Med de högsta smält- och kokpunkterna för alla kända grundämnen, volfram har blivit ett populärt val för applikationer som involverar extrema temperaturer, inklusive glödlampsglödtrådar, bågsvetsning, strålningsskärmning och, på senare tid, som plasmavändande material i fusionsreaktorer som ITER Tokamak.

Dock, volframs inneboende sprödhet, och mikrosprickbildningen som uppstår vid additiv tillverkning (3-D-utskrift) med den sällsynta metallen, har hindrat dess utbredda antagande.

För att karakterisera hur och varför dessa mikrosprickor bildas, Forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har kombinerat termomekaniska simuleringar med höghastighetsvideor tagna under laserpulverbäddfusion (LPBF) metall 3-D-utskrift. Medan tidigare forskning var begränsad till att undersöka sprickor efter konstruktion, forskare kunde för första gången visualisera den sega-till-spröda övergången (DBT) i volfram i realtid, så att de kan observera hur mikrosprickor initierades och spred sig när metallen värmdes och kyldes. Teamet kunde korrelera mikrosprickningsfenomenet med variabler som kvarvarande stress, töjningshastighet och temperatur, och bekräfta att DBT orsakade sprickan.

Forskare sa att studien, nyligen publicerad i tidskriften Acta Materialia och med i septembernumret av den prestigefyllda MRS Bulletin, avslöjar de grundläggande mekanismerna bakom sprickbildning i 3D-tryckt volfram och sätter en baslinje för framtida ansträngningar att producera sprickfria delar av metallen.

"På grund av dess unika egenskaper, volfram har spelat en betydande roll i uppdragsspecifika applikationer för Department of Energy och Department of Defense, ", sa co-rektor utredare Manyalibo "Ibo" Matthews. "Detta arbete hjälper till att bana väg mot ett nytt område för bearbetning av additiv tillverkning av volfram som kan ha betydande inverkan på dessa uppdrag."

Genom sina experimentella observationer och beräkningsmodeller utförda med LLNL:s Diablo finita elementkod, forskarna fann att mikrosprickbildning i volfram förekommer i ett litet fönster mellan 450 och 650 grader Kelvin och är beroende av töjningshastigheten, som direkt påverkas av processparametrar. De kunde också korrelera storleken på det sprickpåverkade området och spricknätets morfologi till lokala kvarvarande spänningar.

Lawrence Fellow Bey Vrancken, tidningens huvudförfattare och medansvarig utredare, designade och utförde experimenten och genomförde även större delen av dataanalysen.

"Jag hade antagit att det skulle bli en fördröjning i sprickbildningen för volfram, men resultatet överträffade avsevärt mina förväntningar, " sa Vrancken. "Den termomekaniska modellen gav en förklaring till alla våra experimentella observationer, och båda var tillräckligt detaljerade för att fånga töjningshastighetsberoendet av DBT. Med denna metod, vi har ett utmärkt verktyg för att bestämma de mest effektiva strategierna för att eliminera sprickbildning under LPBF av volfram."

Forskare sa att arbetet ger en detaljerad, grundläggande förståelse för inverkan av processparametrar och smältgeometri på sprickbildning och visar vilken påverkan materialsammansättning och förvärmning har på den strukturella integriteten hos delar tryckta med volfram. Teamet drog slutsatsen att tillsats av vissa legeringselement kan hjälpa till att minska DBT-övergången och stärka metallen, medan förvärmning kan hjälpa till att lindra mikrosprickbildning.

Teamet använder resultaten för att utvärdera befintliga sprickreducerande tekniker, såsom process- och legeringsmodifieringar. Resultaten, tillsammans med den diagnostik som utvecklats för studien, kommer att vara avgörande för laboratoriets slutliga mål att 3-D-printa sprickfria volframdelar som tål extrema miljöer, sa forskare.