En combinant des simulations avec des vidéos à haute vitesse prises pendant le processus de fusion laser sur lit de poudre, Les scientifiques du LLNL ont pu visualiser en temps réel la transition ductile à fragile dans du tungstène imprimé en 3D, leur permettant d'observer comment les microfissures s'amorcent et se propagent dans le métal. Les photos prises avec un microscope électronique à balayage montrent que le réseau de microfissures se ramifie à travers la piste de fusion laser à la surface et peut pénétrer profondément dans le matériau du substrat adjacent, préférentiellement le long des joints de grains. Crédit :Laboratoire national Lawrence Livermore
Bénéficiant des points de fusion et d'ébullition les plus élevés de tous les éléments connus, le tungstène est devenu un choix populaire pour les applications impliquant des températures extrêmes, y compris les filaments d'ampoules, soudage à l'arc, protection contre les rayonnements et, plus récemment, comme matériau face au plasma dans les réacteurs à fusion tels que le tokamak ITER.
Cependant, la fragilité inhérente du tungstène, et la microfissuration qui se produit lors de la fabrication additive (impression 3D) avec le métal rare, a entravé son adoption généralisée.
Pour caractériser comment et pourquoi ces microfissures se forment, Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont combiné des simulations thermomécaniques avec des vidéos à haute vitesse prises lors du processus d'impression 3D métallique par fusion laser sur lit de poudre (LPBF). Alors que les recherches précédentes se limitaient à l'examen des fissures après la construction, les scientifiques ont pu pour la première fois visualiser la transition ductile à fragile (DBT) dans le tungstène en temps réel, leur permettant d'observer comment les microfissures s'amorçaient et se propageaient à mesure que le métal se réchauffait et se refroidissait. L'équipe a pu corréler le phénomène de microfissuration avec des variables telles que la contrainte résiduelle, vitesse de déformation et température, et confirmez que le DBT a causé la fissuration.
Les chercheurs ont déclaré que l'étude, récemment publié dans la revue Acta Materialia et présenté dans le numéro de septembre du prestigieux Bulletin MRS, découvre les mécanismes fondamentaux derrière la fissuration du tungstène imprimé en 3D et définit une base de référence pour les efforts futurs visant à produire des pièces sans fissures à partir du métal.
« En raison de ses propriétés uniques, le tungstène a joué un rôle important dans les applications spécifiques à la mission pour le ministère de l'Énergie et le ministère de la Défense, ", a déclaré le co-chercheur principal Manyalibo "Ibo" Matthews. "Ce travail aide à ouvrir la voie à un nouveau territoire de traitement de fabrication additive pour le tungstène qui peut avoir un impact significatif sur ces missions."
Grâce à leurs observations expérimentales et à la modélisation informatique réalisée à l'aide du code d'éléments finis Diablo de LLNL, les chercheurs ont découvert que la microfissuration du tungstène se produit dans une petite fenêtre entre 450 et 650 degrés Kelvin et dépend de la vitesse de déformation, qui est directement influencé par les paramètres du processus. Ils ont également pu corréler la taille de la zone affectée par les fissures et la morphologie du réseau de fissures aux contraintes résiduelles locales.
Lawrence Fellow Bey Vrancken, l'auteur principal et co-chercheur principal de l'article, conçu et réalisé les expériences et a également effectué la plupart de l'analyse des données.
"J'avais émis l'hypothèse qu'il y aurait un retard dans la fissuration pour le tungstène, mais les résultats ont largement dépassé mes attentes, " a déclaré Vrancken. " Le modèle thermomécanique a fourni une explication pour toutes nos observations expérimentales, et les deux étaient suffisamment détaillés pour capturer la dépendance de la vitesse de déformation du DBT. Avec cette méthode, nous disposons d'un excellent outil pour déterminer les stratégies les plus efficaces pour éliminer la fissuration lors du LPBF du tungstène."
Les chercheurs ont déclaré que le travail fournit une description détaillée, compréhension fondamentale de l'influence des paramètres de processus et de la géométrie de la masse fondue sur la formation de fissures et montre l'impact de la composition du matériau et du préchauffage sur l'intégrité structurelle des pièces imprimées avec du tungstène. L'équipe a conclu que l'ajout de certains éléments d'alliage pourrait aider à réduire la transition DBT et à renforcer le métal, tandis que le préchauffage pourrait aider à atténuer les microfissures.
L'équipe utilise les résultats pour évaluer les techniques existantes d'atténuation des fissures, telles que les modifications de processus et d'alliage. Les résultats, ainsi que les diagnostics développés pour l'étude, sera cruciale pour l'objectif ultime du Laboratoire d'imprimer en 3D des pièces en tungstène sans fissures pouvant résister à des environnements extrêmes, les chercheurs ont dit.
