Tungsten en sy legerings kan suksesvol verbind word deur gas wolfram-boogsweis,
gas wolfram-boog soldeer sweiswerk, elektronstraal sweiswerk en deur chemiese dampneerslag.

Die sweisbaarheid van wolfraam en 'n aantal van sy legerings wat deur booggietwerk, poeiermetallurgie of chemiese dampneerlegging (CVD) tegnieke gekonsolideer is, is geëvalueer. Die meeste van die materiaal wat gebruik is, was nominaal 0,060 duim dik vel. Die verbindingsprosesse wat aangewend is, was (1) gaswolframboogsweis, (2) gaswolframboogsweissweis, (3) elektronstraalsweissweis en (4) verbinding deur CVD.
Tungsten is suksesvol deur al hierdie metodes gesweis, maar die gesondheid van die sweislasse is grootliks beïnvloed deur die tipes basis- en vulmetale (dws poeier- of booggegote produkte). Sweislasse in booggegote materiaal was byvoorbeeld relatief vry van porositeit, terwyl sweislasse in poeiermetallurgieprodukte gewoonlik poreus was, veral langs die smeltlyn. Vir gaswolframboog (GTA) sweislasse in 1/1r, in. ongelegeerde wolframplaat, het 'n minimum voorverhitting van 150° C (wat gevind is die rekbaar tot bros oorgangstemperatuur van die basismetaal is) sweislasse vry van krake opgelewer. As basismetale was wolfram-renium-legerings sweisbaar sonder voorverhitting, maar porositeit was ook 'n probleem met wolframlegeringspoeierprodukte. Voorverhitting het blykbaar nie sweisporositeit beïnvloed nie, wat hoofsaaklik 'n funksie van die tipe basismetaal was.
Die rekbare-tot-bros-oorgangsperature (DBIT) vir gaswolfram-boogsweislasse in verskillende tipes poeiermetallurgie-wolfram was 325 tot 475°C, in vergelyking met 150。C vir die basismetaal en dié van 425°C vir elektronstraalsweissweis booggegote wolfram.
Soldeer-sweiswerk van wolfram met verskillende vulmetale het blykbaar nie beter voegeienskappe as ander hegmetodes opgelewer nie. Ons het Nb, Ta, W-26% Re, Mo en Re as vulmetale in die soldeersweislasse gebruik. Die Nb en Mo het erge krake veroorsaak.

Verbind deur CVD by 510 tot 560 ° C

het alles behalwe 'n klein hoeveelheid porositeit uitgeskakel en ook die probleme uitgeskakel wat verband hou met die hoë temperature wat nodig is vir sweiswerk (soos groot korrels in die sweis- en hitte-geaffekteerde sones).
Inleiding
Wolfram- en wolfram-basislegerings word oorweeg vir 'n aantal gevorderde kern- en ruimtetoepassings, insluitend termioniese omskakelingstoestelle, herbetredingsvoertuie, hoëtemperatuurbrandstofelemente en ander reaktorkomponente. Voordele van hierdie materiale is hul kombinasies van baie hoë smelttemperature, goeie sterktes by verhoogde temperature, hoë termiese en elektriese geleidingsvermoë en voldoende weerstand teen korrosie in sekere omgewings. Aangesien brosheid hul vervaardigbaarheid beperk, hang die bruikbaarheid van hierdie materiale in strukturele komponente onder streng dienstoestande grootliks af van die ontwikkeling van sweisprosedures om lasse te verskaf wat in eienskappe vergelykbaar is met die basismetaal. Daarom was die doelwitte van hierdie studies om (1) die meganiese eienskappe van gewrigte te bepaal wat deur verskillende verbindingsmetodes in verskeie tipes ongelegeerde en gelegeerde wolfram vervaardig word; (2) die uitwerking van verskeie modifikasies in hittebehandelings en hegtegniek te evalueer; en (3) die uitvoerbaarheid van die vervaardiging van toetskomponente wat geskik is vir spesifieke toepassings demonstreer.
Materiaal
Ongelegeerde wolfram m叮10 m. dik velle was die materiaal van die meeste belangstelling. Die ongelegeerde wolfraam in hierdie studie is vervaardig deur poeiermetallurgie, booggietwerk en chemiese dampneerleggingstegnieke. Tabel 1 toon die onsuiwerheidsvlakke van die poeiermetallurgie, CVD en booggegote wolframprodukte soos ontvang. Die meeste val binne die reekse wat nominaal in wolfram voorkom

maar daar moet kennis geneem word dat die CVD-materiaal meer as die norma] hoeveelhede fluoor bevat het.
Verskeie groottes en vorms van wolfram en wolframlegerings is saamgevoeg vir vergelyking. Die meeste daarvan was poeiermetallurgieprodukte, hoewel sommige booggegote materiale ook gesweis is. Spesifieke konfigurasies is gebruik om die uitvoerbaarheid van boustrukture en komponente te bepaal. Alle matenale is in 'n ten volle koud gewerkte toestand ontvang, met die uitsondering van die CVD wolfram, wat as gedeponeer ontvang is. As gevolg van die verhoogde brosheid van herkristalliseerde en grootkorrelige wolfram is die materiaal in die gewerkte toestand gesweis om korrelgroei in die hitte-geaffekteerde sone te minimaliseer. As gevolg van die hoë koste van die materiaal en die relatief klein hoeveelhede beskikbaar, het ons toetsmonsters ontwerp wat die minimum hoeveelheid materiaal gebruik het wat ooreenstem met die verkryging van die verlangde inligting.
Prosedure
Aangesien die rekbare-tot-bros-oorgangstemperatuur (DBTT) van wolfram bo kamertemperatuur is, moet spesiale sorg in hantering en bewerking gebruik word om krake te voorkom1. Skeer veroorsaak randkrake en ons het gevind dat slyp- en elektroontladingsbewerking hittekontroles op die oppervlak laat. Tensy dit deur lap verwyder word, kan hierdie krake tydens sweiswerk en daaropvolgende gebruik voortplant.
Wolfram, soos alle vuurvaste metale, moet in 'n baie suiwer atmosfeer van óf inerte gas (gas wolfram-boogproses) óf vakuum (elektronstraal pro:::ess)2 gesweis word om besoedeling van die sweislas deur interstisiale te vermy. Aangesien wolfram die hoogste smeltpunt van alle metale het (3410°C), moet sweistoerusting die hoë dienstemperature kan weerstaan.

Tabel 1

Drie verskillende sweisprosesse is gebruik: gas wolfram-boogsweis, gas wolfram-boog soldeer sweis en elektronstraal sweis. Sweistoestande wat nodig is vir volledige pcnetrasie teen 'n minimum energie-insette is vir elke materiaal bepaal. Voor sweiswerk is plaatmateriaal in gemasjineer. wye spasies en ontvet met etielalkohol. Die voegontwerp was 'n vierkantige groef met geen wortelopening nie.
Gas Tungsten-Arc Welding
Alle outomatiese en handmatige gas wolframboogsweislasse is gemaak in 'n ehamher wat onder 5 x I of gehandhaaf is. torr vir ongeveer 1 uur en dan gevul met baie suiwer argon. Soos getoon in Fig. lA, was die kamer toegerus met 'n deurkruismeganisme en fakkelkop vir outomatiese sweiswerk. Die werkstuk is vasgehou in 'n koper bevestiging wat voorsien is van wolfram-insetsels by alle raakpunte om te verhoed dat dit deur die sweisslag aan die werk gesoldeer word. Die basis van hierdie toebehore het die elektriese patroonverwarmers gehuisves wat die werk tot die verlangde temperatuur voorverhit het, Fig. 1 B. Alle sweislasse is gemaak teen 'n reisspoed van 10 ipm, 'n eurrent van ongeveer 350 amp en 'n spanning van 10 tot 15 v .
Gas Tungsten-A『c Soldeer sweiswerk
Gaswolfram-are soldeerlasse is gemaak in 'n ehamber met 'n inerte atmosfeer deur tegnieke soortgelyk aan

dié wat hierbo beskryf is. Die kraal-op-plaat soldeer sweislasse gemaak met wolfram en W—26% Re vulmetaal is met die hand gemaak; die stompsoldeerlasse is egter outomaties gesweis nadat die vulmetaal in die stomplas geplaas is.
Elektronstraalsweis
Die eleetron-straal-sweislasse is in 'n 150-kV 20-mA-masjien gemaak. 'n Vakuum van ongeveer 5 x I o-6 torr is tydens sweiswerk gehandhaaf. Elektronstraalsweiswerk lei tot 'n baie hoë verhouding van diepte tot breedte en 'n nou hitte-geaffekteerde sone.
』Aanmaak deur chemiese dampbesetting
Wolframverbindings is gemaak deur ongelegeerde wolframvulmetaal via die chemiese dampneerleggingsproses af te lê3. Wolfram is neergelê deur waterstofreduksie van wolframheksafluoried volgens die reaksie-t
hitte
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Die gebruik van hierdie tegniek vir aansluiting het slegs geringe veranderinge in bevestigings en reaktantvloeiverspreiding vereis. Die primêre voordeel van hierdie proses bo meer konvensionele metodes van heg is dat, aangesien die lae temperature wat gebruik word (510 tot 650 ° C) baie laer is as die smeltpunt van

wolfram (3410 ° C), herkristallisasie en moontlike verdere verbrokkeling van die bewerkte wolfram-edelmetaal deur onsuiwerhede of korrelgroei word tot die minimum beperk.
Verskeie gesamentlike ontwerpe, insluitend boude- en buiseinde-sluitings, is vervaardig. Afsetting is uitgevoer met behulp van 'n koperdoorn wat as 'n bevestiging, belyningsstuk en substraat gebruik is. Nadat die afsetting voltooi is, is die bo-doorn deur ets verwyder. Aangesien ander werk” getoon het dat CVD-wolfram komplekse oorblywende spanninge soos neergelê het, is hierdie gewrigte spanningsoorblyfsels I hr by 1000 ° tot 1600 ° C voor masjinering of toetsing.
Inspeksie en Toetsing
Gewrigte is visueel en deur vloeistofpenetrant en radiografie geïnspekteer voordat dit getoets is. Tipiese sweislasse is chemies ontleed vir suurstof en stikstof (Tabel 2) en uitgebreide metallografiese ondersoeke is deur die hele studie uitgevoer.
As gevolg van sy inherente eenvoud en aanpasbaarheid by klein monsters, is die buigtoets gebruik as die primêre kriterium vir gesamentlike integriteit en vergelyking van die prosesse. Vervormbare-bros-oorgangstemperature is bepaal met 'n driepunt-buigapparaat vir lasse beide soos gesweis en na veroudering. Die basiese monster vir die buigtoetse was die longitudinale

gesigbuiging, 24 ton lank by 12 ton breed, waar t die monsterdikte is. Monsters is op 'n span van 15 ton ondersteun en gebuig met 'n suier met 'n radius van 4 ton teen 'n tempo van 0.5 ipm. Hierdie meetkunde was geneig om data wat verkry is op verskillende diktes van materiale te normaliseer. Monsters is gewoonlik dwars na die sweisnaat (langsbuigmonster) gebuig om eenvormige vervorming van die sweislas, hitte-geaffekteerde sone en basismetaal te verskaf; 'n paar eksemplare is egter langs die sweisnaat (dwarsbuigmonster) gebuig vir vergelyking. Gesigbuigings is in die aanvanklike gedeeltes van die ondersoek gebruik; as gevolg van die effense kerf wat op die fee van die meeste sweislasse gevind word as gevolg van die gewig van die gesmelte metaal, is wortelbuigings in latere toetse vervang. Die aanbevelings van die Materiaaladviesraad6 gemoeid met buigtoetsing van plaatmonsters is so noukeurig moontlik gevolg. Weens beperkte materiaal is die kleinste aanbevole monsters gekies.
Om die buig-oorgangstemperatuur te bepaal, is die buigapparaat in 'n oond ingesluit wat in staat was om die temperatuur vinnig tot 500 ° C te verhoog. 'n Buig van 90 tot 105 grade is as 'n volle buiging beskou. Die DBTT is gedefinieer as die laagste temperatuur waarteen die speeimen heeltemal gebuig het sonder om te kraak. Alhoewel die toetse in die lug uitgevoer is, was verkleuring van die monsters nie duidelik totdat die toetstemperature 400 ° C bereik het nie.

Figuur 1

Resultate vir Unalloyed Tungsten
Algemene sweisbaarheid
Gas Turzgstea-Arc Welding—In gas wolfram-boogsweis van 1乍in. dik ongelegeerde plaat, moet die werk aansienlik voorverhit word om bros mislukking onder spanning veroorsaak deur termiese skok te voorkom. Figuur 2 toon 'n tipiese breuk wat geproduseer word deur sweiswerk sonder behoorlike voorverhitting. Die groot korrelgrootte en vorm van die sweislas en hitte-geaffekteerde sone is duidelik in die breuk. Ondersoek van voorverhittingstemperature vanaf kamertemperatuur tot 540°C het getoon dat voorverhitting tot 'n minimum van 150°C nodig was vir konsekwente produksie van eengang-stuiksweislasse wat vry van krake was. Hierdie temperatuur stem ooreen met die DBTI van die basismetaal. Voorverhitting tot hoër temperature blyk nie nodig te wees in hierdie toetse nie, maar materiaal met 'n hoër DBTI, of konfigurasies wat meer erge spanningskonsentrasies of meer massiewe dele behels, kan voorverhitting tot hoër temperature vereis.
Die kwaliteit van 'n sweiswerk hang grootliks af van die prosedures wat gebruik word om die basismetale te vervaardig. Outogene sweislasse in booggegote wolfram is in wese vry van porositeit, Fig.
3A, maar sweislasse in poeiermetallurgie-wolfram word gekenmerk deur growwe porositeit, Fig. 3 (b), veral langs die smeltlyn. Die hoeveelheid van hierdie porositeit, Fig. 3B, veral langs 3C, in sweislasse gemaak in 'n eie, lae porositeit produk (GE-15 vervaardig deur General Electric Co., Cleveland).
Gaswolframboogsweislasse in CVD-wolfram het ongewone hitte-geaffekteerde sones as gevolg van die korrelstruktuur 0£die basismetaF. Figuur 4 toon die gesig en ooreenstemmende deursnee van so 'n gaswolframboog-stuiksweislas. Let daarop dat die fyn korrels by die substraatoppervlak gegroei het as gevolg van die hitte van sweiswerk. Ook duidelik is die gebrek aan groei van die groot kolom

korrels. Die kolomvormige korrels het gas
bubb_les by graangrense veroorsaak deur fluoroom onsuiwerhede8. Gevolglik, as
die fynkorrel substraatoppervlak verwyder word voor sweiswerk, die sweiswerk bevat nie 'n metallografies waarneembare hitte-geaffekteerde sone nie. Natuurlik, in bewerkte CVD-materiaal (soos geëxtrudeerde of getrekte buise) het die hitte-geaffekteerde sone van die sweislas die normale herkristalliseerde korrelstruktuur.
Krake is gevind in die kolomvormige korrelgrense in die RAZ van verskeie sweislasse in CVD-wolfram. Hierdie krake, getoon in Fig. 5, is veroorsaak deur vinnige vorming en groei van borrels in die graangrense by hoë temperature9. By die hoë temperature betrokke by sweiswerk kon die borrels baie van die graangrensgebied verteer; dit, gekombineer met die spanning wat tydens afkoeling veroorsaak word, het die graangrense uitmekaar getrek om 'n kraak te vorm. 'n Studie van borrelvorming in wolfram en ander metaalafsettings tydens hittebehandeling toon dat borrels voorkom in metale wat onder 0,3 Tm (die homoloë smelttemperatuur) neergelê is. Hierdie waarneming dui daarop dat gasborrels gevorm word deur samesmelting van ingeslote leë ruimtes en gasse tydens uitgloeiing. In die geval van CVD-wolfram is die gas waarskynlik fluoor of 'n fluoriedverbinding
Elektronstraalsweising—Ongelegeerde wolfraam is elektronstraalgesweis met en sonder voorverhitting. Die behoefte aan voorverhitting het gewissel met die monster. Om 'n sweislasse vry van krake te verseker, word voorverhitting ten minste tot die DBTT van die basismetaal aanbeveel. Elektronstraalsweislasse in poeiermetallurgieprodukte het ook die sweisporositeit wat voorheen genoem is.

Gas Tungsten-Arc Braze Welding一In 'n poging om vas te stel of soldeer sweiswerk tot voordeel gebruik kan word, het ons geëksperimenteer met die gas wolframboog proses vir die maak van soldeer sweislasse op poeiermetallurgie wolfram plaat、 Die soldeer sweislasse is gemaak deur die vulmetaal voor te plaas langs die stomplas voor sweiswerk. Soldeerlasse is vervaardig met ongelegeerde Nb, Ta, Mo, Re en W-26% Re as vulmetale. Soos verwag, was daar porositeit by die samesmeltingslyn in metallografiese afdelings van alle gewrigte (Fig. 6) aangesien die basismetale poeiermetallurgieprodukte was. Sweislasse gemaak met niobium- en molibdeenvulmetale het gekraak.
Die hardheid van sweislasse en soldeerlasse is vergelyk deur middel van 'n studie van kraal-op-plaat sweislasse gemaak met ongelegeerde wolfram en W一26% Re as vulmetale. Die gas wolframboog-sweislasse en soldeerlasse is met die hand gemaak op ongelegeerde wolframpoeier-metallurgieprodukte (die lae porositeit, eie (GE-15) graad en 'n tipiese kommersiële graad). Sweislasse en soldeerlasse in elke materiaal is verouder teen 900, 1200, 1600 en 2000°C vir l, 10, 100 en 1000 uur. Die monsters is metallografies ondersoek, en hardheid-traverse is geneem oor die sweislas, hitte-geaffekteerde sone en basismetaal beide soos gesweis en na hittebehandeling.

Tabel 2

Figuur2

Aangesien die materiale wat in hierdie studie gebruik is, poeiermetallurgieprodukte was, was verskillende hoeveelhede porositeit in die sweis- en soldeersweisafsettings teenwoordig. Weereens, die gewrigte wat gemaak is met tipiese poeiermetallurgie wolfram-edelmetaal het meer porositeit gehad as dié wat gemaak is met die lae porositeit, eie wolfram. Die soldeerlasse gemaak met W—26% Re-vulmetaal het minder poreusheid gehad as die sweislasse gemaak met die ongelegeerde wolframvulmetaal.
Geen effek van tyd of temperatuur is waargeneem op die hardheid van die sweislasse wat met ongelegeerde wolfram as vulmetaal gemaak is nie. Soos gesweis, was die hardheidmetings van die sweis- en basismetale in wese konstant en het nie verander na veroudering nie. Die soldeerlasse wat met W—26% Re-vulmetaal gemaak is, was egter aansienlik harder soos vervaardig as die basismetaal (Fig. 7). Waarskynlik was die hoër hardheid van die W-Re br立e sweisafsetting as gevolg van vaste oplossing verharding en/of die teenwoordigheid van er fase fyn versprei in die gestolde struktuur. Die wolframreniumfasediagram11 toon dat gelokaliseerde areas met hoë reniuminhoud tydens vinnige afkoeling kan voorkom en kan lei tot die vorming van die harde, bros er fase in die hoogs gesegregeerde onderbou. Moontlik was die er-fase fyn versprei in die korrels of korrelgrense, alhoewel nie een groot genoeg was om deur óf metallografiese ondersoek óf X-straaldiffraksie geïdentifiseer te word nie.
Hardheid word geplot as 'n funksie van afstand vanaf die soldeer-sweismiddellyn vir verskillende verouderingstemperature in Fig. 7A. Let op die skielike verandering

in hardheid by die smeltlyn. Met toenemende verouderingstemperatuur het die hardheid van die soldeerlas afgeneem totdat, na 100 uur by J 600° C, die hardheid dieselfde was as dié van die ongelegeerde wolfram-edelmetaal. Hierdie neiging van dalende hardheid met toenemende temperatuur het geld vir alle verouderingstye. Toenemende tyd by 'n konstante temperatuur het ook 'n soortgelyke afname in hardheid veroorsaak, soos getoon vir 'n verouderingstemperatuur van 1200° C in Fig. 7B.
Verbinding deur chemiese dampneerlegging—Verbinding van wolfram deur CVD-tegnieke is ondersoek as 'n metode vir die vervaardiging van sweislasse in verskeie monsterontwerpe. Deur die gebruik van toepaslike toebehore en maskers om afsetting tot die verlangde areas te beperk, is CVD- en poeiermetallurgie-wolframplate saamgevoeg en eindsluitings op buise is vervaardig. Afsetting in 'n skuinste met 'n ingeslote hoek van ongeveer 90 grade het krake veroorsaak, Fig. 8A, by die kruisings van kolomvormige korrels wat groei vanaf een kant van die skuins en die substraat (wat weggeëts is). Hoë integriteit lasse sonder krake of growwe opbou van onsuiwerhede is egter verkry, Fig. 8B, toe die voegkonfigurasie verander is deur die oppervlak van die basismetaal tot 'n radius van binne te slyp. raaklyn aan die wortel van die sweislas. Om 'n tipiese toepassing van hierdie proses in die vervaardiging van brandstofelemente te demonstreer, is 'n paar eindsluitings in wolframbuise gemaak. Hierdie gewrigte was lekdig toe getoets met 'n heliummassaspektrorr:eter lekdetektor.

Figuur 3

Figuur 4

Figuur 5

Meganiese eienskappe
Buigtoetse van Fusion Welds一Fetbare-tot-bros oorgangskurwes is vir verskeie lasse in ongelegeerde wolfram bepaal. Die kurwes in Fig. 9 toon dat die DBTT van twee poeiermetallurgie-edelmetale ongeveer I 50° C was. Tipies het die DBTT (die laagste temperatuur waarteen 'n 90 tot 105 grade buiging gemaak kon word) van beide materiale baie toegeneem na sweiswerk . Die oorgangstemperature het sowat 175°C tot 'n waarde van 325°C vir tipiese poeiermetallurgie-wolfram verhoog en het sowat 235°C tot 'n waarde van 385°C toegeneem vir die lae porositeit, eie materiaal. Die verskil in die DBTTs van gelaste en ongesweisde materiaal is toegeskryf aan die groot korrelgrootte en moontlike herverspreiding van onsuiwerhede van die sweislasse en hitte-geaffekteerde sones. Die toetsresultate toon dat die DBTT van tipiese poeiermetallurgie wolframsweislasse laer was as dié van die eie materiaal, al het laasgenoemde minder porositeit gehad. Die hoër DBTT van die sweislas in die lae porositeit wolfram was moontlik as gevolg van sy effens groter korrelgrootte, Fig. 3A en 3C.
Die resultate van ondersoeke om DBTT's vir 'n aantal gewrigte in ongelegeerde wolfram te bepaal, word in Tabel 3 opgesom. Die buigtoetse was redelik sensitief vir veranderinge in toetsprosedure. Wortelbuigings het meer smeebaar gelyk as gesigbuigings. 'n Behoorlik geselekteerde spanningsverligting na sweiswerk het blykbaar die DBTT aansienlik verlaag. Die CVD-wolfram het, soos gesweis, die hoogste DBTT (560 ℃) gehad, maar toe dit 'n 1 uur spanningsverligting van 1000 ℃ gekry het na sweiswerk, het sy DBTT tot 350 ℃ gedaal. spanningsverligting van 1000°C na sweiswerk, het sy DBTT tot 350°C gedaal. Spanningsverligting van booggesweisde poeiermetallurgie wolfram vir 1 uur by 18000 C het die DBTT van hierdie materiaal met ongeveer 100°C verminder vanaf die waarde wat daarvoor bepaal is as- gesweis. 'n Spanningsverligting van 1 uur by 1000°C op 'n las gemaak deur CVD-metodes het die laagste DBTT (200°C) opgelewer. Daar moet kennis geneem word dat, terwyl hierdie oorgangstempertuur aansienlik laer was as enige ander oorgangstemperatuur wat in hierdie studie bepaal is, die verbetering waarskynlik beïnvloed is deur die laer vervormingstempo (0.1 vs 0.5 ipm) wat in toetse op CVD gewrigte gebruik is.

Buigtoets van soldeer-sweislasse-gas wolfram-boog soldeerlasse gemaak met Nb. Ta, Mo, Re en W-26% Re as vulmetale is ook gebuig getoets en die resultate word in tabel 4 opgesom. die meeste rekbaarheid is verkry met 'n renium soldeerlas.

Alhoewel die resultate van hierdie oorsigtelike studie aandui dat 'n ongelyke vulmetaal lasse met meganiese eienskappe binne die huis van homogene sweislasse in wolfram kan produseer, kan sommige van hierdie vulmetale nuttig wees in die praktyk.

Resultate vir Tungsten Alloys.