lắng đọng năng lượng tập trung cao độ gây ra sự mài mòn vật liệu nghiêm trọng. Sự mài mòn này biểu hiện dưới dạng các vết khía hình tam giác, sắc nét, gây ra sự tập trung ứng suất đáng kể và cuối cùng dẫn đến độ bền của mối nối thấp hơn đáng kể so với độ bền của vật liệu gốc.
02
**Tổng quan toàn văn**
Để giải quyết các vấn đề quan trọng của quá trình mài mòn nghiêm trọng và tập trung ứng suất, nghiên cứu này đề xuất một phương pháp mới để hàn nhiệt hạch gốm YSZ sử dụng tia laser dao động cực nhanh. Bằng cách điều khiển tia laser cực nhanh dao động theo một quỹ đạo cụ thể, kỹ thuật này mở rộng vùng tương tác giữa tia laser và chất nền, từ đó phân tán mật độ năng lượng laser tại giao diện. Kết quả chứng minh rằng, so với hàn trực tiếp, hàn dao động biến đổi các vết cắt mài mòn sắc nét thành các vết khía mịn, giống như ngón tay-và tạo ra sự hình thành cấu trúc hạt dạng cột cong trong vùng nhiệt hạch, nhờ đó tăng cường đáng kể các tính chất cơ học của mối nối. Hơn nữa, để khắc phục vấn đề độ sâu thâm nhập không đủ liên quan đến hàn-một mặt, nghiên cứu này đã triển khai thành công kỹ thuật hàn dao động hai mặt-; Phương pháp này đạt được độ dày hoàn toàn khi hàn mà không có khuyết tật ngấu không hoàn toàn, dẫn đến sự cải thiện đáng kể hơn nữa về độ bền uốn bốn điểm-của mối nối.
03
**Phân tích minh họa**
Hình 1 minh họa các nguyên tắc của quy trình hàn laser cực nhanh dao động và những tác động có lợi của nó đối với hình thái vĩ mô- và vi mô- của các mối nối tạo thành. Trong quá trình hàn, mẫu thử được đặt trên một bệ chuyển động ba-trục (XYZ) được điều khiển bằng máy tính; trong khi chùm tia laze truyền tuyến tính dọc theo trục Y-, nó đồng thời trải qua một dao động ngang dọc theo trục X- theo dạng sóng tam giác (Hình. 1a và 1b). Sự phân phối lại năng lượng này thông qua dao động sẽ biến đổi các rãnh mài mòn hình tam giác, sắc nét-thường được tạo ra trong quá trình hàn trực tiếp (không{12}}dao động) (Hình. 1-c1)-thành các rãnh mịn hơn, giống ngón tay{16}}như các rãnh (Hình. 1c), do đó giảm thiểu sự tập trung ứng suất tại các vị trí này một cách hiệu quả. Về mặt cấu trúc vi mô, tác động khuấy của tia laser dao động trên bể nóng chảy tạo ra sự hình thành các cấu trúc hạt dạng cột cong bên trong khớp, định hướng song song với quỹ đạo dao động của tia laser (Hình{19}}e). Hình thái đứt gãy của vùng nhiệt hạch (Vùng II) (Hình{21}}d) tiết lộ thêm rằng, dưới tác dụng của tải trọng cơ học, các hạt dạng cột kéo dài, nhấp nhô này có xu hướng bị gãy dọc theo ranh giới hạt và mặt phẳng phân cắt của chúng. Khi các vết nứt lan truyền dọc theo các ranh giới hạt cong này, chúng buộc phải liên tục thay đổi hướng; điều này làm tăng đáng kể cả diện tích bề mặt lan truyền vết nứt và năng lượng cần thiết cho vết nứt, do đó tăng cường đáng kể tính chất cơ học của mối nối.
Hình 2 minh họa toàn diện sự khác biệt về cấu trúc vi mô giữa các mối nối được tạo ra thông qua hàn laser dao động cực nhanh một-một mặt và hai{2}}hai mặt, cũng như tác động của những khác biệt này đến cường độ uốn bốn-điểm. Hình 2a trình bày mặt cắt ngang và hình thái vết nứt của mối hàn bằng kỹ thuật dao động một phía ở công suất laser 900 mW và tốc độ hàn 0,1 mm/s. Do kỹ thuật dao động một phía phân tán năng lượng laser nên độ sâu tan chảy giảm đáng kể; do đó, mối hàn không đạt được{12}}độ dày đầy đủ, để lại các vùng không liên kết riêng biệt trong mối nối. Dưới tác dụng của tải trọng, những vùng không được xuyên thủng này sẽ kích hoạt sự tập trung ứng suất nghiêm trọng, do đó hạn chế bất kỳ sự cải thiện nào nữa về tính chất cơ học của khớp. Chiến lược hàn dao động hai mặt-được giới thiệu cụ thể để khắc phục nút thắt cổ chai này-đã được chứng minh là có hiệu quả rõ rệt. Như minh hoạ trong Hình 2b, với các tham số xử lý giống hệt nhau, kỹ thuật hàn hai mặt{20} đã đạt được sự kết dính hoàn toàn của mối nối một cách thành công, loại bỏ hiệu quả sự tập trung ứng suất do các vùng không liên kết gây ra và tăng đáng kể diện tích liên kết hiệu quả của mối nối. So sánh đặc tính cơ học được trình bày trong Hình 2c cung cấp xác nhận trực quan về sự gia tăng đáng kể về độ bền nhờ những cải tiến về hình thái này. Đối với hàn một mặt, cường độ tối đa đạt được là 53,9 MPa ở tốc độ hàn 0,05 mm/s; ngược lại, khi sử dụng kỹ thuật hàn hai mặt,{27}}độ bền uốn tối đa đạt được là 56,2 MPa ở tốc độ 0,10 mm/s-thể hiện sự cải thiện 102,2% so với hàn trực tiếp. Điều này chứng tỏ một cách thuyết phục những ưu điểm mang tính quyết định của hàn dao động hai mặt{33}}trong việc loại bỏ các khuyết tật bên trong và nâng cao hiệu suất cơ học tổng thể của các mối nối gốm.
