Con los puntos de fusión y ebullición más altos de todos los elementos conocidos, El tungsteno se ha convertido en una opción popular para aplicaciones que involucran temperaturas extremas, incluidos los filamentos de las bombillas, soldadura por arco, protección contra la radiación y, más recientemente, como material de revestimiento de plasma en reactores de fusión como el ITER Tokamak.

Sin embargo, la fragilidad inherente del tungsteno, y las microfisuras que se producen durante la fabricación aditiva (impresión 3-D) con el metal raro, ha obstaculizado su adopción generalizada.

Para caracterizar cómo y por qué se forman estas microgrietas, Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han combinado simulaciones termomecánicas con videos de alta velocidad tomados durante el proceso de impresión 3D de metal por fusión de lecho de polvo láser (LPBF). Mientras que la investigación anterior se limitó a examinar las grietas posteriores a la construcción, los científicos pudieron visualizar por primera vez la transición dúctil a frágil (DBT) en tungsteno en tiempo real, permitiéndoles observar cómo las microfisuras se iniciaban y se extendían a medida que el metal se calentaba y enfriaba. El equipo pudo correlacionar el fenómeno de las microfisuras con variables como el estrés residual, velocidad de deformación y temperatura, y confirme que el DBT causó el agrietamiento.

Los investigadores dijeron que el estudio, publicado recientemente en la revista Acta Materialia y aparece en la edición de septiembre del prestigioso MRS Bulletin, descubre los mecanismos fundamentales detrás del agrietamiento en tungsteno impreso en 3D y establece una línea de base para los esfuerzos futuros para producir piezas libres de grietas a partir del metal.

"Debido a sus propiedades únicas, El tungsteno ha jugado un papel importante en aplicaciones específicas de misión para el Departamento de Energía y el Departamento de Defensa, ", dijo el co-investigador principal Manyalibo" Ibo "Matthews." Este trabajo ayuda a allanar el camino hacia un nuevo territorio de procesamiento de fabricación aditiva para tungsteno que puede tener un impacto significativo en estas misiones ".

A través de sus observaciones experimentales y modelado computacional realizado utilizando el código de elementos finitos Diablo de LLNL, Los investigadores encontraron que la microfisuración en el tungsteno ocurre en una pequeña ventana entre 450 y 650 grados Kelvin y depende de la velocidad de deformación. que está directamente influenciado por los parámetros del proceso. También pudieron correlacionar el tamaño del área afectada por las fisuras y la morfología de la red de fisuras con las tensiones residuales locales.

Bey Vrancken, miembro de Lawrence, el autor principal y el co-investigador principal del artículo, diseñó y realizó los experimentos y también llevó a cabo la mayor parte del análisis de datos.

"Tenía la hipótesis de que habría un retraso en el agrietamiento del tungsteno, pero los resultados superaron con creces mis expectativas, ", Dijo Vrancken." El modelo termomecánico proporcionó una explicación para todas nuestras observaciones experimentales, y ambos fueron lo suficientemente detallados para capturar la dependencia de la velocidad de deformación del DBT. Con este método, contamos con una excelente herramienta para determinar las estrategias más efectivas para eliminar el agrietamiento durante la LPBF del tungsteno ".

Los investigadores dijeron que el trabajo proporciona un comprensión fundamental de la influencia de los parámetros del proceso y la geometría de la masa fundida en la formación de grietas y muestra el impacto que la composición del material y el precalentamiento tienen en la integridad estructural de las piezas impresas con tungsteno. El equipo concluyó que agregar ciertos elementos de aleación podría ayudar a reducir la transición DBT y fortalecer el metal, mientras que el precalentamiento podría ayudar a mitigar las microfisuras.

El equipo está utilizando los resultados para evaluar las técnicas existentes de mitigación de grietas, como modificaciones de procesos y aleaciones. Los resultados, junto con los diagnósticos desarrollados para el estudio, será crucial para el objetivo final del laboratorio de imprimir en 3D piezas de tungsteno sin grietas que puedan soportar entornos extremos, dijeron los investigadores.