01
Tóm tắt
Vonfram, do điểm nóng chảy cao, tính dẫn nhiệt tốt và khả năng giữ hydro thấp, là vật liệu lý tưởng cho các thành phần định hướng plasma trong lò phản ứng tổng hợp hạt nhân. Tuy nhiên, độ giòn nội tại và nhiệt độ chuyển tiếp dễ gãy-dẻo (DBTT) cao khiến nó rất dễ bị nứt trong quá trình xử lý bằng laze. Điều này về cơ bản là do tốc độ làm nguội và độ dốc nhiệt độ cực cao dẫn đến ứng suất nhiệt và sự suy yếu ranh giới hạt. Các phương pháp hiện có để ngăn chặn vết nứt bao gồm gia nhiệt trước chất nền, hợp kim hóa hạt nano và laser xung, nhưng các phương pháp này có những hạn chế như phân hủy bột, thay đổi thành phần hoặc tăng độ xốp. Trong những năm gần đây, việc định hình chùm tia laser (chẳng hạn như chùm tia vòng) đã được sử dụng để giảm mật độ công suất cực đại, biến hàn xuyên sâu thành hàn dẫn nhiệt, giảm hiệu quả độ dốc nhiệt độ và tốc độ làm mát. Dao động của chùm tia laser có thể khuấy trộn bể nóng chảy, tiếp tục đồng nhất hóa nhiệt đầu vào và thúc đẩy sự hình thành hạt cân bằng. Cả hai phương pháp đều dựa trên sự kiểm soát nhiệt động lực học và có cơ chế bổ sung cho nhau. Bài viết này đề xuất kết hợp chúng để đạt được khả năng hàn vonfram nguyên chất-không có vết nứt lặp lại mà không cần gia nhiệt trước hoặc sửa đổi. Ảnh hưởng của hình dạng chùm tia và các thông số dao động lên các vết nứt, bể nóng chảy và cấu trúc vi mô được nghiên cứu một cách có hệ thống, cung cấp tài liệu tham khảo cho quá trình sản xuất bồi đắp tiếp theo.
02
Tổng quan
Nghiên cứu này so sánh một cách có hệ thống tác động của ba dạng chùm tia laze-chùm Gaussian, sự phân bố lõi dạng vòng (RC 80/20) và chùm tia hình khuyên-đối với hành vi nứt của các mối hàn-lượt đơn trong các tấm mỏng vonfram nguyên chất dưới các thông số dao động khác nhau. Kết hợp mô phỏng vật lý nhiệt, phân tích kính hiển vi quang học và mô tả đặc tính EBSD, một-phân tích đa quy mô đã được tiến hành, từ thống kê vết nứt vĩ mô và hình học bể nóng chảy đến cấu trúc hạt vi mô. Kết quả thực nghiệm cho thấy chùm tia Gaussian, do công suất cực đại quá cao, dễ dàng tạo thành một bể nóng chảy sâu và hẹp (tỷ lệ độ sâu-trên-chiều rộng > 1), dẫn đến vết nứt nghiêm trọng, với tỷ lệ không có vết nứt chỉ 36%. Ngược lại, chùm tia hình khuyên và RC 80/20, bằng cách giảm mật độ công suất cực đại, sẽ mở rộng và nông hơn bể nóng chảy, giảm đáng kể độ dốc nhiệt độ và tốc độ làm mát. Riêng dầm RC 80/20 có thể đạt được tỷ lệ không có vết nứt là 80%. Dựa trên nền tảng này, việc bổ sung dao động chùm tia laze đã hạn chế hơn nữa vết nứt ở tất cả các loại chùm tia, với tỷ lệ khung hình thường giảm xuống dưới 1. Sự kết hợp giữa RC 80/20 và dao động hoạt động tốt nhất, đạt tỷ lệ không có vết nứt 91% trên 55 bộ thông số. Hơn nữa, nó dẫn đến sự hình thành các tinh thể cân bằng lớn hơn trong bể nóng chảy, gần giống với việc giảm tốc độ làm mát mô phỏng lên tới 45%. Phân tích thống kê cuối cùng cho thấy hình dạng chùm tia, công suất laser và tốc độ quét là những thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt, trong khi tần số và biên độ dao động không có tác động đáng kể trong phạm vi nghiên cứu này. Điều này chứng tỏ rằng chiến lược kết hợp giữa định hình và dao động của chùm tia có thể đạt được khả năng hàn vonfram không có vết nứt lặp lại mà không cần làm nóng trước hoặc sửa đổi vật liệu.
03
Phân tích đồ họa
Dữ liệu ở góc trên bên trái của Hình 1 cho thấy rằng, trong cùng đường kính điểm (202 μm) và điều kiện xử lý, gradient nhiệt độ G của chùm RC 80/20 thấp hơn đáng kể so với chùm Gaussian, trong khi tốc độ tăng trưởng R cao hơn một chút. Điểm mấu chốt nằm ở kết quả tính toán tốc độ làm mát ở góc trên bên phải-tốc độ làm mát của chùm RC 80/20 giảm khoảng 40% so với chùm Gaussian có cùng đường kính điểm và giảm thêm khoảng 45% đối với chùm tia hình khuyên. Mặt cắt ngang của vũng nóng chảy được mô phỏng{11}}bên dưới cũng phản ánh trực quan điều này: vũng nóng chảy của chùm tia hình rộng hơn và nông hơn. Dữ liệu này giải thích trực tiếp lý do tại sao việc định hình chùm tia có thể làm giảm hiệu quả các vết nứt do ứng suất nhiệt{13}}gây ra, hỗ trợ mạnh mẽ cho các thử nghiệm tiếp theo từ góc độ nhiệt động lực học.
Hình 2 tương ứng với chùm tia Gaussian. Nếu không có dao động, một vết nứt dọc sẽ xuyên qua toàn bộ mối hàn. Tuy nhiên, với việc bổ sung dao động, ngay cả ở mật độ năng lượng đường tương tự, vết nứt hoàn toàn biến mất. Hình 3 tương ứng với dầm RC 80/20. Nếu không có dao động, vết nứt vẫn tồn tại ở mật độ năng lượng vạch cao. Với việc bổ sung dao động, vết nứt được loại bỏ hoàn toàn. Điều này chứng tỏ đầy đủ rằng bất kể hình dạng dầm như thế nào, dao động đều có thể ngăn chặn các vết nứt một cách hiệu quả. Cơ chế là dao động của chùm tia khuấy động bể nóng chảy, làm cho nhiệt lượng đầu vào đồng đều hơn. Bể nóng chảy sâu và hẹp ban đầu được mở rộng đáng kể và tỷ lệ chiều sâu{12}}trên{13}}chiều rộng giảm xuống dưới 1. Chế độ hàn thay đổi từ hàn xuyên sâu sang hàn dẫn nhiệt, từ đó giải phóng ứng suất nhiệt.
Hình 4 định lượng tác động của chiến lược xử lý ở cấp độ vi cấu trúc. Phía bên trái cho thấy kích thước hạt trung bình của chùm tia Gaussian (93 μm) chỉ là 10,2 μm; chỉ sử dụng RC 80/20 (202 μm) sẽ tăng lên 14,3 μm; và khi RC 80/20 được kết hợp với dao động, các hạt sẽ trở nên thô hơn, hoàn toàn phù hợp với kết quả mô phỏng về tốc độ làm mát giảm 45%. Dữ liệu tỷ lệ khung hình ở bên phải cho thấy các hạt của sự kết hợp định hình và dao động gần với cân bằng hơn (tỷ lệ gần bằng 1), trong khi các hạt của chùm tia Gaussian rõ ràng là cột (tỷ lệ lớn hơn). Tỷ lệ cao hơn và số lượng hạt đẳng trục lớn hơn có nghĩa là tính chất cơ học của vật liệu có tính đẳng hướng hơn và khả năng chống lại sự lan truyền vết nứt của nó mạnh hơn, do đó giải thích tại sao các vết nứt được ngăn chặn một cách hiệu quả ở cấp độ cấu trúc vi mô.
04
Bản tóm tắt
Nghiên cứu này xác nhận rằng chiến lược kết hợp giữa định hình và dao động của chùm tia laze có thể đạt được khả năng hàn vonfram nguyên chất không có vết nứt-có thể lặp lại mà không cần làm nóng trước hoặc sửa đổi vật liệu. Trong số các thông số được thử nghiệm, dầm lõi vòng RC 80/20 kết hợp với dao động mang lại kết quả tốt nhất, đạt tỷ lệ không có vết nứt là 91%, cao hơn đáng kể so với 36% của dầm Gaussian. Sự kết hợp này ngăn chặn các vết nứt một cách hiệu quả bằng cách giảm mật độ năng lượng cực đại và khuấy bể nóng chảy, chuyển chế độ hàn thành hàn-dẫn nhiệt, giảm tốc độ làm mát tới 45% và thúc đẩy sự hình thành các tinh thể cân bằng lớn hơn. Hình dạng chùm tia, công suất laser và tốc độ quét là những thông số ảnh hưởng chính, trong khi tần số và biên độ dao động ít ảnh hưởng. Nghiên cứu trong tương lai cần xác minh thêm khả năng ứng dụng của chiến lược này trong việc cán nhiều lớp, nhiều đường chuyền và trong sản xuất PBF{14}}LB/M thực tế.
