Volfram i njegove legure mogu se uspješno spojiti plinskim volfram-lučnim zavarivanjem,
gasno volfram-lučno lemljenje, zavarivanje elektronskim snopom i hemijskim taloženjem iz pare.

Procijenjena je zavarljivost volframa i niza njegovih legura konsolidiranih elektrolučnim lijevanjem, metalurgijom praha ili tehnikama hemijskog taloženja parom (CVD). Većina korištenih materijala bila je nominalno 0,060 inča debljine lima. Korišteni procesi spajanja su (1) plinsko volfram-lučno zavarivanje, (2) plinsko volfram-lučno zavarivanje, (3) zavarivanje elektronskim snopom i (4) spajanje CVD-om.
Volfram je uspješno zavaren svim ovim metodama, ali na čvrstoću zavarenih šavova uvelike su utjecale vrste osnovnih i dodatnih metala (tj. praškasti ili lučno liveni proizvodi). Na primjer, zavareni spojevi u materijalu izlivenog lučnim lukom bili su relativno bez poroznosti, dok su zavari u proizvodima metalurgije praha obično bili porozni, posebno duž linije fuzije. Za gasne volfram-lučne (GTA) zavare u 1/1r, in. nelegiranim volframovim limom, minimalno predgrijavanje od 150°C (što je utvrđeno kao temperatura duktilno-krtog prijelaza osnovnog metala) proizvodi zavare bez pukotina. Kao osnovni metali, legure volfram-renijum bile su zavarljive bez prethodnog zagrevanja, ali poroznost je takođe bila problem kod proizvoda od legura volframa u prahu. Čini se da predgrijavanje nije utjecalo na poroznost šava, što je prvenstveno bila funkcija vrste osnovnog metala.
Prelazne ternperature od duktilne u krhke (DBIT) za gasne volfram-lučne zavare u različitim vrstama volframa metalurgije praha bile su 325 do 475°C, u poređenju sa 150°C za osnovni metal i 425°C za zavarene elektronskim snopom lijevani volfram.
Zavarivanje volframa lemljenjem sa različitim dodatnim metalima očigledno nije dalo bolja svojstva spoja nego druge metode spajanja. Koristili smo Nb, Ta, W-26% Re, Mo i Re kao dodatne metale u lemljenim šavovima. Nb i Mo izazvali su ozbiljno pucanje.

Spajanje CVD-om na 510 do 560°C

eliminisao je sve osim male količine poroznosti i takođe eliminisao probleme povezane sa visokim temperaturama neophodnim za zavarivanje (kao što su velika zrna u zavaru i zone zahvaćene toplotom).
Uvod
Volfram i legure na bazi volframa razmatraju se za brojne napredne nuklearne i svemirske primjene, uključujući uređaje za termionu konverziju, vozila za ponovno ulazak, gorive elemente visoke temperature i druge komponente reaktora. Prednosti ovih materijala su kombinacija vrlo visokih temperatura topljenja, dobre čvrstoće na povišenim temperaturama, visoke toplotne i električne provodljivosti i odgovarajuće otpornosti na koroziju u određenim sredinama. Pošto krhkost ograničava njihovu mogućnost izrade, korisnost ovih materijala u strukturnim komponentama u rigoroznim uslovima rada u velikoj meri zavisi od razvoja postupaka zavarivanja kako bi se obezbedili spojevi koji su po svojstvima uporedivi sa osnovnim metalom. Stoga su ciljevi ovih istraživanja bili (1) utvrđivanje mehaničkih svojstava spojeva proizvedenih različitim metodama spajanja u nekoliko vrsta nelegiranog i legiranog volframa; (2) procijeniti efekte različitih modifikacija u termičkoj obradi i tehnici spajanja; i (3) demonstrirati izvodljivost izrade testnih komponenti pogodnih za specifične primjene.
Materijali
Nelegirani volfram m叮10 m. debeli listovi su bili materijal od najvećeg interesa. Nelegirani volfram u ovoj studiji proizveden je metalurgijom praha, tehnikama elektrolučnog livenja i hemijskog taloženja parom. U tabeli 1 prikazani su nivoi nečistoća metalurgije praha, CVD-a i lučno livenih proizvoda od volframa kako su primljeni. Većina spada u opsege koji se nominalno nalaze u volframu

ali treba napomenuti da je CVD materijal sadržavao više od norme] količine fluora.
Različite veličine i oblici volframa i volframovih legura spojeni su radi poređenja. Većina njih su bili proizvodi metalurgije praha, iako su neki materijali liveni po luku također bili zavareni. Korištene su specifične konfiguracije za utvrđivanje izvodljivosti građevinskih konstrukcija i komponenti. Svi materijali su primljeni u potpuno hladno obrađenom stanju sa izuzetkom CVD volframa, koji je primljen kao deponovan. Zbog povećane krhkosti rekristalizovanog i krupnozrnog volframa materijal je zavaren u obrađenom stanju kako bi se minimizirao rast zrna u zoni toplotnog uticaja. Zbog visoke cijene materijala i relativno malih dostupnih količina, dizajnirali smo uzorke za ispitivanje koji su koristili minimalnu količinu materijala u skladu s dobivanjem željenih informacija.
Procedura
Budući da je temperatura prijelaza od duktilnog u krhko (DBTT) volframa iznad sobne temperature, pri rukovanju i mašinskoj obradi mora se koristiti posebna pažnja kako bi se izbjeglo pucanje1. Smicanje uzrokuje pucanje rubova i otkrili smo da brušenje i obrada elektropražnjenjem ostavljaju toplinske provjere na površini. Osim ako se ne uklone preklapanjem, ove pukotine se mogu širiti tokom zavarivanja i naknadne upotrebe.
Volfram, kao i svi vatrostalni metali, mora biti zavaren u vrlo čistoj atmosferi bilo inertnog plina (postupak plinskog volfram-luka) ili vakuuma (pro:::ess)2 kako bi se izbjegla kontaminacija šava međuprostorima. Pošto volfram ima najvišu tačku topljenja od svih metala (3410°C), oprema za zavarivanje mora biti sposobna da izdrži visoke radne temperature.

Tabela 1

Korištena su tri različita procesa zavarivanja: plinsko volfram-lučno zavarivanje, plinsko volfram-lučno lemljenje i zavarivanje elektronskim snopom. Za svaki materijal utvrđeni su uvjeti zavarivanja potrebni za potpunu pcnetaciju uz minimalni unos energije. Prije zavarivanja, limeni materijal je strojno obrađen u 囚in. široke praznine i odmašćene etil alkoholom. Dizajn spoja je bio kvadratni utor bez otvora za korijen.
Zavarivanje gasom volfram
Svi automatski i ručni gasni volfram-lučni zavari su napravljeni u ehamheru koji je održavan ispod 5 x I ili. torr oko 1 sat, a zatim napunjen vrlo čistim argonom. Kao što je prikazano na slici lA, komora je opremljena mehanizmom za pomicanje i glavom gorionika za automatsko zavarivanje. Radni komad je držan u bakrenom držaču opremljenom volframovim umetcima na svim tačkama kontakta kako bi se spriječilo da se zavarivanjem zavari za lemljenje. U osnovi ovog uređaja bili su električni grijači uložaka koji su prethodno zagrijali rad do željene temperature, slika 1 B. Svi zavari su napravljeni pri brzini kretanja od 10 ipm, eurrentu od oko 350 ampera i naponu od 10 do 15 v. .
Gas Tungsten-A『c zavarivanje lemljenjem
Zavareni lemljeni zavari od gasnog volframa napravljeni su u ehamberu u inertnoj atmosferi tehnikama sličnim

one gore opisane. Zavareni lemljeni zavareni spojevi napravljeni od volframa i dodanog metala W—26% Re napravljeni su ručno; međutim, sučeono lemljeni zavari su zavareni automatski nakon što je dodatni metal stavljen u čeoni spoj.
Zavarivanje elektronskim snopom
Elektronski snop zavarivanja izvedeni su u mašini od 150 kV 20 mA. Za vrijeme zavarivanja održavan je vakuum od oko 5 x I o-6 tora. Zavarivanje elektronskim snopom rezultira vrlo visokim omjerom dubine i širine i uskom zoni utjecaja topline.
』oining by Chemical Vapor Disposition
Spojevi od volframa su napravljeni nanošenjem nelegiranog volframovog dodatka putem procesa hemijskog taloženja parom3. Volfram je deponovan vodoničnim redukcijom volfram heksafluorida prema reakciji-t
toplota
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Upotreba ove tehnike za spajanje zahtijevala je samo manje promjene u učvršćenjima i raspodjeli protoka reaktanata. Primarna prednost ovog procesa u odnosu na konvencionalnije metode spajanja je u tome što su niske temperature koje se koriste (510 do 650 °C) mnogo niže od tačke topljenja

volfram (3410°C), rekristalizacija i moguća daljnja krtost kovanog volframovog osnovnog metala nečistoćama ili rast zrna su minimizirani.
Proizvedeno je nekoliko dizajna spojeva uključujući zatvarače na kraju i na kraju cijevi. Taloženje je izvedeno uz pomoć bakrenog trna koji je korišten kao učvršćenje, komad za poravnanje i podloga. Nakon što je taloženje završeno, eopper mandrel je uklonjen jetkanjem. Budući da je drugi rad” pokazao da CVD volfram posjeduje složena zaostala naprezanja kao što je taloženo, ovi spojevi su napregnuti na 1 h na 1000° do 1600°C prije obrade ili testiranja.
Inspekcija i testiranje
Zglobovi su pregledani vizualno i tečnim penetrantom i radiografijom prije testiranja. Uobičajeni zavareni spojevi su kemijski analizirani na kisik i dušik (Tablica 2), a opsežna metalografska ispitivanja vršena su tijekom cijelog istraživanja.
Zbog svoje inherentne jednostavnosti i prilagodljivosti malim uzorcima, test savijanja korišten je kao primarni kriterij za cjelovitost zgloba i usporedbu procesa. Temperature prijelaza duktilno-krhko određivane su pomoću aparata za savijanje u tri točke za spojeve kako zavarene tako i nakon starenja. Osnovni uzorak za ispitivanje na savijanje bio je uzdužni

čeona krivina, dužine 24t i širine 12t, gdje je t debljina uzorka. Uzorci su oslonjeni na raspon od 15t i savijeni klipom radijusa 4t brzinom od 0,5 ipm. Ova geometrija je težila normalizaciji podataka dobijenih na različitim debljinama materijala. Uzorci su se obično savijali poprečno na šav (uzdužni uzorak savijanja) kako bi se osigurala ujednačena deformacija šava, zone utjecaja topline i osnovnog metala; međutim, nekoliko uzoraka je savijeno duž zavarenog šava (uzorak poprečnog savijanja) radi usporedbe. Savijanja lica su korištena u početnim dijelovima istraživanja; međutim, zbog blagog zareza koji je pronađen na šavovima većine zavarenih spojeva zbog težine rastopljenog metala, u kasnijim testovima su zamijenjene korijenske krivine. Preporuke Savjetodavnog odbora za materijale6 koje se odnose na ispitivanje savijanja uzoraka lima su poštovane što je moguće bliže. Zbog ograničenog materijala odabrani su najmanji preporučljivi primjerci.
Da bi se odredila temperatura prijelaza savijanja, aparat za savijanje je bio zatvoren u peći koja je mogla brzo podići temperaturu na 500 °C. Zavoj od 90 do 105 stupnjeva smatran je punim savijanjem. DBTT je definiran kao najniža temperatura pri kojoj se uzorak u potpunosti savijao bez škripanja. Iako su ispitivanja provedena na zraku, promjena boje uzoraka nije bila evidentna sve dok testna temperatura nije dostigla 400°C.

Slika 1

Rezultati za Nelegirani volfram
Opća zavarljivost
Gas Turzgstea-lučno zavarivanje—U plinskom volfram-lučnom zavarivanju od 1乍in. Debeli nelegirani lim, izrada mora biti znatno prethodno zagrijana kako bi se spriječilo krto lomanje pod naprezanjem izazvanim termičkim udarom. Slika 2 prikazuje tipičan lom nastao zavarivanjem bez odgovarajućeg predgrijavanja. Velika veličina zrna i oblik vara i toplotno zahvaćene zone su evidentni na lomu. Ispitivanje temperatura predgrijavanja od sobne temperature do 540°C pokazalo je da je predgrijavanje na minimalno 150°C potrebno za konzistentnu proizvodnju sučeonih zavara u jednom prolazu bez pukotina. Ova temperatura odgovara DBTI osnovnog metala. Činilo se da predgrijavanje na više temperature nije potrebno u ovim testovima, ali materijal s većim DBTI-om, ili konfiguracije koje uključuju veće koncentracije naprezanja ili masivnije dijelove, mogu zahtijevati predgrijavanje do viših temperatura.
Kvaliteta zavarenih spojeva uvelike ovisi o postupcima koji se koriste u proizvodnji osnovnih metala. Autogeni zavari u lučno livenom volframu u suštini nemaju poroznost, Sl.
3A, ali zavare u metalurgiji praha volframa karakterizira velika poroznost, slika 3 (b), posebno duž linije fuzije. Količina ove poroznosti, slika 3B, posebno duž 3C, u zavarenim spojevima napravljenim u zaštićenom proizvodu niske poroznosti (GE-15 proizveden od strane General Electric Co., Cleveland).
Plinski volfram-lučni zavari u CVD volframu imaju neobične zone pod utjecajem topline zbog strukture zrna 0£baznog metaF. Slika 4 prikazuje čeonu stranu i odgovarajući poprečni presjek takvog sučeonog zavarenog šava sa lukom od volframa. Imajte na umu da su fina zrna na površini podloge porasla zbog topline zavarivanja. Takođe je evidentan nedostatak rasta velikog stuba

zrna. Stubčasta zrna imaju gas
mehurići na granicama zrna uzrokovani nečistoćama fluora8. Shodno tome, ako
fino zrnasta površina podloge se uklanja prije zavarivanja, zavareni spoj ne sadrži metalografski detektivnu zonu pod utjecajem topline. Naravno, u obrađenom CVD materijalu (kao što su ekstrudirane ili izvučene cijevi) zona šava pod utjecajem topline ima normalnu rekristaliziranu strukturu zrna.
Nađene su pukotine u granicama stupastih zrna u RAZ-u nekoliko šavova u CVD volframu. Ovo pucanje, prikazano na slici 5, uzrokovano je brzim stvaranjem i rastom mjehurića na granicama zrna pri visokim temperaturama9. Na visokim temperaturama uključenim u zavarivanje, mjehurići su bili u stanju da potroše veći dio graničnog područja zrna; ovo je, u kombinaciji sa naprezanjem proizvedenim tokom hlađenja, razdvojilo granice zrna i stvorilo pukotinu. Studija formiranja mehurića u naslagama volframa i drugih metala tokom termičke obrade pokazuje da se mehurići pojavljuju u metalima deponovanim ispod 0,3 Tm (homologna temperatura topljenja). Ovo zapažanje sugerira da se mjehurići plina formiraju spajanjem zarobljenih slobodnih mjesta i plinova tokom žarenja. U slučaju CVD volframa, gas je verovatno fluor ili jedinjenje fluorida
Zavarivanje elektronskim snopom—nelegirani volfram je zavaren elektronskim snopom sa i bez predgrijavanja. Potreba za predgrijavanjem varirala je u zavisnosti od uzorka. Da bi se osigurao zavar bez pukotina, preporučuje se predgrijavanje barem do DBTT osnovnog metala. Zavareni šavovi elektronskim snopom u proizvodima metalurgije praha takođe imaju prethodno pomenutu poroznost šava.

Zavarivanje s plinskim volfram-lučnim lemljenjem一U nastojanju da utvrdimo može li se zavarivanje lemljenjem koristiti s prednostima, eksperimentirali smo s plinskim volfram-lučnim postupkom za pravljenje šavova lemljenja na limovima od metalurgije praha od volframa、 Zavareni lemljeni zavari su napravljeni prethodnim postavljanjem dodatnog metala duž čeoni spoj prije zavarivanja. Lemljeni zavari su proizvedeni sa nelegiranim Nb, Ta, Mo, Re i W-26% Re kao dodatnim metalima. Kao što se i očekivalo, u metalografskim presjecima svih spojeva postojala je poroznost na liniji fuzije (slika 6) budući da su osnovni metali proizvodi metalurgije praha. Napukli su šavovi od niobijuma i molibdena.
Tvrdoće zavarenih i lemljenih zavarenih spojeva upoređivane su proučavanjem zavarenih spojeva na ploči od nelegiranog volframa i W一26% Re kao dodatnim metalima. Gasni volframolučni zavari i lemljeni zavari su napravljeni ručno na nelegiranim proizvodima metalurgije praha volframa (niska poroznost, vlasnički (GE-15) i tipični komercijalni razred). Zavareni i lemljeni zavari u svakom materijalu su stari na 900, 1200, 1600 i 2000°C tokom 1, 10, 100 i 1000 sati. Uzorci su metalografski ispitani, a popreci tvrdoće su rađeni po zavaru, zoni toplinski utjecaja i osnovnom metalu kako u zavarenom tako i nakon toplinske obrade.

Tabela 2

Slika 2

Budući da su materijali korišteni u ovoj studiji bili proizvodi metalurgije praha, različite količine poroznosti bile su prisutne u naslagama šava i lemljenja. Opet, spojevi napravljeni od tipičnog osnovnog metala volframa u metalurgiji praha imali su veću poroznost od onih napravljenih sa niskim poroznošću, zaštićenim volframom. Zavareni lemljeni spojevi napravljeni od dodanog metala W—26% Re imali su manju poroznost od zavarenih spojeva napravljenih od nelegiranog volframovog dodatnog metala.
Nije uočen nikakav uticaj vremena ili temperature na tvrdoću zavarenih spojeva napravljenih od nelegiranog volframa kao dodatnog metala. Dok su zavareni, mjerenja tvrdoće šava i osnovnih metala bila su u suštini konstantna i nisu se mijenjala nakon starenja. Međutim, zavareni lemljeni zavari napravljeni od dodanog metala W—26% Re bili su znatno tvrđi u odnosu na osnovni metal (slika 7). Vjerovatno je veća tvrdoća W-Re br立e naslaga šava posljedica očvršćavanja u čvrstom rastvoru i/ili prisustva er faze fino raspoređene u očvrsnutoj strukturi. Fazni dijagram volframrenijuma11 pokazuje da se lokalizovana područja sa visokim sadržajem renijuma mogu pojaviti tokom brzog hlađenja i rezultirati formiranjem tvrde, krhke faze u visoko segregiranoj podstrukturi. Moguće je da je er faza bila fino dispergirana u zrnima ili granicama zrna, iako nijedna nije bila dovoljno velika da bi se identificirala bilo metalografskim pregledom ili difrakcijom rendgenskih zraka.
Tvrdoća je prikazana kao funkcija udaljenosti od središnje linije lemljenja za različite temperature starenja na slici 7A. Obratite pažnju na naglu promjenu

u tvrdoći na liniji fuzije. Sa povećanjem temperature starenja, tvrdoća zavarenog lemljenja opadala je sve dok, nakon 100 sati na J 600°C, tvrdoća nije bila ista kao kod nelegiranog osnovnog metala volframa. Ovaj trend smanjenja tvrdoće sa povećanjem temperature važi za sva vremena starenja. Povećanje vremena na konstantnoj temperaturi također je uzrokovalo slično smanjenje tvrdoće, kao što je prikazano za temperaturu starenja od 1200°C na slici 7B.
Spajanje hemijskim taloženjem pare—Spajanje volframa CVD tehnikama je istraživano kao metoda za proizvodnju zavarenih spojeva u različitim dizajnom uzoraka. Korištenjem odgovarajućih učvršćivača i maski za ograničavanje taloženja na željena područja, spojeni su CVD i volframovi limovi iz metalurgije praha i proizvedeni su završni zatvarači na cijevima. Taloženje u kosinu sa uključenim uglom od oko 90 stepeni dovelo je do pucanja, slika 8A, na presecima stubastih zrna koja rastu sa jedne strane kosine i podloge (koja je bila urezana). Međutim, dobijeni su spojevi visokog integriteta bez pucanja ili grubog nakupljanja nečistoća, slika 8B, kada je konfiguracija spoja promijenjena brušenjem površine osnovnog metala do radijusa od 飞in. tangenta na korijen vara. Da bi se demonstrirala tipična primjena ovog procesa u proizvodnji gorivnih elemenata, napravljeno je nekoliko završnih zatvarača u tungsten cijevima. Ovi spojevi su bili nepropusni kada su testirani pomoću detektora curenja helijuma masenog spektra:eter.

Slika 3

Slika 4

Slika 5

Mehanička svojstva
Ispitivanja savijanja zavarenih spojeva 一 Prijelazne krivulje od duktilne u krhke određene su za različite spojeve u nelegiranom volframu. Krive na slici 9 pokazuju da je DBTT dva osnovna metala iz metalurgije praha bio oko I 50° C. Tipično, DBTT (najniža temperatura na kojoj se može napraviti savijanje od 90 do 105 stepeni) oba materijala se značajno povećava nakon zavarivanja. . Temperature prijelaza porasle su za oko 175°C na vrijednost od 325°C za tipičnu metalurgiju praha volframa i porasle za oko 235°C na vrijednost od 385°C za zaštićeni materijal niske poroznosti. Razlika u DBTT-ovima zavarenog i nezavarenog materijala pripisana je velikoj veličini zrna i mogućoj preraspodjeli nečistoća u zavarenim spojevima i zonama zahvaćenih toplinom. Rezultati ispitivanja pokazuju da je DBTT tipičnih volframovih zavara iz metalurgije praha bio niži nego kod zaštićenog materijala, iako je potonji imao manju poroznost. Veći DBTT šava u volframu niske poroznosti može biti posljedica njegove nešto veće veličine zrna, slike 3A i 3C.
Rezultati istraživanja za određivanje DBTT-a za određeni broj spojeva u nelegiranom volframu sažeti su u tablici 3. Ispitivanja savijanja bila su prilično osjetljiva na promjene u postupku ispitivanja. Činilo se da su korijenski zavoji duktilniji od čeonih. Čini se da pravilno odabrano smanjenje naprezanja nakon zavarivanja značajno smanjuje DBTT. CVD volfram je, kao zavaren, imao najveći DBTT (560℃)；ipak kada mu je dato 1 sat oslobađanja od napona od 1000℃ nakon zavarivanja, njegov DBTT je pao na 350℃. rasterećenje naprezanja od 1000°C nakon zavarivanja, njegov DBTT je pao na 350°C. Rasterećenje naprezanja elektrolučno zavarene metalurgije praha volframa za 1 sat na 18000C smanjilo je DBTT ovog materijala za oko 100°C od vrijednosti određene za njega kao- zavareni. Oslobađanje od naprezanja od 1 sata na 1000°C na spoju napravljenom CVD metodama dalo je najniži DBTT (200°C). Treba napomenuti da, iako je ova prijelazna ternperatura bila znatno niža od bilo koje druge prijelazne temperature utvrđene u ovoj studiji, na poboljšanje je vjerojatno utjecala niža brzina deformacije (0,1 prema 0,5 ipm) korištena u testovima na CVD spojevima.

Ispitivanje savijanja zavarenih lemljenih zavarenih spojeva-gasni volfram-lučni lemljeni zavari napravljeni sa Nb. Ta, Mo, Re i W-26% Re kao dodatni metali su također ispitani na savijanje, a rezultati su sažeti u tablici 4. Najveća duktilnost dobivena je sa renijumskim lemljenim zavarom.

Iako rezultati ove površne studije pokazuju da različiti dodatni metali mogu proizvesti spojeve sa mehaničkim svojstvima unutar kućišta homogenih zavarenih spojeva u volframu, neki od ovih metala za punjenje mogu biti korisni u praksi.

Rezultati za Volframove legure.