01
Abstrait
Le tungstène, en raison de son point de fusion élevé, de sa bonne conductivité thermique et de sa faible rétention d'hydrogène, est un matériau idéal pour les composants orientés plasma-dans les réacteurs à fusion nucléaire. Cependant, sa fragilité intrinsèque et sa température de transition fragile (DBTT) élevée le rendent très susceptible à la fissuration lors du traitement laser. Cela est fondamentalement dû à la vitesse de refroidissement et au gradient de température extrêmement élevés, qui entraînent des contraintes thermiques et un affaiblissement des joints de grains. Les méthodes existantes pour supprimer les fissures comprennent le préchauffage du substrat, l'alliage de nanoparticules et les lasers pulsés, mais ces méthodes présentent des limites telles que la dégradation de la poudre, les changements de composition ou l'augmentation de la porosité. Ces dernières années, la mise en forme de faisceaux laser (tels que les faisceaux annulaires) a été utilisée pour réduire la densité de puissance maximale, transformant le soudage à pénétration profonde en soudage thermiquement conducteur, réduisant ainsi efficacement les gradients de température et les vitesses de refroidissement. L'oscillation du faisceau laser peut remuer le bain de fusion, homogénéiser davantage l'apport de chaleur et favoriser la formation de grains équiaxes. Les deux méthodes sont basées sur le contrôle thermodynamique et disposent de mécanismes complémentaires. Cet article propose de les combiner pour obtenir un soudage reproductible sans fissures - de tungstène pur sans préchauffage ni modification. Les effets de la forme du faisceau et des paramètres d'oscillation sur les fissures, le bain de fusion et la microstructure sont systématiquement étudiés, fournissant ainsi une référence pour la fabrication additive ultérieure.
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Aperçu
Cette étude a comparé systématiquement les effets de trois formes de faisceau laser -faisceau gaussien, distribution du noyau annulaire (RC 80/20) et faisceau annulaire-sur le comportement à la fissuration de soudures à un seul-passage dans des plaques minces en tungstène pur sous différents paramètres d'oscillation. Combinant simulation thermophysique, analyse par microscopie optique et caractérisation EBSD, une analyse multi-échelle a été réalisée, depuis les statistiques macroscopiques de fissures et la géométrie du bain fondu jusqu'à la structure microscopique des grains. Les résultats expérimentaux montrent que le faisceau gaussien, en raison de sa puissance de crête excessivement élevée, forme facilement un bassin fondu profond et étroit (rapport profondeur-sur-largeur > 1), conduisant à de graves fissures, avec un taux sans fissure-de seulement 36 %. En revanche, les faisceaux annulaires et RC 80/20, en réduisant la densité de puissance maximale, élargissent et réduisent la profondeur du bain de fusion, réduisant ainsi considérablement le gradient de température et la vitesse de refroidissement. La poutre RC 80/20 à elle seule peut atteindre un taux de fissures-sans fissures de 80 %. S'appuyant sur cette base, l'ajout de l'oscillation du faisceau laser a encore supprimé les fissures dans tous les types de faisceaux, avec des rapports d'aspect tombant généralement en dessous de 1. La combinaison du RC 80/20 et de l'oscillation a donné de meilleurs résultats, atteignant un taux sans fissures de 91 % sur 55 ensembles de paramètres. En outre, cela a entraîné la formation de cristaux équiaxes plus grands dans le bain fondu, correspondant étroitement à la réduction simulée de la vitesse de refroidissement allant jusqu'à 45 %. L'analyse statistique finale a révélé que la forme du faisceau, la puissance du laser et la vitesse de balayage étaient les paramètres les plus importants affectant l'initiation des fissures, tandis que la fréquence et l'amplitude des oscillations n'avaient aucun impact significatif dans le cadre de cette étude. Cela démontre que la stratégie combinée de mise en forme du faisceau et d'oscillation peut permettre un soudage reproductible du tungstène sans fissures, sans préchauffage ni modification du matériau.
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Analyse graphique
Les données dans le coin supérieur gauche de la figure 1 montrent que, sous le même diamètre de spot (202 µm) et les mêmes conditions de traitement, le gradient de température G du faisceau RC 80/20 est nettement inférieur à celui du faisceau gaussien, tandis que le taux de croissance R est légèrement supérieur. La clé réside dans les résultats du calcul de la vitesse de refroidissement dans le coin supérieur droit-la vitesse de refroidissement du faisceau RC 80/20 est réduite d'environ 40 % par rapport au faisceau gaussien avec le même diamètre de spot, et encore réduite d'environ 45 % pour le faisceau annulaire. La section transversale simulée du bassin de fusion ci-dessous reflète également ceci : le bassin de fusion du faisceau façonné est plus large et moins profond. Ces données expliquent directement pourquoi la mise en forme du faisceau peut réduire efficacement les fissures induites par les contraintes thermiques-, fournissant ainsi un solide support pour les expériences ultérieures d'un point de vue thermodynamique.
La figure 2 correspond à un faisceau gaussien. Sans oscillation, une fissure longitudinale pénètre toute la soudure. Cependant, avec l’ajout d’oscillations, même à des densités d’énergie de ligne similaires, la fissure disparaît complètement. La figure 3 correspond à une poutre RC 80/20. Sans oscillation, une fissure existe toujours à des densités d'énergie de ligne élevées. Avec l’ajout d’oscillations, la fissure est complètement éliminée. Cela démontre pleinement que quelle que soit la forme de la poutre, l’oscillation peut supprimer efficacement les fissures. Le mécanisme est que l’oscillation du faisceau remue le bain de fusion, rendant l’apport de chaleur plus uniforme. Le bassin de fusion initialement étroit et profond est considérablement élargi et le rapport profondeur-sur-largeur tombe en dessous de 1. Le mode de soudage passe du soudage à pénétration profonde au soudage par conduction thermique, libérant ainsi la contrainte thermique.
La figure 4 quantifie l'effet de la stratégie de traitement au niveau microstructural. Le côté gauche montre que la taille moyenne des grains du faisceau gaussien (93 µm) n’est que de 10,2 µm ; l'utilisation du RC 80/20 seul (202 µm) l'augmente à 14,3 µm ; et lorsque le RC 80/20 est combiné à l'oscillation, les grains grossissent davantage, ce qui correspond parfaitement au résultat de simulation d'une réduction de 45 % de la vitesse de refroidissement. Les données de rapport d'aspect à droite montrent que les grains de la combinaison de mise en forme et d'oscillation sont plus proches de l'équiaxe (rapport proche de 1), tandis que les grains du faisceau gaussien sont clairement en colonnes (rapport plus grand). Une proportion plus élevée et un plus grand nombre de grains équiaxes signifient que les propriétés mécaniques du matériau sont plus isotropes et que sa résistance à la propagation des fissures est plus forte, expliquant ainsi pourquoi les fissures sont efficacement supprimées au niveau microstructural.
04
Résumé
Cette étude confirme qu'une stratégie combinée de mise en forme du faisceau laser et d'oscillation peut permettre un soudage reproductible sans fissures-de tungstène pur, sans préchauffage ni modification du matériau. Parmi les paramètres testés, la poutre à noyau annulaire RC 80/20 combinée à l'oscillation a donné les meilleurs résultats, atteignant un taux sans fissures-de 91 %, nettement supérieur aux 36 % du faisceau gaussien. Cette combinaison supprime efficacement les fissures en réduisant la densité de puissance maximale et en remuant le bain de fusion, transformant le mode de soudage en soudage conducteur de chaleur, réduisant la vitesse de refroidissement jusqu'à 45 % et favorisant la formation de cristaux équiaxes plus gros. La forme du faisceau, la puissance du laser et la vitesse de balayage sont les principaux paramètres d'influence, tandis que la fréquence et l'amplitude des oscillations ont peu d'effet. Les recherches futures doivent vérifier davantage l'applicabilité de cette stratégie dans le laminage multi-couches et multi-passes et dans la fabrication PBF-LB/M réelle.
