01
เชิงนามธรรม
ทังสเตนเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูง มีการนำความร้อนได้ดี และมีการกักเก็บไฮโดรเจนต่ำ ทังสเตนจึงเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับส่วนประกอบที่เป็นพลาสมา-ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชัน อย่างไรก็ตาม ความเปราะที่แท้จริงและความเหนียวสูง-อุณหภูมิการเปลี่ยนผ่านแบบเปราะ (DBTT) ทำให้มีความอ่อนไหวสูงต่อการแตกร้าวในระหว่างการประมวลผลด้วยเลเซอร์ นี่เป็นสาเหตุพื้นฐานเนื่องจากอัตราการเย็นตัวและการไล่ระดับของอุณหภูมิที่สูงมาก ซึ่งนำไปสู่ความเครียดจากความร้อนและขอบเขตของเกรนอ่อนตัวลง วิธีการที่มีอยู่ในการระงับการแตกร้าว ได้แก่ การอุ่นพื้นผิว การผสมอนุภาคนาโน และเลเซอร์พัลซิ่ง แต่วิธีการเหล่านี้มีข้อจำกัด เช่น การย่อยสลายของผง การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบ หรือความพรุนที่เพิ่มขึ้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา การสร้างลำแสงเลเซอร์ (เช่น ลำแสงวงแหวน) ได้ถูกนำมาใช้เพื่อลดความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงสุด เปลี่ยนการเชื่อมแบบเจาะลึกเป็นการเชื่อมแบบนำความร้อน ลดการไล่ระดับของอุณหภูมิและอัตราการทำความเย็นได้อย่างมีประสิทธิภาพ การสั่นของลำแสงเลเซอร์สามารถกวนสระที่หลอมละลาย ทำให้ความร้อนที่ป้อนเข้าเป็นเนื้อเดียวกันมากขึ้น และส่งเสริมการก่อตัวของเกรนที่เท่ากัน ทั้งสองวิธีขึ้นอยู่กับการควบคุมทางอุณหพลศาสตร์และมีกลไกเสริม บทความนี้เสนอให้รวมเข้าด้วยกันเพื่อให้ได้การเชื่อมทังสเตนบริสุทธิ์-ที่ไม่มีการแตกร้าวซ้ำๆ โดยไม่ต้องอุ่นเครื่องหรือดัดแปลง ผลกระทบของรูปร่างลำแสงและการแกว่งของพารามิเตอร์ต่อรอยแตกร้าว สระหลอมเหลว และโครงสร้างจุลภาคได้รับการศึกษาอย่างเป็นระบบ โดยเป็นข้อมูลอ้างอิงสำหรับการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุในภายหลัง
02
ภาพรวม
การศึกษานี้เปรียบเทียบผลกระทบของรูปร่างลำแสงเลเซอร์สามแบบอย่างเป็นระบบ-ลำแสงเกาส์เซียน การกระจายแกนวงแหวน (RC 80/20) และลำแสงวงแหวน-ต่อพฤติกรรมการแตกร้าวของการเชื่อมผ่านเดี่ยว-ในแผ่นบางทังสเตนบริสุทธิ์ภายใต้พารามิเตอร์การออสซิลเลชันที่แตกต่างกัน การผสมผสานการจำลองทางอุณหฟิสิกส์ การวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์ด้วยแสง และการระบุลักษณะเฉพาะของ EBSD เข้าด้วยกัน ได้ทำการวิเคราะห์แบบหลาย-ตั้งแต่สถิติการแตกร้าวด้วยตาเปล่าและเรขาคณิตของบ่อหลอมเหลว ไปจนถึงโครงสร้างเกรนด้วยกล้องจุลทรรศน์ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าลำแสงเกาส์เซียนมีกำลังพีคสูงมากเกินไป จึงก่อตัวเป็นสระหลอมเหลวที่ลึกและแคบได้อย่างง่ายดาย (อัตราส่วนความลึก-ถึง-ความกว้าง > 1) นำไปสู่การแตกร้าวอย่างรุนแรง โดยมี-อัตราการอิสระของการแตกร้าวเพียง 36% ในทางตรงกันข้าม ลำแสงรูปวงแหวนและ RC 80/20 จะทำให้สระหลอมเหลวกว้างขึ้นและตื้นขึ้น โดยการลดความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงสุด ซึ่งช่วยลดความชันของอุณหภูมิและอัตราการเย็นตัวลงได้อย่างมาก ลำแสง RC 80/20 เพียงอย่างเดียวสามารถบรรลุ-อัตราการแตกร้าวฟรีถึง 80% จากรากฐานนี้ การเพิ่มการแกว่งของลำแสงเลเซอร์ยังช่วยยับยั้งการแตกร้าวในลำแสงทุกประเภทอีกด้วย โดยโดยทั่วไปอัตราส่วนภาพจะลดลงต่ำกว่า 1 การรวมกันของ RC 80/20 และการแกว่งจะทำงานได้ดีที่สุด โดยบรรลุอัตราการแตกร้าว 91%-ฟรีจากชุดพารามิเตอร์ 55 ชุด นอกจากนี้ ยังส่งผลให้เกิดการก่อตัวของผลึกที่มีจุดสมดุลขนาดใหญ่ขึ้นภายในสระหลอมเหลว ซึ่งตรงกับอัตราการทำความเย็นจำลองที่ลดลงสูงสุดถึง 45% อย่างใกล้ชิด การวิเคราะห์ทางสถิติขั้นสุดท้ายเผยให้เห็นว่ารูปร่างของลำแสง กำลังเลเซอร์ และความเร็วในการสแกนเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อการเริ่มต้นของรอยแตก ในขณะที่ความถี่และแอมพลิจูดของการสั่นไม่มีผลกระทบที่มีนัยสำคัญภายในขอบเขตของการศึกษานี้ สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่ากลยุทธ์ที่ผสมผสานระหว่างการสร้างลำแสงและการแกว่งทำให้สามารถเชื่อมทังสเตนได้ฟรี{32}}การแตกร้าวซ้ำๆ โดยไม่ต้องอุ่นเครื่องหรือดัดแปลงวัสดุ
03
การวิเคราะห์กราฟิก
ข้อมูลที่มุมซ้ายบนของรูปที่ 1 แสดงให้เห็นว่าภายใต้เส้นผ่านศูนย์กลางจุดเดียวกัน (202 μm) และสภาวะกระบวนการ การไล่ระดับอุณหภูมิ G ของลำแสง RC 80/20 จะต่ำกว่าลำแสงแบบ Gaussian อย่างมีนัยสำคัญ ในขณะที่อัตราการเติบโต R จะสูงกว่าเล็กน้อย สิ่งสำคัญอยู่ที่ผลลัพธ์การคำนวณอัตราการทำความเย็นที่มุมขวาบน-อัตราการทำความเย็นของลำแสง RC 80/20 จะลดลงประมาณ 40% เมื่อเทียบกับลำแสงแบบเกาส์เซียนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางจุดเดียวกัน และลดลงอีกประมาณ 45% สำหรับลำแสงวงแหวน ส่วนตัดขวางของสระหลอมเหลว-ที่จำลองด้านล่างยังสะท้อนให้เห็นสิ่งนี้ด้วย: สระหลอมเหลวของลำแสงที่มีรูปทรงกว้างกว่าและตื้นกว่า ข้อมูลนี้อธิบายโดยตรงว่าเหตุใดการสร้างลำแสงจึงสามารถลดความเครียดจากความร้อน-ที่เกิดจากรอยแตกร้าวได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยให้การสนับสนุนอย่างมากสำหรับการทดลองครั้งต่อไปจากมุมมองทางอุณหพลศาสตร์
รูปที่ 2 สอดคล้องกับคานเกาส์เซียน หากไม่มีการสั่น รอยแตกตามยาวจะทะลุผ่านแนวเชื่อมทั้งหมด อย่างไรก็ตาม ด้วยการเพิ่มของการแกว่ง แม้จะมีความหนาแน่นของพลังงานเส้นใกล้เคียงกัน รอยแตกก็หายไปอย่างสมบูรณ์ รูปที่ 3 สอดคล้องกับลำแสง RC 80/20 หากไม่มีการสั่น รอยแตกยังคงมีอยู่ที่ความหนาแน่นพลังงานเส้นสูง เมื่อเพิ่มการสั่นเข้าไป รอยแตกร้าวก็จะถูกกำจัดออกไปโดยสิ้นเชิง สิ่งนี้แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าไม่ว่าลำแสงจะมีรูปทรงใดก็ตาม การแกว่งสามารถระงับรอยแตกร้าวได้อย่างมีประสิทธิภาพ กลไกคือการสั่นของลำแสงกวนสระที่หลอมละลาย ทำให้ความร้อนที่ป้อนเข้าไปมีความสม่ำเสมอมากขึ้น บ่อหลอมเหลวที่แคบและลึกแต่เดิมนั้นกว้างขึ้นอย่างเห็นได้ชัด และอัตราส่วนความลึก-ถึง-ความกว้างลดลงต่ำกว่า 1 โหมดการเชื่อมจะเปลี่ยนจากการเชื่อมแบบเจาะลึกเป็นการเชื่อมแบบการนำความร้อน ซึ่งจะช่วยคลายความเครียดจากความร้อน
รูปที่ 4 แสดงผลเชิงปริมาณของกลยุทธ์การประมวลผลในระดับโครงสร้างจุลภาค ด้านซ้ายแสดงให้เห็นว่าขนาดเกรนเฉลี่ยของลำแสงเกาส์เซียน (93 μm) อยู่ที่เพียง 10.2 μm; การใช้ RC 80/20 เพียงอย่างเดียว (202 μm) จะเพิ่มเป็น 14.3 μm; และเมื่อ RC 80/20 รวมเข้ากับการสั่น เกรนจะหยาบขึ้นอีก ซึ่งตรงกับผลลัพธ์การจำลองอัตราการทำความเย็นที่ลดลง 45% อย่างสมบูรณ์แบบ ข้อมูลอัตราส่วนภาพทางด้านขวาแสดงให้เห็นว่าเกรนของรูปร่างและการแกว่งรวมกันนั้นใกล้กับจุดเท่ากันมากขึ้น (อัตราส่วนใกล้กับ 1) ในขณะที่เกรนของลำแสงเกาส์เซียนนั้นมีลักษณะเป็นแนวเสาอย่างชัดเจน (อัตราส่วนที่ใหญ่กว่า) สัดส่วนที่สูงขึ้นและจำนวนเกรนเท่ากันมากขึ้นหมายความว่าคุณสมบัติเชิงกลของวัสดุนั้นมีไอโซโทรปิกมากขึ้น และความต้านทานต่อการแพร่กระจายของรอยแตกร้าวก็แข็งแกร่งขึ้น ดังนั้นจึงอธิบายได้ว่าทำไมรอยแตกร้าวจึงถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพในระดับโครงสร้างจุลภาค
04
สรุป
การศึกษานี้ยืนยันว่ากลยุทธ์ที่ผสมผสานระหว่างการสร้างลำแสงเลเซอร์และการสั่นช่วยให้เกิดการเชื่อมทังสเตนบริสุทธิ์ที่ไม่มีการแตกร้าว{0}}ซ้ำได้ โดยไม่ต้องอุ่นเครื่องหรือดัดแปลงวัสดุ ในบรรดาพารามิเตอร์ที่ทดสอบนั้น บีมแกนวงแหวน RC 80/20 รวมกับออสซิลเลชั่นให้ผลลัพธ์ที่ดีที่สุด โดยบรรลุ-อัตราการไร้รอยแตกที่ 91% ซึ่งสูงกว่าคานแบบเกาส์เซียน 36% อย่างมีนัยสำคัญ การรวมกันนี้ยับยั้งการแตกร้าวได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการลดความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูงสุดและกวนสระหลอมเหลว เปลี่ยนโหมดการเชื่อมเป็นความร้อน-ในการเชื่อม ลดอัตราการเย็นตัวลงได้มากถึง 45% และส่งเสริมการก่อตัวของผลึกที่สมดุลขนาดใหญ่ขึ้น รูปร่างลำแสง กำลังเลเซอร์ และความเร็วในการสแกนเป็นพารามิเตอร์หลักที่มีอิทธิพล ในขณะที่ความถี่การสั่นและแอมพลิจูดมีผลเพียงเล็กน้อย การวิจัยในอนาคตจำเป็นต้องตรวจสอบเพิ่มเติมถึงการบังคับใช้กลยุทธ์นี้ในการเคลือบหลาย-ชั้น หลาย-ผ่าน และในการผลิต PBF-LB/M จริง
