01
Хартия Въведение
Итрий-стабилизираната циркониева (YSZ) керамика се използва широко в инженерни области-като термични бариерни покрития и биомедицина-поради високата си точка на топене, изключителна твърдост и отлична устойчивост на корозия. Традиционните керамични техники за свързване (напр. запояване и дифузионно свързване) обикновено изискват подлагане на цялата сглобка на продължителна термична обработка във високо-температурна пещ; този процес може да компрометира функционалността на вътрешно капсулираните електронни компоненти, а размерът на пробите, които се обработват, е силно ограничен от размерите на камерата на пещта. Следователно има спешна необходимост от разработване на бързи, локализирани техники за свързване, характеризиращи се с ниска топлинна мощност. Докато ултрабързото лазерно заваряване предлага отчетливото предимство на изключително ниска входна топлина, директното заваряване на YSZ керамика води до силно концентрирано отлагане на енергия, което причинява тежка аблация на материала. Тази аблация се проявява като остри, триъгълни прорези, които предизвикват значителни концентрации на напрежение и в крайна сметка водят до якост на съединението, значително по-ниска от тази на основния материал.
02
**Пълен текстов преглед**
За да се отговори на критичните проблеми на тежка аблация и концентрация на напрежение, това проучване предлага нов метод за заваряване чрез стопяване на YSZ керамика, използвайки осцилиращ ултрабърз лазер. Чрез контролиране на ултрабързия лазер да осцилира по определена траектория, тази техника разширява зоната на взаимодействие между лазера и субстрата, като по този начин разпръсква плътността на лазерната енергия на интерфейса. Резултатите показват, че в сравнение с директното заваряване, осцилиращото заваряване трансформира острите аблационни прорези в гладки, подобни на пръсти прорези и предизвиква образуването на извита колонна зърнеста структура в зоната на топене, като по този начин значително подобрява механичните свойства на съединението. Освен това, за да се преодолее проблемът с недостатъчната дълбочина на проникване, свързан с едно-странното заваряване, това проучване успешно приложи двустранна-техника на осцилиращо заваряване; този подход постигна заваряване с пълна-дебелина без дефекти при непълно проникване, което доведе до допълнително значително подобрение на якостта на огъване в четирите{7}} точки на съединението.
03
**Илюстриран анализ**
Фигура 1 илюстрира принципите на процеса на осцилиращо ултрабързо лазерно заваряване и неговите благоприятни ефекти върху макро- и микро-морфологията на получените съединения. По време на процеса на заваряване образецът се позиционира върху-компютърно управлявана платформа за движение по три-оси (XYZ); докато лазерният лъч се движи линейно по оста Y-, той едновременно претърпява странично колебание по оста X- след триъгълна форма на вълната (Фигури. 1a и 1b). Това преразпределение на енергия чрез трептене трансформира острите, триъгълни прорези за аблация-, обикновено генерирани по време на директно (не-осцилиращо) заваряване (Фигура. 1-c1)-в по-гладки, подобни на пръст-прорези (Фигура. 1c), като по този начин ефективно намалява концентрацията на напрежение в тези места. По отношение на микроструктурата, разбъркващото действие на осцилиращия лазер върху разтопената вана предизвиква образуването на извити колоновидни зърнести структури във връзката, ориентирани успоредно на траекторията на трептене на лазера (Фигура. 1e). Морфологията на фрактурата на зоната на сливане (област II) (Фигура. 1d) допълнително разкрива, че при механично натоварване тези вълнообразни, удължени колоновидни зърна са склонни да се счупят по границите на зърната и равнините на разцепване. Тъй като пукнатините се разпространяват по тези извити граници на зърната, те са принудени постоянно да променят посоката си; това значително увеличава както повърхността на разпространение на пукнатината, така и енергията, необходима за счупване, като по този начин значително подобрява механичните свойства на съединението.
Фигура 2 изчерпателно илюстрира микроструктурните разлики между съединенията, произведени чрез едно-странно и дву-странно осцилиращо ултрабързо лазерно заваряване, както и въздействието на тези разлики върху четири-точковата якост на огъване. Фигура 2а представя напречното-разрез и морфологията на счупване на съединение, заварено с помощта на едностранна-техника на осцилация при лазерна мощност от 900 mW и скорост на заваряване от 0,1 mm/s. Тъй като техниката на едностранно{11}}осцилиране разпръсква лазерната енергия, дълбочината на стопилката е значително намалена; следователно не се постига заваряване с пълна{12}}дебелина, оставяйки отделни несвързани области в рамките на съединението. При приложено натоварване, тези непроникнали области предизвикват сериозни концентрации на напрежение, като по този начин ограничават всяко по-нататъшно подобряване на механичните свойства на съединението. Стратегията за двустранно-заваряване с осцилация-въведена специално за преодоляване на това препятствие-се доказа като изключително ефективна. Както е показано на Фигура 2b, при идентични параметри на обработка, техниката на двустранно заваряване успешно постигна пълно сливане на съединението, като ефективно елиминира концентрациите на напрежение, причинени от несвързани области и значително увеличи ефективната област на свързване на съединението. Сравнението на механичните свойства, представено на фигура 2c, предоставя визуално потвърждение на значителното увеличение на якостта в резултат на тези морфологични подобрения. За едностранно-заваряване максималната якост от 53,9 MPa беше постигната при скорост на заваряване от 0,05 mm/s; обратно, когато се използва техниката на двустранно заваряване, се постига максимална якост на огъване от 56,2 MPa при скорост от 0,10 mm/s-, което представлява 102,2% подобрение в сравнение с директното заваряване. Това убедително демонстрира решаващите предимства на дву-странното осцилиращо заваряване при елиминиране на вътрешни дефекти и подобряване на цялостното механично представяне на керамичните съединения.
