Волфрамът и неговите сплави могат да бъдат успешно съединени чрез заваряване с газова волфрамова дъга,
заваряване с газов волфрамов припой, заваряване с електронен лъч и чрез химическо отлагане на пари.

Беше оценена заваряемостта на волфрам и редица негови сплави, консолидирани чрез електродъгово леене, прахова металургия или техники за химическо отлагане на пари (CVD). Повечето от използваните материали бяха листове с номинална дебелина 0,060 инча. Използваните процеси на свързване бяха (1) заваряване с газова волфрамова дъга, (2) заваряване с газова волфрамова дъга, (3) заваряване с електронен лъч и (4) свързване чрез CVD.
Волфрамът беше успешно заварен с всички тези методи, но здравината на заваръчните шевове беше силно повлияна от видовете основни и добавъчни метали (т.е. прах или дъгово ляти продукти). Например, заваръчните шевове в дъгово лят материал бяха сравнително свободни от порьозност, докато заваръчните шевове в продуктите на праховата металургия обикновено бяха порести, особено по линията на топене. За заварки с газова волфрамова дъга (GTA) в 1/1r, инча нелегиран волфрамов лист, минимално предварително загряване от 150° C (което е установено, че е температурата на преход от пластичност към крехкост на основния метал) произведе заварки без пукнатини. Като неблагородни метали, волфрам-рениеви сплави са заваряеми без предварително нагряване, но порьозността също е проблем с прахообразните продукти от волфрамова сплав. Изглежда, че предварителното загряване не оказва влияние върху порьозността на заваръчния шев, което е основно функция на вида на основния метал.
Температурите на преход от пластично към крехко (DBIT) за газови волфрамови заварки в различни видове волфрам в праховата металургия са 325 до 475° C, в сравнение със 150° C за основния метал и тази от 425° C за електронно лъчево заваряване дъгово лят волфрам.
Заваряването с припой на волфрам с различни добавъчни метали очевидно не е довело до по-добри свойства на съединението, отколкото други методи за свързване. Използвахме Nb, Ta, W-26% Re, Mo и Re като добавъчни метали в заваръчните шевове. Nb и Mo причиниха силно напукване.

Съединяване чрез CVD при 510 до 560° C

елиминира всички, но малко количество порьозност и също така елиминира проблемите, свързани с високите температури, необходими за заваряване (като големи зърна в заваръчния шев и засегнатите от топлина зони).
Въведение
Волфрам и сплави на базата на волфрам се разглеждат за редица напреднали ядрени и космически приложения, включително устройства за термоелектронно преобразуване, летателни апарати за повторно влизане, високотемпературни горивни елементи и други компоненти на реактори. Предимствата на тези материали са техните комбинации от много високи температури на топене, добра якост при повишени температури, висока топлинна и електрическа проводимост и адекватна устойчивост на корозия в определени среди. Тъй като крехкостта ограничава тяхната изработваемост, полезността на тези материали в структурни компоненти при строги условия на експлоатация зависи до голяма степен от разработването на заваръчни процедури за осигуряване на съединения, които са сравними по свойства с основния метал. Следователно, целите на тези изследвания бяха да се (1) определят механичните свойства на съединенията, произведени чрез различни методи на свързване в няколко вида нелегиран и легиран волфрам; (2) оценява ефектите от различни модификации в топлинната обработка и техниката на свързване; и (3) демонстрира осъществимостта на изработване на тестови компоненти, подходящи за специфични приложения.
Материали
Нелегиран волфрам m叮10 m. дебелите листове бяха най-интересният материал. Нелегираният волфрам в това изследване е произведен чрез прахова металургия, дъгово леене и техники за химическо отлагане на пари. Таблица 1 показва нивата на примеси на продуктите от праховата металургия, CVD и електродъговите волфрамови продукти, както са получени. Повечето попадат в обхватите, номинално намерени във волфрама

но трябва да се отбележи, че CVD материалът съдържа повече от нормата] количества флуор.
Различни размери и форми на волфрам и волфрамови сплави бяха съединени за сравнение. Повечето от тях бяха продукти на праховата металургия, въпреки че някои дъгово ляти материали също бяха заварени. Бяха използвани специфични конфигурации, за да се определи осъществимостта на строителните конструкции и компоненти. Всички материали бяха получени в напълно студено обработено състояние с изключение на CVD волфрама, който беше получен като депозиран. Поради повишената крехкост на прекристализирания и едрозърнест волфрам материалът беше заварен в обработено състояние, за да се сведе до минимум растежът на зърната в засегнатата от топлина зона. Поради високата цена на материала и относително малките налични количества, ние проектирахме тестови образци, които използват минималното количество материал, съответстващо на получаването на желаната информация.
Процедура
Тъй като температурата на преход от пластично към крехко (DBTT) на волфрама е над стайната температура, трябва да се внимава специално при боравене и обработка, за да се избегне напукване1. Срязването причинява напукване на ръбовете и ние открихме, че шлайфането и електроразрядната обработка оставят топлинни проверки на повърхността. Освен ако не бъдат отстранени чрез прилепване, тези пукнатини могат да се разпространят по време на заваряване и последваща употреба.
Волфрамът, подобно на всички огнеупорни метали, трябва да се заварява в много чиста атмосфера или от инертен газ (процес с газова волфрамова дъга) или вакуум (електронен лъч pro:::ess)2, за да се избегне замърсяване на заваръчния шев от интерстициали. Тъй като волфрамът има най-високата точка на топене от всички метали (3410° C), оборудването за заваряване трябва да може да издържа на високи работни температури.

Таблица 1

Бяха използвани три различни процеса на заваряване: заваряване с газова волфрамова дъга, заваряване с газов волфрамов припой и заваряване с електронен лъч. За всеки материал бяха определени условия на заваряване, необходими за пълно заваряване при минимален енергиен внос. Преди заваряването листовият материал се обработва машинно. широки заготовки и обезмаслени с етилов алкохол. Дизайнът на съединението беше квадратен жлеб без коренов отвор.
Газова волфрамова дъгова заварка
Всички автоматизирани и ръчни газови волфрамови заварки бяха направени в хамхер, който се поддържаше под 5 x I или. torr за около 1 час и след това отново запълнен с много чист аргон. Както е показано на фиг. 1A, камерата е снабдена с механизъм за преместване и горелка за автоматично заваряване. Детайлът беше държан в медно приспособление, снабдено с волфрамови вложки във всички точки на контакт, за да се предотврати запояването му към детайла от удара на заваряване. В основата на това приспособление се помещаваха електрическите патронни нагреватели, които предварително загряваха материала до желаната температура, Фиг. 1 B. Всички заварки бяха направени при скорост на движение от 10 ipm, ток от около 350 ампера и напрежение от 10 до 15 v .
Заваряване с припой с газов волфрам-A『c
Заваръчните шевове с волфрамов припой са направени в камера с инертна атмосфера чрез техники, подобни на

описаните по-горе. Заваръчните шевове на перли върху плоча, направени с волфрам и W-26% Re допълнителен метал, бяха направени ръчно; въпреки това, челните заварени шевове бяха заварени автоматично, след като добавъчният метал беше поставен в челната връзка.
Заваряване с електронен лъч
Заваръчните шевове с електронен лъч бяха направени в машина 150 kV 20 mA. По време на заваряването се поддържаше вакуум от около 5 x I o-6 torr. Заваряването с електронен лъч води до много високо съотношение на дълбочина към ширина и тясна зона на топлинно въздействие.
』намазване чрез химическо изпаряване
Волфрамовите съединения бяха направени чрез отлагане на нелегиран волфрамов добавъчен метал чрез процеса на химическо отлагане на пари3. Волфрамът се отлага чрез водородна редукция на волфрамов хексафлуорид съгласно реакцията-t
топлина
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Използването на тази техника за свързване изисква само незначителни промени в приспособленията и разпределението на потока на реагентите. Основното предимство на този процес пред по-конвенционалните методи за свързване е, че тъй като използваните ниски температури (510 до 650 °C) са много по-ниски от точката на топене на

волфрам (3410 ° C), рекристализацията и възможното по-нататъшно крехкост на кования основен метал от волфрам от примеси или растеж на зърна са сведени до минимум.
Бяха изработени няколко дизайна на съединения, включително челни и затварящи краища на тръбите. Отлагането беше извършено с помощта на меден дорник, който беше използван като приспособление, част за подравняване и субстрат. След като отлагането приключи, дорникът на еопера беше отстранен чрез ецване. Тъй като друга работа” показа, че CVD волфрамът притежава сложни остатъчни напрежения, когато се отлага, тези съединения са били подложени на напрежение 1 час при 1000 ° до 1600 °C преди машинна обработка или тестване.
Проверка и тестване
Съединенията бяха проверени визуално и с течен пенетрант и радиография, преди да бъдат тествани. Типичните заварки бяха химически анализирани за кислород и азот (Таблица 2) и бяха извършени обширни металографски изследвания по време на проучването.
Поради присъщата си простота и адаптивност към малки образци, тестът за огъване беше използван като основен критерий за целостта на съединението и сравнението на процесите. Температурите на преход пластично-крехко се определят с триточков апарат за огъване за съединения както след заваряване, така и след стареене. Основният образец за изпитванията на огъване беше надлъжният

лицева чупка, 24t дължина на 12t ширина, където t е дебелината на образеца. Образците се поддържат на 15t участък и се огъват с бутало с радиус 4t при скорост от 0,5 ipm. Тази геометрия има тенденция да нормализира данните, получени за различни дебелини на материали. Образците обикновено се огъват напречно на заваръчния шев (образец с надлъжно огъване), за да се осигури равномерна деформация на заваръчния шев, засегнатата от топлина зона и основния метал; въпреки това, няколко образеца бяха огънати по протежение на заваръчния шев (образец с напречно огъване) за сравнение. В началните части на разследването бяха използвани завои на лицето; въпреки това, поради лекия прорез, открит върху заварките на повечето заварки, дължащ се на теглото на разтопения метал, извивките на корена бяха заменени в по-късните тестове. Препоръките на Консултативния съвет по материалите6 относно изпитването на огъване на листови образци бяха следвани възможно най-точно. Поради ограничения материал бяха избрани най-малките препоръчителни екземпляри.
За да се определи температурата на преход на огъване, устройството за огъване беше затворено в пещ, способна бързо да повиши температурата до 500 °C. Огъване от 90 до 105 градуса се смяташе за пълно огъване. DBTT се определя като най-ниската температура, при която speeimen се огъва напълно без скърцане. Въпреки че тестовете бяха проведени на въздух, обезцветяването на образците не беше очевидно, докато температурите на теста не достигнаха 400 °C.

Фигура 1

Резултати за нелегиран волфрам
Обща заваряемост
Газова дъгова заварка на Turzgstea—В газова волфрамова дъгова заварка на 1 乍in. дебел нелегиран лист, детайлът трябва да бъде значително предварително загрят, за да се предотврати крехко разрушаване при напрежение, предизвикано от термичен шок. Фигура 2 показва типично счупване, получено чрез заваряване без подходящо предварително нагряване. Големият размер на зърното и формата на заваръчния шев и засегнатата от топлина зона са очевидни в счупването. Изследването на температурите на предварително нагряване от стайна температура до 540°C показа, че предварителното нагряване до минимум 150°C е необходимо за постоянно производство на еднопроходни челни заварки, които са без пукнатини. Тази температура съответства на DBTI на основния метал. Предварителното загряване до по-високи температури изглежда не е необходимо при тези тестове, но материал с по-висок DBTI или конфигурации, които включват по-сериозни концентрации на напрежение или по-масивни части, може да изискват предварително загряване до по-високи температури.
Качеството на заварката зависи до голяма степен от процедурите, използвани при производството на основните метали. Автогенните заварки в дъгово отлят волфрам са по същество без порьозност, фиг.
3A, но заваръчните шевове в праховата металургия на волфрама се характеризират с голяма порьозност, Фиг. 3 (b), особено по линията на топене. Размерът на тази порьозност, Фиг. 3B, особено по протежение на 3C, в заварки, направени в патентован продукт с ниска порьозност (GE-15, произведен от General Electric Co., Cleveland).
Газовите волфрамови заварки в CVD волфрама имат необичайни зони, засегнати от топлина, поради структурата на зърната 0£основния метаF. Фигура 4 показва лицето и съответното напречно сечение на такава челна заварка с газова волфрамова дъга. Имайте предвид, че фините зърна на повърхността на субстрата са нараснали поради топлината на заваряване. Също така очевидно е липсата на растеж на голямата колона

зърна. Колоновидните зърна имат газ
bubb_les по границите на зърната, причинени от флуорни примеси8. Следователно, ако
повърхността на субстрата с фини зърна се отстранява преди заваряване, заварката не съдържа металографски откриваема зона, засегната от топлина. Разбира се, в обработените CVD материали (като екструдирани или изтеглени тръби) засегнатата от топлина зона на заваръчния шев има нормалната рекристализирана зърнеста структура.
Бяха открити пукнатини в колонните граници на зърната в RAZ на няколко заварки в CVD волфрам. Това напукване, показано на фиг. 5, е причинено от бързо образуване и растеж на мехурчета в границите на зърната при високи температури9. При високите температури, свързани със заваряването, мехурчетата успяха да поемат голяма част от граничната площ на зърната; това, съчетано с напрежението, създадено по време на охлаждане, раздалечи границите на зърната и образува пукнатина. Изследване на образуването на мехурчета във волфрамови и други метални отлагания по време на термична обработка показва, че се появяват мехурчета в метали, отложени под 0,3 Tm (хомоложната температура на топене). Това наблюдение предполага, че газовите мехурчета се образуват чрез сливане на уловени празни места и газове по време на отгряване. В случай на CVD волфрам, газът вероятно е флуор или флуорно съединение
Заваряване с електронен лъч — Нелегираният волфрам беше заварен с електронен лъч със и без предварително нагряване. Необходимостта от предварително загряване варира в зависимост от образеца. За да се осигури заваръчен шев без пукнатини, се препоръчва предварително загряване поне до DBTT на основния метал. Заваръчните шевове с електронен лъч в продуктите на праховата металургия също имат споменатата по-горе порьозност на заваръчния шев.

Газова волфрамова електродъгова заварка с припой一 В опит да установим дали заваряването с припой може да се използва с предимство, ние експериментирахме с процеса на газова волфрамова електродъга за създаване на заварки с припой върху волфрамов лист от прахова металургия、 Заварките с припой бяха направени чрез предварително поставяне на добавъчния метал по протежение на челно съединение преди заваряване. Споените шевове са произведени с нелегирани Nb, Ta, Mo, Re и W-26% Re като добавъчни метали. Както се очакваше, имаше порьозност на линията на топене в металографските секции на всички съединения (фиг. 6), тъй като основните метали бяха продукти на праховата металургия. Заваръчните шевове, направени с ниобиеви и молибденови добавъчни метали, се напукаха.
Твърдостта на заваръчните шевове и споените шевове беше сравнена чрез изследване на заваръчни шевове на перла върху плоча, направени с нелегиран волфрам и W一26% Re като добавъчни метали. Газовите волфрамови заварки и заварките с твърд припой бяха направени ръчно върху нелегирани волфрамови прахови металургични продукти (ниска порьозност, собствен (GE-15) клас и типичен търговски клас). Заваръчните шевове и споените шевове във всеки материал бяха остарели при 900, 1200, 1600 и 2000°C за 1, 10, 100 и 1000 часа. Образците бяха изследвани металографски и бяха направени диаграми за твърдост през заваръчния шев, засегнатата от топлината зона и основния метал както след заваряване, така и след топлинна обработка.

Таблица 2

Фигура 2

Тъй като материалите, използвани в това изследване, са продукти на праховата металургия, различни количества порьозност присъстват в отлаганията на заваръчния шев и припоя. Отново, съединенията, направени с типичен волфрамов неблагороден метал за праховата металургия, имаха по-голяма порьозност от тези, направени с ниска порьозност, патентован волфрам. Заваръчните шевове, направени с W—26% Re добавъчен метал, имат по-малка порьозност от заваръчните шевове, направени с нелегиран волфрамов добавъчен метал.
Не се забелязва влияние на времето или температурата върху твърдостта на заварките, направени с нелегиран волфрам като допълнителен метал. При заваряване измерванията на твърдостта на заваръчния шев и основния метал са по същество постоянни и не се променят след стареене. Въпреки това, заваръчните шевове, направени с W—26% Re допълнителен метал, бяха значително по-твърди, когато бяха произведени от основния метал (фиг. 7). Вероятно по-високата твърдост на заваръчния депозит W-Re br立e се дължи на втвърдяването на твърдия разтвор и/или наличието на фаза, фино разпределена в втвърдената структура. Фазовата диаграма на волфрам-рений11 показва, че локализирани зони с високо съдържание на рений могат да се появят по време на бързо охлаждане и да доведат до образуването на твърда, крехка er фаза в силно отделената субструктура. Вероятно er фазата е фино диспергирана в зърната или границите на зърната, въпреки че нито едно не е достатъчно голямо, за да бъде идентифицирано чрез металографско изследване или рентгенова дифракция.
Твърдостта е начертана като функция на разстоянието от централната линия на спойка-заварка за различни температури на стареене на Фиг. 7А. Обърнете внимание на рязката промяна

в твърдост на линията на топене. С повишаване на температурата на стареене, твърдостта на спойката намалява, докато след 100 часа при J 600° C твърдостта не е същата като тази на нелегирания основен метал от волфрам. Тази тенденция на намаляване на твърдостта с повишаване на температурата е вярна за всички времена на стареене. Увеличаването на времето при постоянна температура също причинява сходно намаляване на твърдостта, както е показано за температура на стареене от 1200° C на фиг. 7B.
Съединяване чрез химическо отлагане на пари—Свързването на волфрам чрез CVD техники беше изследвано като метод за производство на заварки в различни конструкции на образци. Чрез използване на подходящи приспособления и маски за ограничаване на отлагането до желаните зони, CVD и праховата металургия бяха съединени волфрамови листове и бяха произведени крайни затваряния на тръбите. Отлагането в скосяване с включен ъгъл от около 90 градуса доведе до напукване, Фиг. 8А, в пресечните точки на колоновидни зърна, израстващи от едната страна на скосяването и субстрата (който беше гравиран). Въпреки това бяха получени съединения с висока цялост без напукване или грубо натрупване на примеси, Фиг. 8B, когато конфигурацията на съединението беше променена чрез смилане на лицевата страна на основния метал до радиус от µin. допирателна към основата на заваръчния шев. За да се демонстрира типично приложение на този процес при производството на горивни елементи, бяха направени няколко крайни затваряния във волфрамови тръби. Тези съединения са херметични при тестване с хелиев масов спектрометър: детектор за течове.

Фигура 3

Фигура 4

Фигура 5

Механични свойства
Тестове за огъване на заварки чрез стопяване 一 Кривите на преход от пластично към крехко бяха определени за различни съединения в нелегиран волфрам. Кривите на фиг. 9 показват, че DBTT на два неблагородни метала в праховата металургия е около I 50° C. Обикновено DBTT (най-ниската температура, при която може да се направи огъване от 90 до 105 градуса) и на двата материала се увеличава значително след заваряване . Температурите на преход се повишават с около 175°C до стойност от 325°C за типичния волфрам в праховата металургия и се повишават с около 235°C до стойност от 385°C за патентования материал с ниска порьозност. Разликата в DBTTs на заварен и незаварен материал се дължи на големия размер на зърното и възможното преразпределение на примесите на заваръчните шевове и зоните, засегнати от топлина. Резултатите от теста показват, че DBTT на типичните волфрамови заварки от праховата металургия е по-нисък от този на патентования материал, въпреки че последният има по-малка порьозност. По-високият DBTT на заваръчния шев във волфрама с ниска порьозност може да се дължи на неговия малко по-голям размер на зърното, Фиг. 3A и 3C.
Резултатите от изследванията за определяне на DBTT за редица съединения в нелегиран волфрам са обобщени в таблица 3. Тестовете за огъване бяха доста чувствителни към промени в процедурата за изпитване. Коренните завои изглеждат по-гъвкави от челните завои. Правилно подбраното облекчаване на напрежението след заваряване изглежда намалява значително DBTT. CVD волфрамът имаше, както беше заварен, най-високата DBTT (560 ℃)； но когато му беше дадено 1 час облекчаване на напрежението от 1000 ℃ след заваряване, неговата DBTT спадна до 350 ℃. облекчаване на напрежението от 1000° C след заваряване, неговата DBTT спадна до 350° C. Освобождаване на напрежението от дъгово заварен волфрам от прахова металургия за 1 час при 18000 C намалява DBTT на този материал с около 100° C от стойността, определена за него като- заварени. Освобождаване на напрежението от 1 час при 1000° C върху съединение, направено чрез CVD методи, доведе до най-ниския DBTT (200° C). Трябва да се отбележи, че макар тази температура на преход да е значително по-ниска от всяка друга температура на преход, определена в това изследване, подобрението вероятно е повлияно от по-ниската скорост на деформация (0,1 срещу 0,5 ipm), използвана при тестове върху CVD стави.

Тест за огъване на заварки с припой - газ волфрам - дъгова заварка, направени с Nb. Ta, Mo, Re и W-26% Re като добавъчни метали също бяха тествани за огъване и резултатите са обобщени в таблица 4. най-голяма пластичност беше получена със заварка с рениев припой.

Въпреки че резултатите от това бегло проучване показват, че различен метален добавка може да създаде съединения с механични свойства, вътрешни за хомогенни заварки във волфрам, някои от тези метални добавки могат да бъдат полезни на практика.

Резултати за волфрамови сплави.