El tungstè i els seus aliatges es poden unir amb èxit mitjançant soldadura d'arc de tungstè amb gas,
soldadura per soldadura amb gas tungstè-arc, soldadura per feix d'electrons i per deposició química de vapor.

Es va avaluar la soldabilitat del tungstè i alguns dels seus aliatges consolidats mitjançant tècniques de fosa d'arc, metal·lúrgia de pols o deposició química-vapor (CVD). La majoria dels materials utilitzats eren nominalment una làmina de 0,060 polzades de gruix. Els processos d'unió utilitzats van ser (1) soldadura d'arc de tungstè de gas, (2) soldadura de soldadura d'arc de tungstè de gas, (3) soldadura de feix d'electrons i (4) unió per CVD.
El tungstè es va soldar amb èxit amb tots aquests mètodes, però la solidesa de les soldadures va estar molt influenciada pels tipus de metalls de base i d'aportació (és a dir, productes en pols o fosos per arc). Per exemple, les soldadures en material de fosa d'arc estaven comparativament lliures de porositat, mentre que les soldadures en productes de metal·lúrgia en pols eren normalment poroses, especialment al llarg de la línia de fusió. Per a les soldadures d'arc de tungstè de gas (GTA) en làmina de tungstè no aliada d'1/1r, un preescalfament mínim de 150 ° C (que es va trobar que era la temperatura de transició dúctil-fràgil del metall base) va produir soldadures lliures d'esquerdes. Com a metalls bàsics, els aliatges de tungstè i reni eren soldables sense preescalfament, però la porositat també era un problema amb els productes en pols d'aliatge de tungstè. El preescalfament semblava no afectar la porositat de la soldadura, que era principalment una funció del tipus de metall base.
Les temperatures de transició dúctil a fràgil (DBIT) per a soldadures d'arc de tungstè de gas en diferents tipus de tungstè de metal·lúrgia en pols eren de 325 a 475 ° C, en comparació amb els 150 ° C per al metall base i els 425 ° C per a la soldadura per raig d'electrons. tungstè fos d'arc.
Aparentment, la soldadura de tungstè amb metalls d'aportació diferents no va produir millors propietats d'unió que altres mètodes d'unió. Hem utilitzat Nb, Ta, W-26% Re, Mo i Re com a metalls d'aportació a les soldadures. El Nb i el Mo van provocar greus esquerdes.

Unió per CVD a 510 a 560 ° C

va eliminar tota la porositat menys una petita quantitat i també va eliminar els problemes associats a les altes temperatures necessàries per a la soldadura (com ara grans grans a la soldadura i zones afectades per la calor).
Introducció
El tungstè i els aliatges a base de tungstè s'estan considerant per a una sèrie d'aplicacions nuclears i espacials avançades, com ara dispositius de conversió termoiònics, vehicles de reentrada, elements de combustible d'alta temperatura i altres components del reactor. Els avantatges d'aquests materials són les seves combinacions de temperatures de fusió molt elevades, bones resistències a temperatures elevades, conductivitats tèrmiques i elèctriques elevades i resistència adequada a la corrosió en determinats ambients. Com que la fragilitat limita la seva fabricabilitat, la utilitat d'aquests materials en components estructurals en condicions de servei rigoroses depèn en gran mesura del desenvolupament de procediments de soldadura per proporcionar juntes que siguin comparables en propietats al metall base. Per tant, els objectius d'aquests estudis eren (1) determinar les propietats mecàniques de les juntes produïdes per diferents mètodes d'unió en diversos tipus de tungstè no aliat i aliat; (2) avaluar els efectes de diverses modificacions en els tractaments tèrmics i la tècnica d'unió; i (3) demostrar la viabilitat de fabricar components de prova adequats per a aplicacions específiques.
Materials
Tungstè no aliat m叮10 m. les làmines gruixudes era el material de més interès. El tungstè no aliat d'aquest estudi es va produir mitjançant tècniques de metal·lúrgia de pols, fosa d'arc i deposició de vapor químic. La taula 1 mostra els nivells d'impureses dels productes de metal·lúrgia de pols, CVD i tungstè de fosa d'arc rebuts. La majoria es troben dins dels rangs que es troben nominalment en el tungstè

però cal tenir en compte que el material CVD contenia més quantitats de fluor que les normals.
Es van unir diverses mides i formes de tungstè i aliatges de tungstè per a la comparació. La majoria d'ells eren productes de metal·lúrgia de pols, tot i que també es van soldar alguns materials de fosa d'arc. Es van utilitzar configuracions específiques per determinar la viabilitat de les estructures i components de l'edifici. Tots els materials es van rebre en condicions totalment treballades en fred, a excepció del tungstè CVD, que es va rebre tal com es va dipositar. A causa de l'augment de la fragilitat del tungstè recristal·litzat i de gra gran, el material es va soldar en condicions de treball per minimitzar el creixement del gra a la zona afectada per la calor. A causa de l'alt cost del material i de les quantitats relativament petites disponibles, hem dissenyat mostres de prova que utilitzaven la quantitat mínima de material compatible amb l'obtenció de la informació desitjada.
Procediment
Atès que la temperatura de transició dúctil a fràgil (DBTT) del tungstè està per sobre de la temperatura ambient, s'ha de tenir especial cura en la manipulació i el mecanitzat per evitar esquerdes1. El cisallament provoca esquerdes a les vores i hem descobert que el rectificat i el mecanitzat amb electrodescàrrega deixen controls de calor a la superfície. A no ser que s'eliminin mitjançant lligament, aquestes esquerdes es poden propagar durant la soldadura i el seu ús posterior.
El tungstè, com tots els metalls refractaris, s'ha de soldar en una atmosfera molt pura de gas inert (procés de gas tungstè-arc) o de buit (feix d'electrons pro:::ess)2 per evitar la contaminació de la soldadura per intersticials. Com que el tungstè té el punt de fusió més alt de tots els metalls (3410 ° C), els equips de soldadura han de ser capaços de suportar les altes temperatures de servei.

Taula 1

Es van utilitzar tres processos de soldadura diferents: soldadura amb gas tungstè-arc, soldadura amb gas tungstè-arc i soldadura per feix d'electrons. Per a cada material es van determinar les condicions de soldadura necessàries per a una PCnetració completa amb una entrada d'energia mínima. Abans de soldar, el material de làmina es va mecanitzar en 囚in. blancs amples i desgreixats amb alcohol etílic. El disseny de la junta era una ranura quadrada sense obertura d'arrel.
Soldadura amb gas tungstè-arc
Totes les soldadures automàtiques i manuals de gas tungstè-arc es van fer en un ehamher que es va mantenir per sota de 5 x I o. torr durant aproximadament 1 hora i després ompliu amb argó molt pur. Com es mostra a la figura lA, la cambra estava equipada amb un mecanisme de travessa i un capçal de torxa per a la soldadura automàtica. La peça de treball es va subjectar en un accessori de coure proveït d'insercions de tungstè en tots els punts de contacte per evitar que es soldés a l'obra pel batec de soldadura. La base d'aquest aparell allotjava els calefactors elèctrics de cartutxos que preescalfaven l'obra a la temperatura desitjada, Fig. 1 B. Totes les soldadures es van fer a una velocitat de desplaçament de 10 ipm, una corrent d'uns 350 amperes i una tensió de 10 a 15 v. .
Gas Tungstè-A『c Soldadura de soldadura
Les soldadures de tungstè de gas es van fer en una cambra amb una atmosfera inert mitjançant tècniques similars

les descrites anteriorment. Les soldadures de soldadura de placa de cordó fetes amb tungstè i metall de farciment W—26% Re es van fer manualment; no obstant això, les soldadures de soldadura a tope es van soldar automàticament després de col·locar el metall de farciment a la junta a tope.
Soldadura per Feix d'Electrons
Les soldadures de feix d'eleetron es van fer en una màquina de 150 kV 20 mA. Durant la soldadura es va mantenir un buit d'uns 5 x I o-6 torr. La soldadura per feix d'electrons dóna com a resultat una proporció molt alta de profunditat a amplada i una zona estreta afectada per la calor.
』Unitat per Disposició de Vapor Químic
Les juntes de tungstè es van fer dipositant metall de farciment de tungstè no aliat mitjançant el procés de deposició de vapor químic3. El tungstè es va dipositar mitjançant la reducció d'hidrogen d'hexafluorur de tungstè segons la reacció-t
calor
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
L'ús d'aquesta tècnica per unir només va requerir canvis menors en els accessoris i la distribució del flux de reactius. El principal avantatge d'aquest procés respecte als mètodes d'unió més convencionals és que, ja que les baixes temperatures emprades (510 a 650 °C) són molt inferiors al punt de fusió de

El tungstè (3410 ° C), la recristal·lització i la possible fragilització addicional del metall base de tungstè forjat per impureses o creixement del gra es minimitzen.
Es van fabricar diversos dissenys de juntes, inclosos tancaments de culata i tubs. La deposició es va realitzar amb l'ajuda d'un mandril de coure que s'utilitzava com a fixació, peça d'alineació i substrat. Un cop finalitzada la deposició, el mandril d'eopper es va eliminar mitjançant gravat. Atès que altres treballs" han demostrat que el tungstè CVD posseeix tensions residuals complexes tal com es dipositen, aquestes juntes van ser rellevants d'estrès durant una hora a 1000 ° a 1600 ° C abans de mecanitzar o provar.
Inspecció i assaig
Les articulacions es van inspeccionar visualment i mitjançant penetrant líquid i radiografia abans de ser provades. Les soldadures típiques es van analitzar químicament per a l'oxigen i el nitrogen (taula 2) i es van realitzar exàmens metal·logràfics extensos al llarg de l'estudi.
A causa de la seva simplicitat inherent i adaptabilitat a mostres petites, la prova de flexió es va utilitzar com a criteri principal per a la integritat de les articulacions i la comparació dels processos. Les temperatures de transició dúctil-fràgil es van determinar amb un aparell de flexió de tres punts per a les juntes tant soldades com després de l'envelliment. La mostra bàsica per a les proves de flexió va ser la longitudinal

corba de cara, 24t de llarg per 12t d'amplada, on t és el gruix de la mostra. Els exemplars es van recolzar en un vano de 15 t i es van doblegar amb un pistó de radi de 4 t a una velocitat de 0,5 ipm. Aquesta geometria va tendir a normalitzar les dades obtingudes sobre diversos gruixos de materials. Les mostres normalment es doblegaven transversalment a la costura de soldadura (espècimen de corbat longitudinal) per proporcionar una deformació uniforme de la soldadura, la zona afectada per la calor i el metall base; tanmateix, es van doblegar alguns exemplars al llarg de la costura de soldadura (exemplar de corba transversal) per comparar-los. Es van utilitzar corbes facials en les parts inicials de la investigació; no obstant això, a causa de la lleugera osca que es troba a les feines de la majoria de les soldadures a causa del pes del metall fos, es van substituir els corbes de l'arrel en proves posteriors. Les recomanacions del Consell Assessor de Materials6 relacionades amb les proves de flexió de mostres de làmines es van seguir el més a prop possible. A causa del material limitat, es van seleccionar els exemplars més petits recomanables.
Per determinar la temperatura de transició de flexió, l'aparell de flexió es va tancar en un forn capaç d'elevar ràpidament la temperatura a 500 º C. Un revolt de 90 a 105 º es va considerar un corbat complet. El DBTT es va definir com la temperatura més baixa a la qual el speeimen es va doblegar completament sense craquejar. Tot i que les proves es van realitzar a l'aire, la decoloració de les mostres no va ser evident fins que les temperatures de prova van arribar als 400 ° C.

Figura 1

Resultats per a tungstè no aliat
Soldabilitat general
Soldadura d'arc turzgstea de gas: en soldadura d'arc de tungstè de gas de 1 乍 polzada. xapa gruixuda sense aliar, el treball s'ha de preescalfar substancialment per evitar una fallada trencadissa sota l'estrès induït pel xoc tèrmic. La figura 2 mostra una fractura típica produïda per soldadura sense un preescalfament adequat. La gran mida del gra i la forma de la soldadura i la zona afectada per la calor són evidents a la fractura. La investigació de les temperatures de preescalfament des de la temperatura ambient fins als 540 °C va demostrar que era necessari un preescalfament a un mínim de 150 °C per a la producció consistent de soldadures a tope d'una sola passada que estiguessin lliures d'esquerdes. Aquesta temperatura correspon al DBTI del metall base. El preescalfament a temperatures més altes no semblava ser necessari en aquestes proves, però el material amb un DBTI més alt, o configuracions que impliquen concentracions d'esforç més severes o peces més massives, poden requerir un preescalfament a temperatures més altes.
La qualitat d'una soldadura depèn en gran mesura dels procediments utilitzats en la fabricació dels metalls bàsics. Les soldadures autògenes en tungstè fosat per arc estan essencialment lliures de porositat, Fig.
3A, però les soldadures de tungstè de pulvimetal·lúrgia es caracteritzen per una porositat bruta, figura 3 (b), especialment al llarg de la línia de fusió. La quantitat d'aquesta porositat, figura 3B, particularment al llarg de 3C, en soldadures fetes en un producte patentat de baixa porositat (GE-15 produït per General Electric Co., Cleveland).
Les soldadures d'arc de tungstè de gas en tungstè CVD tenen zones afectades per la calor inusuals a causa de l'estructura del gra 0 £ la base metaF. La figura 4 mostra la cara i la secció transversal corresponent d'una soldadura a tope d'arc de tungstè amb gas. Tingueu en compte que els grans fins a la superfície del substrat han crescut a causa de la calor de la soldadura. També és evident la manca de creixement del gran columnar

grans. Els grans columnars tenen gas
bombolles als límits de gra causades per impureses de fluormes8. En conseqüència, si
la superfície del substrat de gra fi s'elimina abans de la soldadura, la soldadura no conté una zona afectada per la calor detectable metal·logràficament. Per descomptat, en el material CVD treballat (com ara tubs extruïts o estirats) la zona afectada per la calor de la soldadura té l'estructura normal de gra recristal·litzat.
Es van trobar esquerdes als límits de gra columnar a la RAZ de diverses soldadures en tungstè CVD. Aquest trencament, que es mostra a la figura 5, va ser causat per la ràpida formació i creixement de bombolles als límits del gra a altes temperatures9. A les altes temperatures implicades en la soldadura, les bombolles van poder consumir gran part de l'àrea del límit del gra; això, combinat amb la tensió produïda durant el refredament, va separar els límits del gra per formar una esquerda. Un estudi de la formació de bombolles en dipòsits de tungstè i altres metalls durant el tractament tèrmic mostra que les bombolles es produeixen en metalls dipositats per sota de 0,3 Tm (la temperatura de fusió homòloga). Aquesta observació suggereix que les bombolles de gas es formen per coalescència de buits i gasos atrapats durant el recuit. En el cas del tungstè CVD, el gas és probablement fluor o un compost de fluor
Soldadura per feix d'electrons: el tungstè no aliat era soldat per feix d'electrons amb i sense preescalfament. La necessitat de preescalfament variava segons la mostra. Per garantir una soldadura lliure d'esquerdes, es recomana preescalfar almenys al DBTT del metall base. Les soldadures per feix d'electrons en productes de metal·lúrgia de pols també tenen la porositat de soldadura esmentada anteriorment.

Soldadura de soldadura d'arc de tungstè amb gas 一 En un esforç per establir si la soldadura per soldadura amb soldadura es podria utilitzar amb avantatge, vam experimentar amb el procés de tungstènia amb gas per fer soldadures per soldadura en làmines de tungstè de metal·lúrgia en pols. unió a tope abans de soldar. Les soldadures per soldadura es van produir amb Nb, Ta, Mo, Re i W-26% Re no aliats com a metalls d'aportació. Com era d'esperar, hi havia porositat a la línia de fusió en seccions metal·logràfiques de totes les articulacions (Fig. 6) ja que els metalls base eren productes de metal·lúrgia en pols. Soldadures fetes amb metalls d'aportació de niobi i molibdè esquerdes.
Es van comparar les dureses de les soldadures i les soldadures per soldadura mitjançant un estudi de soldadures de cordó sobre placa fetes amb tungstè no aliat i W一26% Re com a metalls d'aportació. Les soldadures de tungstenarc de gas i les soldadures de soldadura es van fer manualment en productes de metal·lúrgia de pols de tungstè no aliats (la baixa porositat, el grau patentat (GE-15) i un grau comercial típic). Les soldadures de cada material es van envellir a 900, 1200, 1600 i 2000 °C durant l, 10, 100 i 1000 h. Les mostres es van examinar metalogràficament i es van fer travesses de duresa a través de la soldadura, la zona afectada per la calor i el metall base, tant com a soldat com després del tractament tèrmic.

Taula 2

Figura 2

Com que els materials utilitzats en aquest estudi eren productes de metal·lúrgia en pols, hi havia diferents quantitats de porositat als dipòsits de soldadura i soldadura. De nou, les juntes fetes amb metall base de tungstè de pols metal·lúrgia típica tenien més porositat que les fetes amb el tungstè patentat de baixa porositat. Les soldadures de soldadura fetes amb metall d'aportació W—26% Re tenien menys porositat que les soldadures fetes amb metall d'ompliment de tungstè no aliat.
No es va detectar cap efecte del temps ni de la temperatura sobre la duresa de les soldadures fetes amb tungstè no aliat com a metall d'aportació. Quan es va soldar, les mesures de duresa de la soldadura i dels metalls bàsics eren essencialment constants i no van canviar després de l'envelliment. No obstant això, les soldadures de soldadura fetes amb metall d'aportació W—26% Re eren considerablement més dures que el metall base (Fig. 7). Probablement, la major duresa del dipòsit de soldadura W-Re br立e es va deure a l'enduriment de la solució sòlida i/o a la presència d'una fase ben distribuïda a l'estructura solidificada. El diagrama de fases de tungstenreni11 mostra que les àrees localitzades d'alt contingut de re podrien produir-se durant un refredament ràpid i donar lloc a la formació de la fase més dura i més trencadissa a la subestructura altament segregada. Possiblement, la fase er estava finament dispersa en els grans o en els límits dels grans, tot i que cap era prou gran per ser identificada per un examen metal·logràfic o per difracció de raigs X.
La duresa es representa en funció de la distància des de la línia central de soldadura per a diferents temperatures d'envelliment a la figura 7A. Observeu el canvi brusc

en duresa a la línia de fusió. Amb l'augment de la temperatura d'envelliment, la duresa de la soldadura soldada va disminuir fins que, després de 100 h a J 600 ° C, la duresa va ser la mateixa que la del metall base de tungstè no aliat. Aquesta tendència de duresa decreixent amb l'augment de la temperatura es va mantenir durant tots els temps d'envelliment. L'augment del temps a una temperatura constant també va provocar una disminució simiJar de la duresa, tal com es mostra per a una temperatura d'envelliment de 1200 ° C a la figura 7B.
Unió per deposició de vapor químic: es va investigar la unió de tungstè mitjançant tècniques CVD com a mètode per produir soldadures en diversos dissenys d'exemplars. Mitjançant l'ús d'accessoris i màscares adequades per limitar la deposició a les àrees desitjades, es van unir làmines de tungstè CVD i de metal·lúrgia en pols i es van produir tancaments finals de tubs. La deposició en un bisell amb un angle inclòs d'uns 90 graus va produir esquerdes, figura 8A, a les interseccions de grans columnars que creixen d'una cara del bisell i el substrat (que va ser gravat). No obstant això, es van obtenir juntes d'alta integritat sense esquerdes ni acumulació d'impureses, figura 8B, quan es va canviar la configuració de la junta triturant la cara del metall base fins a un radi de 飞in. tangent a l'arrel de la soldadura. Per demostrar una aplicació típica d'aquest procés en la fabricació d'elements de combustible, es van fer uns quants tancaments d'extrem en tubs de tungstè. Aquestes juntes eren estanques quan es van provar amb un detector de fuites d'espectre de masses d'heli.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Propietats mecàniques
Proves de flexió de soldadures per fusió 一Es van determinar corbes de transició de dúctil a fràgil per a diverses juntes en tungstè no aliat. Les corbes de la figura 9 mostren que el DBTT de dos metalls base de la metal·lúrgia en pols era d'uns I 50 ° C. Normalment, el DBTT (la temperatura més baixa a la qual es podia fer un corbat de 90 a 105 graus) d'ambdós materials va augmentar molt després de la soldadura. . Les temperatures de transició van augmentar uns 175 ° C fins a un valor de 325 ° C per al tungstè típic de la pols metal·lúrgia i van augmentar uns 235 ° C fins a un valor de 385 ° C per al material patentat de baixa porositat. La diferència en els DBTT de material soldat i no soldat es va atribuir a la gran mida del gra i a la possible redistribució d'impureses de les soldadures i zones afectades per la calor. Els resultats de les proves mostren que el DBTT de les soldadures típiques de tungstè de pols metal·lúrgia era inferior al del material patentat, tot i que aquest últim tenia menys porositat. El DBTT més alt de la soldadura en el tungstè de baixa porositat pot haver estat degut a la seva mida de gra una mica més gran, Fig. 3A i 3C.
Els resultats de les investigacions per determinar els DBTT per a una sèrie d'articulacions en tungstè no aliat es resumeixen a la Taula 3. Les proves de flexió van ser bastant sensibles als canvis en el procediment de prova. Els corbes de l'arrel semblaven ser més dúctils que els corbes de cara. Un alleujament de tensió seleccionat correctament després de la soldadura semblava reduir substancialment el DBTT. El tungstè CVD tenia, tal com es va soldar, el DBTT més alt (560 ℃), però quan se li va donar un alleujament de l'estrès d'1 h de 1000 ℃ després de la soldadura, el seu DBTT va baixar a 350 ℃. L'alleujament de tensió de 1000 ° C després de la soldadura, el seu DBTT va baixar a 350 ° C. L'alleujament de tensió del tungstè de pols de metal·lúrgia soldat per arc durant 1 h a 18000 C va reduir el DBTT d'aquest material en uns 100 ° C del valor determinat per a ell com- soldat. Un alleujament de l'estrès d'1 hora a 1000 ° C en una unió feta per mètodes CVD va produir el DBTT més baix (200 ° C). Cal tenir en compte que, tot i que aquesta temperatura de transició era considerablement més baixa que qualsevol altra temperatura de transició determinada en aquest estudi, la millora probablement es va veure influenciada per la taxa de tensió més baixa (0, 1 vs 0, 5 ipm) utilitzada en proves en juntes CVD.

Prova de flexió de soldadures de soldadura-gas de tungstè-soldures d'arc fetes amb Nb. Ta, Mo, Re i W-26% Re com a metalls d'aportació també es van provar de flexió i els resultats es resumeixen a la taula 4. La major ductilitat es va obtenir amb una soldadura amb reni.

Tot i que els resultats d'aquest estudi superficial indiquen que un metall d'aportació diferent pot produir juntes amb propietats mecàniques a l'interior de les soldadures homogènies de tungstè, alguns d'aquests metalls d'aportació poden ser útils a la pràctica.

Resultats d'aliatges de tungstè.