01
Abstrak
Tungsten, karena titik lelehnya yang tinggi, konduktivitas termal yang baik, dan retensi hidrogen yang rendah, merupakan bahan yang ideal untuk komponen berorientasi plasma{0}}dalam reaktor fusi nuklir. Namun, kerapuhan intrinsiknya dan suhu transisi getas (DBTT) yang tinggi dan ulet (DBTT) membuatnya sangat rentan terhadap retak selama pemrosesan laser. Hal ini pada dasarnya disebabkan oleh laju pendinginan dan gradien suhu yang sangat tinggi yang menyebabkan tekanan termal dan melemahnya batas butir. Metode yang ada untuk menekan keretakan termasuk pemanasan awal substrat, paduan nanopartikel, dan laser berdenyut, namun metode ini memiliki keterbatasan seperti degradasi bubuk, perubahan komposisi, atau peningkatan porositas. Dalam beberapa tahun terakhir, pembentukan sinar laser (seperti sinar cincin) telah digunakan untuk mengurangi kepadatan daya puncak, mengubah pengelasan penetrasi dalam menjadi pengelasan konduktif termal, yang secara efektif mengurangi gradien suhu dan laju pendinginan. Osilasi sinar laser dapat mengaduk kumpulan lelehan, selanjutnya menghomogenisasi masukan panas, dan mendorong pembentukan butiran yang seimbang. Kedua metode ini didasarkan pada kontrol termodinamika dan memiliki mekanisme yang saling melengkapi. Makalah ini mengusulkan penggabungan keduanya untuk menghasilkan pengelasan tungsten murni bebas retak-yang berulang tanpa pemanasan awal atau modifikasi. Pengaruh bentuk balok dan parameter osilasi pada retakan, kumpulan lelehan, dan struktur mikro dipelajari secara sistematis, memberikan referensi untuk pembuatan aditif selanjutnya.
02
Ringkasan
Studi ini secara sistematis membandingkan efek tiga bentuk sinar laser-sinar Gaussian, distribusi inti cincin (RC 80/20), dan sinar annular-terhadap perilaku retak las lintasan tunggal-pada pelat tipis tungsten murni dalam parameter osilasi yang berbeda. Menggabungkan simulasi termofisika, analisis mikroskop optik, dan karakterisasi EBSD, analisis multi-skala dilakukan, mulai dari statistik retakan makroskopik dan geometri kumpulan lelehan hingga struktur butiran mikroskopis. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa balok Gaussian, karena daya puncaknya yang terlalu tinggi, dengan mudah membentuk kolam cair yang dalam dan sempit (rasio kedalaman-terhadap-lebar > 1), menyebabkan retak parah, dengan tingkat bebas retak-hanya 36%. Sebaliknya, balok annular dan RC 80/20, dengan mengurangi kepadatan daya puncak, memperluas dan memperdangkal kolam cair, sehingga secara signifikan mengurangi gradien suhu dan laju pendinginan. Balok RC 80/20 saja dapat mencapai tingkat{19}}bebas retak sebesar 80%. Berdasarkan fondasi ini, penambahan osilasi sinar laser semakin menekan keretakan di semua jenis balok, dengan rasio aspek umumnya turun di bawah 1. Kombinasi RC 80/20 dan osilasi memiliki performa terbaik, mencapai tingkat bebas retak-91% di 55 set parameter. Selain itu, hal ini menghasilkan pembentukan kristal equiaxed yang lebih besar di dalam kolam cair, yang sangat sesuai dengan simulasi penurunan laju pendinginan hingga 45%. Analisis statistik akhir mengungkapkan bahwa bentuk sinar, kekuatan laser, dan kecepatan pemindaian merupakan parameter paling signifikan yang mempengaruhi inisiasi retakan, sedangkan frekuensi dan amplitudo osilasi tidak memiliki pengaruh signifikan dalam lingkup penelitian ini. Hal ini menunjukkan bahwa strategi gabungan pembentukan balok dan osilasi dapat menghasilkan pengelasan tungsten bebas retak berulang-tanpa pemanasan awal atau modifikasi material.
03
Analisis Grafis
Data di sudut kiri atas Gambar 1 menunjukkan bahwa, di bawah diameter titik yang sama (202 μm) dan kondisi proses, gradien suhu G dari balok RC 80/20 secara signifikan lebih rendah dibandingkan dengan balok Gaussian, sedangkan tingkat pertumbuhan R sedikit lebih tinggi. Kuncinya terletak pada hasil perhitungan laju pendinginan di pojok kanan atas-laju pendinginan balok RC 80/20 berkurang sekitar 40% dibandingkan balok Gaussian dengan diameter titik yang sama, dan selanjutnya dikurangi sekitar 45% untuk balok annular. Penampang kolam cair yang disimulasikan di bawah juga mencerminkan hal ini secara visual: kolam cair berbentuk balok lebih lebar dan dangkal. Data ini secara langsung menjelaskan mengapa pembentukan balok dapat secara efektif mengurangi retakan yang disebabkan oleh tegangan termal, sehingga memberikan dukungan kuat untuk eksperimen selanjutnya dari perspektif termodinamika.
Gambar 2 berhubungan dengan balok Gaussian. Tanpa osilasi, retakan memanjang menembus seluruh lasan. Namun, dengan penambahan osilasi, bahkan pada kepadatan energi garis yang sama, retakan tersebut hilang sepenuhnya. Gambar 3 menunjukkan sinar RC 80/20. Tanpa osilasi, retakan akan tetap ada pada kepadatan energi garis tinggi. Dengan penambahan osilasi, retakan dihilangkan sepenuhnya. Hal ini sepenuhnya menunjukkan bahwa apa pun bentuk baloknya, osilasi dapat secara efektif menekan retakan. Mekanismenya adalah osilasi sinar mengaduk kolam cair, membuat masukan panas lebih seragam. Kolam cair yang awalnya sempit dan dalam melebar secara signifikan, dan rasio kedalaman-terhadap-lebar turun di bawah 1. Mode pengelasan berubah dari pengelasan penetrasi dalam ke pengelasan konduksi panas, sehingga melepaskan tekanan termal.
Gambar 4 mengkuantifikasi pengaruh strategi pemrosesan pada tingkat mikrostruktur. Sisi kiri menunjukkan bahwa ukuran butir rata-rata berkas Gaussian (93 μm) hanya 10,2 μm; menggunakan RC 80/20 saja (202 μm) meningkatkannya menjadi 14,3 μm; dan ketika RC 80/20 dikombinasikan dengan osilasi, butirannya semakin kasar, yang sangat cocok dengan hasil simulasi pengurangan laju pendinginan sebesar 45%. Data rasio aspek di sebelah kanan menunjukkan bahwa butiran kombinasi bentuk dan osilasi lebih mendekati titik sama sumbu (rasio mendekati 1), sedangkan butiran balok Gaussian jelas berbentuk kolom (rasio lebih besar). Proporsi yang lebih tinggi dan jumlah butiran sama sumbu yang lebih besar berarti sifat mekanik material lebih isotropik, dan ketahanannya terhadap perambatan retak lebih kuat, sehingga menjelaskan mengapa retakan dapat ditekan secara efektif pada tingkat mikrostruktur.
04
Ringkasan
Studi ini menegaskan bahwa strategi gabungan pembentukan dan osilasi sinar laser dapat menghasilkan pengelasan tungsten murni bebas retak-berulang tanpa pemanasan awal atau modifikasi material. Di antara parameter yang diuji, balok inti cincin RC 80/20 yang dikombinasikan dengan osilasi memberikan hasil terbaik, mencapai tingkat bebas retak sebesar 91%, jauh lebih tinggi daripada balok Gaussian yang sebesar 36%. Kombinasi ini secara efektif menekan retakan dengan mengurangi kepadatan daya puncak dan mengaduk kolam cair, mengubah mode pengelasan menjadi panas-melakukan pengelasan, mengurangi laju pendinginan hingga 45%, dan mendorong pembentukan kristal equiaxed yang lebih besar. Bentuk sinar, kekuatan laser, dan kecepatan pemindaian adalah parameter utama yang mempengaruhi, sedangkan frekuensi dan amplitudo osilasi memiliki pengaruh yang kecil. Penelitian di masa depan perlu memverifikasi lebih lanjut penerapan strategi ini dalam laminasi multi-lapisan,-lintasan, dan manufaktur PBF-LB/M yang sebenarnya.
