01
Abstracto
El tungsteno, debido a su alto punto de fusión, buena conductividad térmica y baja retención de hidrógeno, es un material ideal para componentes orientados al plasma-en reactores de fusión nuclear. Sin embargo, su fragilidad intrínseca y su alta temperatura de transición dúctil-frágil (DBTT) lo hacen altamente susceptible al agrietamiento durante el procesamiento láser. Esto se debe fundamentalmente a la velocidad de enfriamiento extremadamente alta y al gradiente de temperatura que provoca estrés térmico y debilitamiento de los límites del grano. Los métodos existentes para suprimir el agrietamiento incluyen el precalentamiento del sustrato, la aleación de nanopartículas y los láseres pulsados, pero estos métodos tienen limitaciones como la degradación del polvo, cambios de composición o aumento de la porosidad. En los últimos años, la conformación de rayos láser (como haces anulares) se ha utilizado para reducir la densidad de potencia máxima, transformando la soldadura de penetración profunda en soldadura térmicamente conductora, reduciendo efectivamente los gradientes de temperatura y las velocidades de enfriamiento. La oscilación del rayo láser puede agitar el baño fundido, homogeneizar aún más la entrada de calor y promover la formación de granos equiaxiales. Ambos métodos se basan en el control termodinámico y tienen mecanismos complementarios. Este artículo propone combinarlos para lograr una soldadura repetible sin grietas-de tungsteno puro sin precalentamiento ni modificación. Se estudian sistemáticamente los efectos de la forma del haz y los parámetros de oscilación sobre las grietas, el baño fundido y la microestructura, proporcionando una referencia para la posterior fabricación aditiva.
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Descripción general
Este estudio comparó sistemáticamente los efectos de tres formas de rayo láser:-haz gaussiano, distribución de núcleo anular (RC 80/20) y haz anular-en el comportamiento de agrietamiento de soldaduras de una sola-pasada en placas delgadas de tungsteno puro bajo diferentes parámetros de oscilación. Combinando simulación termofísica, análisis de microscopía óptica y caracterización EBSD, se realizó un análisis a múltiples escalas, desde estadísticas macroscópicas de grietas y geometría del baño fundido hasta la estructura microscópica del grano. Los resultados experimentales muestran que el haz gaussiano, debido a su potencia máxima excesivamente alta, forma fácilmente un charco de fusión profundo y estrecho (proporción de profundidad-a-ancho > 1), lo que provoca un agrietamiento severo, con una tasa libre de grietas-de solo el 36 %. Por el contrario, los haces anulares y RC 80/20, al reducir la densidad de potencia máxima, ensanchan y hacen menos profundo el baño fundido, reduciendo significativamente el gradiente de temperatura y la velocidad de enfriamiento. La viga RC 80/20 por sí sola puede lograr una tasa de ausencia de grietas del 80%. Sobre la base de esta base, la adición de la oscilación del rayo láser suprimió aún más las grietas en todos los tipos de vigas, con relaciones de aspecto que generalmente caían por debajo de 1. La combinación de RC 80/20 y oscilación funcionó mejor, logrando una tasa libre de grietas-del 91 % en 55 conjuntos de parámetros. Además, dio como resultado la formación de cristales equiaxiales más grandes dentro del baño fundido, lo que coincide estrechamente con la reducción simulada de la velocidad de enfriamiento de hasta un 45%. El análisis estadístico final reveló que la forma del haz, la potencia del láser y la velocidad de escaneo fueron los parámetros más importantes que afectaron la iniciación de la grieta, mientras que la frecuencia y amplitud de la oscilación no tuvieron un impacto significativo dentro del alcance de este estudio. Esto demuestra que la estrategia combinada de conformación del haz y oscilación puede lograr una soldadura repetible de tungsteno sin fisuras-sin precalentamiento ni modificación del material.
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Análisis gráfico
Los datos en la esquina superior izquierda de la Figura 1 muestran que, bajo el mismo diámetro de punto (202 μm) y condiciones de proceso, el gradiente de temperatura G del haz RC 80/20 es significativamente menor que el del haz gaussiano, mientras que la tasa de crecimiento R es ligeramente mayor. La clave está en los resultados del cálculo de la velocidad de enfriamiento en la esquina superior derecha-la velocidad de enfriamiento del haz RC 80/20 se reduce en aproximadamente un 40 % en comparación con el haz gaussiano con el mismo diámetro de punto, y se reduce aún más en aproximadamente un 45 % para el haz anular. La sección transversal simulada del baño fundido-a continuación también refleja esto visualmente: el baño fundido de la viga moldeada es más ancho y menos profundo. Estos datos explican directamente por qué la conformación de la viga puede reducir eficazmente las grietas inducidas por tensión térmica-, lo que proporciona un fuerte apoyo para experimentos posteriores desde una perspectiva termodinámica.
La figura 2 corresponde a un haz gaussiano. Sin oscilación, una grieta longitudinal atraviesa toda la soldadura. Sin embargo, con la adición de oscilación, incluso con densidades de energía de línea similares, la grieta desaparece por completo. La figura 3 corresponde a una viga RC 80/20. Sin oscilación, todavía existe una grieta en densidades de energía de línea altas. Con la adición de oscilación, la grieta se elimina por completo. Esto demuestra plenamente que, independientemente de la forma de la viga, la oscilación puede suprimir eficazmente las grietas. El mecanismo es que la oscilación del haz agita el baño fundido, haciendo que la entrada de calor sea más uniforme. El baño fundido originalmente estrecho y profundo se ensancha significativamente y la relación profundidad-a-ancho cae por debajo de 1. El modo de soldadura cambia de soldadura de penetración profunda a soldadura por conducción de calor, liberando así el estrés térmico.
La Figura 4 cuantifica el efecto de la estrategia de procesamiento a nivel microestructural. El lado izquierdo muestra que el tamaño de grano promedio del haz gaussiano (93 μm) es de sólo 10,2 μm; utilizando solo RC 80/20 (202 μm) se aumenta a 14,3 μm; y cuando RC 80/20 se combina con oscilación, los granos se vuelven más gruesos, lo que coincide perfectamente con el resultado de la simulación de una reducción del 45 % en la velocidad de enfriamiento. Los datos de relación de aspecto de la derecha muestran que los granos de la combinación de conformación y oscilación están más cerca de ser equiaxiales (relación cercana a 1), mientras que los granos del haz gaussiano son claramente columnares (relación mayor). Una mayor proporción y un mayor número de granos equiaxiales significan que las propiedades mecánicas del material son más isotrópicas y su resistencia a la propagación de grietas es mayor, lo que explica por qué las grietas se suprimen eficazmente a nivel microestructural.
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Resumen
Este estudio confirma que una estrategia combinada de oscilación y conformación del rayo láser puede lograr una soldadura repetible y libre de grietas-de tungsteno puro sin precalentamiento ni modificación del material. Entre los parámetros probados, la viga con núcleo de anillo RC 80/20 combinada con oscilación produjo los mejores resultados, logrando una tasa libre de grietas-del 91 %, significativamente mayor que el 36 % de la viga gaussiana. Esta combinación suprime eficazmente las grietas al reducir la densidad de potencia máxima y agitar el baño fundido, transformando el modo de soldadura en soldadura termoconductora, reduciendo la velocidad de enfriamiento hasta en un 45 % y promoviendo la formación de cristales equiaxiales más grandes. La forma del haz, la potencia del láser y la velocidad de escaneo son los parámetros clave que influyen, mientras que la frecuencia y amplitud de oscilación tienen poco efecto. Es necesario realizar investigaciones futuras para verificar más a fondo la aplicabilidad de esta estrategia en la laminación multi-capa y multi-pasada y en la fabricación real de PBF-LB/M.
