01
Папір Вступ
Ітрій{0}}стабілізована діоксид цирконію (YSZ) кераміка широко використовується в інженерних галузях-таких як термічні бар’єрні покриття та біомедицина-завдяки її високій температурі плавлення, винятковій твердості та чудовій стійкості до корозії. Традиційні методи з’єднання кераміки (наприклад, пайка та дифузійне з’єднання) зазвичай вимагають тривалої термічної обробки всієї збірки в -печі з високою температурою; цей процес може поставити під загрозу функціональність внутрішніх електронних компонентів, а розмір зразків, що обробляються, сильно обмежений розмірами камери печі. Отже, існує нагальна потреба в розробці швидких, локальних методів з’єднання, що характеризуються низьким тепловим навантаженням. У той час як надшвидке лазерне зварювання пропонує явну перевагу надзвичайно низького теплового навантаження, пряме зварювання кераміки YSZ призводить до висококонцентрованого відкладення енергії, що спричиняє серйозну абляцію матеріалу. Ця абляція проявляється у вигляді гострих трикутних виїмок, які викликають значну концентрацію напруги і в кінцевому підсумку призводять до міцності з’єднання, значно нижчої, ніж у вихідного матеріалу.
02
**Огляд повного тексту**
Щоб вирішити критичні проблеми сильної абляції та концентрації напруги, це дослідження пропонує новий метод зварювання плавленням YSZ кераміки з використанням осцилюючого надшвидкого лазера. Керуючи надшвидким лазером, коливаючись уздовж певної траєкторії, ця техніка розширює зону взаємодії між лазером і підкладкою, тим самим розсіюючи щільність лазерної енергії на межі розділу. Результати демонструють, що, порівняно з прямим зварюванням, коливальне зварювання перетворює різкі виїмки абляції на гладкі, схожі на пальці-, і викликає утворення вигнутої стовпчастої зернистої структури в зоні плавлення, таким чином значно покращуючи механічні властивості з’єднання. Крім того, щоб подолати проблему недостатньої глибини проплавлення, пов’язану з одно-стороннім зварюванням, у цьому дослідженні успішно реалізовано двосторонню-технологію коливального зварювання; завдяки цьому підходу досягнуто зварювання на повну-товщину без дефектів неповного провару, що призвело до подальшого суттєвого покращення міцності з’єднання на вигин у чотирьох-точках.
03
**Ілюстрований аналіз**
На малюнку 1 показано принципи процесу коливального надшвидкого лазерного зварювання та його сприятливий вплив на макро- та мікро-морфологію отриманих з’єднань. Під час процесу зварювання зразок розташовується на-керованій комп’ютером три{5}}осьовій платформі (XYZ); коли лазерний промінь проходить лінійно вздовж осі Y-, він одночасно зазнає бокових коливань уздовж осі X- за трикутною формою хвилі (рис.. 1a і 1b). Цей перерозподіл енергії за допомогою коливань перетворює гострі трикутні надрізи-, які зазвичай утворюються під час прямого (не{12}}осцилюючого) зварювання (рис. 1-c1)-у більш гладкі, схожі на пальці-насічки (рис. 1c), таким чином ефективно пом’якшуючи концентрацію напруги в цих місцях. З точки зору мікроструктури, перемішувальна дія осцилюючого лазера на розплавлену ванну викликає утворення вигнутих стовпчастих зернистих структур у з’єднанні, орієнтованих паралельно траєкторії коливань лазера (рис. 1e). Морфологія руйнування зони плавлення (область II) (рис.. 1d) додатково показує, що під механічним навантаженням ці хвилясті подовжені стовпчасті зерна мають тенденцію руйнуватися вздовж їхніх меж зерен і площин розколу. Оскільки тріщини поширюються вздовж цих вигнутих меж зерен, вони змушені постійно змінювати свій напрямок; це значно збільшує як площу поверхні поширення тріщини, так і енергію, необхідну для руйнування, тим самим суттєво покращуючи механічні властивості з’єднання.
Рисунок 2 всебічно ілюструє мікроструктурні відмінності між з’єднаннями, отриманими за допомогою одно- та дво- осциляційного надшвидкого лазерного зварювання, а також вплив цих відмінностей на міцність на чотирьох-точковому згині. На рисунку 2а представлено поперечний-розріз і морфологію руйнування з’єднання, звареного за допомогою односторонньої-осциляційної техніки при потужності лазера 900 мВт і швидкості зварювання 0,1 мм/с. Оскільки метод-односторонніх коливань розсіює лазерну енергію, глибина плавлення значно зменшується; отже, зварювання-на повну товщину не досягається, залишаючи чіткі нескріплені ділянки всередині з’єднання. Під прикладеним навантаженням ці непрониклі області викликають сильну концентрацію напруги, тим самим обмежуючи будь-яке подальше покращення механічних властивостей з’єднання. Стратегія двостороннього{15}}осциляційного зварювання-спеціально запроваджена для подолання цього вузького місця-виявилася надзвичайно ефективною. Як показано на малюнку 2b, за ідентичних параметрів обробки дво-технологія зварювання успішно досягла повного зварювання з’єднання, ефективно усуваючи концентрацію напруги, спричинену нескріпленими ділянками, і суттєво збільшуючи ефективну площу з’єднання. Порівняння механічних властивостей, представлене на малюнку 2c, забезпечує візуальне підтвердження значного збільшення міцності в результаті цих морфологічних покращень. Для одностороннього-зварювання максимальна міцність 53,9 МПа була досягнута при швидкості зварювання 0,05 мм/с; навпаки, при застосуванні техніки дво-стороннього зварювання максимальна міцність на вигин 56,2 МПа була досягнута при швидкості 0,10 мм/с-, що становить 102,2% покращення порівняно з прямим зварюванням. Це переконливо демонструє вирішальні переваги двостороннього коливального зварювання в усуненні внутрішніх дефектів і покращенні загальних механічних характеристик керамічних з’єднань.
