U tungstenu è i so ligami ponu esse uniti cù successu da a saldatura à l'arcu di tungstenu à gas,
Saldatura à gas tungsten-arc, saldatura à fasciu di elettroni è per deposizione chimica di vapore.

Hè stata valutata a saldabilità di u tungstenu è una quantità di e so alliate cunsulidati da l'arc casting, a metallurgia di polveri, o tecniche di depositu chimicu-vapor (CVD). A maiò parte di i materiali utilizati eranu nominalmente 0,060 in. I prucessi di cunghjunzione impiegati eranu (1) saldatura à l'arcu di tungstenu à gas, (2) saldatura à saldatura à arcu di tungstenu à gas, (3) saldatura à fasciu elettroni è (4) unione per CVD.
U tungstenu hè statu saldatu cù successu da tutti questi metudi, ma a solidità di e saldature hè stata assai influenzata da i tipi di metalli di basa è di riempimentu (ie prudutti in polvere o arc-cast). Per esempiu, saldature in materiale arc-cast eranu comparativamente libere di porosità mentre chì i saldature in i prudutti di metallurgia di polveri sò generalmente porosi, in particulare longu a linea di fusione. Per i saldature di gas tungsten-arc (GTA) in 1/ 1r, in. foglia di tungstenu senza alleata, un preheat minimu di 150 ° C (chì hè statu truvatu per esse a temperatura di transizione ductileto-brittle di u metallu di basa) hà pruduttu saldature senza crack. Cum'è metalli di base, l'aliaghji di tungstenu-rhenium sò stati saldabili senza preriscaldamentu, ma a porosità era ancu un prublema cù i prudutti di polveri di tungstenu. U preriscaldamentu pareva micca affettà a porosità di saldatura chì era principalmente una funzione di u tipu di metallu base.
E temperature di transizione da ductile à fragile (DBIT) per saldature di gas tungsten-arc in diversi tipi di tungstenu di metallurgia di polveri eranu 325 à 475 ° C, cumparatu à 150 。 C per u metallu di base è quella di 425 ° C per l'elettroni saldati. tungstenu arcuatu.
A saldatura di tungstenu cù metalli di riempimentu dissimili apparentemente ùn hà micca pruduciutu proprietà di unione megliu cà altri metudi di unione. Avemu usatu Nb, Ta, W-26% Re, Mo è Re cum'è metalli di riempimentu in i saldature di saldatura. U Nb è Mo hà causatu cracking severu.

Aghjunghjendu da CVD à 510 à 560 ° C

eliminatu tutti, ma una piccula quantità di porosità è ancu eliminatu i prublemi assuciati cù l'alte temperature necessarie per a saldatura (cum'è grani grossi in a saldatura è i zoni affettati da u calore).
Introduzione
Tungstenu è leghe di basa di tungstenu sò cunsiderate per una quantità di applicazioni nucleari è spaziali avanzate cumpresi i dispositi di cunversione termionica, i veiculi di rientrata, l'elementi di carburante à alta temperatura è l'altri cumpunenti di reattori. Vantaghji di sti materiali sò e so cumminazzioni di temperature di fusione assai elevate, boni punti di forza à temperature elevate, elevate conduttività termiche è elettriche è resistenza adeguata à a corrosione in certi ambienti. Siccomu a fragilità limita a so fabricabilità, l'utilità di questi materiali in cumpunenti strutturali in cundizioni di serviziu rigurosu dipende assai di u sviluppu di e prucedure di saldatura per furnisce articuli chì sò paragunabili in proprietà à u metallu base. Per quessa, l'ugettivi di sti studii eranu di (1) determinà e proprietà meccaniche di e articuli prudutte da diversi metudi di cunghjunzione in parechji tippi di tungstenu alliatu è alleatu; (2) valutà l'effetti di diverse mudificazioni in i trattamenti termichi è a tecnica di unione; è (3) dimustrà a fattibilità di fabricazione di cumpunenti di prova adattati per applicazioni specifiche.
Materiali
Tungstènu non alliatu m叮10 m. fogli grossi era u materiale di più interessu. U tungstenu senza lega in stu studiu hè statu pruduciutu da a metallurgia di polveri, a fusione à l'arcu è e tecniche di depositu di vapore chimicu. A Tabella 1 mostra i livelli di impurità di i prudutti di metallurgia di polveri, CVD è arc-cast di tungstenu cum'è ricevutu. A maiò parte si trovanu in i intervalli nominali truvati in tungstenu

ma deve esse nutatu chì u materiale CVD cuntene più di u norma] quantità di fluoru.
Diversi dimensioni è forme di tungstenu è alleati di tungstenu sò stati uniti per paraguni. A maiò parte di elli eranu prudutti di metallurgia di polveri, ancu s'è certi materiali arc-cast sò stati ancu saldati. E cunfigurazioni specifiche sò state aduprate per determinà a fattibilità di strutture è cumpunenti di custruzzione. Tutti i materiali sò stati ricivuti in una cundizione cumpletamente lavorata à u friddu cù l'eccezzioni di u tungstenu CVD, chì hè statu ricevutu cum'è depositatu. A causa di l'aumentu di a fragilità di u tungstenu recristallizatu è di granu grande, u materiale hè statu saldatu in a cundizione di travagliu per minimizzà a crescita di granu in a zona affettata da u calore. A causa di l'altu costu di u materiale è di e quantità relativamente chjuche dispunibuli, avemu disignatu esemplari di teste chì anu utilizatu a quantità minima di materiale in cunfurmità cù l'ottenimentu di l'infurmazioni desiderate.
Prucedura
Siccomu a temperatura di transizione ductile à fragile (DBTT) di u tungstenu hè sopra à a temperatura di l'ambienti, una cura speciale deve esse usata in a manipulazione è a machining per evitari cracking1. A cisatura provoca cracking di bordu è avemu trovu chì a macinazione è l'elettrodischarge lascianu cuntrolli di calore nantu à a superficia. A menu chì ùn sò micca eliminati da lappatura, sti cracke ponu propagate durante a saldatura è l'usu sussegwenti.
U tungstenu, cum'è tutti i metalli refrattarii, deve esse saldatu in una atmosfera assai pura di gas inerte (processu di gas tungsten-arc) o vacuum (fasu di elettroni pro:::ess)2 per evità a contaminazione di a saldatura da interstiziali. Siccomu u tungstenu hà u puntu di fusione più altu di tutti i metalli (3410 ° C), l'equipaggiu di saldatura deve esse capace di resistà à e alte temperature di serviziu.

Tabella 1

Sò stati utilizati trè prucessi di saldatura: saldatura à arcu di tungstenu à gas, saldatura à saldatura à arcu di tungstenu à gas è saldatura à fasciu elettroni. E cundizioni di saldatura necessarie per a pcnetration cumpleta à un input minimu di energia sò state determinate per ogni materiale. Prima di saldatura, materiale di foglia hè stata machinata in 囚in. spazii larghi è sgrassati cù alcolu etilicu. U disignu di l'unione era un groove quadratu senza apertura di a radica.
Saldatura à gas Tungsten-Arc
Tutti i saldature automatie è manuali di gas tungsten-arc sò stati fatti in un ehamher chì era mantinutu sottu à 5 x I or. torr per circa 1 ora è poi ripigliatu cù argon assai puru. Cum'è mostra in Fig. lA, a camara hè stata dotata di un mecanismu di traversu è un capu di torch per a saldatura automatica. A pezza di travagliu hè stata tenuta in un attellu di ramu furnitu cù inserti di tungstenu in tutti i punti di cuntattu per impediscenu di esse brasatu à u travagliu da u battutu di saldatura. A basa di stu attellu hà allughjatu i calefactori elettrici di cartuccia chì preriscaldavanu u travagliu à a temperatura desiderata, Fig. 1 B. Tutte e saldatura sò stati fatti à una velocità di viaghju di 10 ipm, un eurrent di circa 350 amp è una tensione di 10 à 15 v. .
Gas Tungsten-A『c Braze Welding
Saldature di tungstenu di gasu sò state fatte in una atmosfera inerte per tecniche simili

quelli descritti sopra. I saldature di saldatura di perline-onplate fatti cù tungstenu è W-26% Re filler metal sò stati fatti manualmente; in ogni modu, i saldature di saldatura di u butt sò stati saldati automaticamente dopu chì u metale di riempimentu hè statu piazzatu in u butt joint.
Saldatura à fasciu di elettroni
A saldatura di u fasciu di l'eleetron hè stata fatta in una macchina 150-kV 20-mA. Un vacuum di circa 5 x I o-6 torr hè statu mantinutu durante a saldatura. A saldatura di u fasciu d'elettroni risulta in un rapportu assai altu di prufundità à larghezza è una zona stretta affettata da u calore.
』Oining by Disposition Chemical Vapor
I giunzioni di tungstenu sò state fatte da dipositu di metallu di riempimentu di tungstenu senza lega per via di u prucessu di deposizione chimica di vapore3. Tungstenu hè statu dipositu da a riduzzione di l'idrogenu di l'hexafluorure di tungstenu secondu a reazzione-t
calore
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
L'usu di sta tecnica per unisce necessitava solu cambiamenti minori in l'attrezzi è a distribuzione di u flussu di reactante. U vantaghju primariu di stu prucessu nantu à i metudi più cunvinziunali di unione hè chì, postu chì e basse temperature impiegate (510 à 650 ° C) sò assai più bassu di u puntu di fusione di

tungsten (3410 ° C), recrystallization è pussibili più cmbrittlement di u metallu base tungsten forgiatu da impurities o crescita di granu sò minimized.
Diversi disinni di cunghjunzione cumpresi i chjusi di estremità è di tubu sò stati fabbricati. A deposizione hè stata realizata cù l'aiutu di un mandrinu di cobre chì hè stata utilizata cum'è attellu, pezza di allinamentu è sustrato. Dopu chì a deposizione hè stata cumpleta, u mandrinu eopper hè statu eliminatu per incisione. Siccomu altri travaglii "hà dimustratu chì CVD tungstenu pussede stress residuali cumplessi cum'è dipositu, sti articuli eranu stress relicvcd I hr à 1000 ° à 1600 ° C prima di machining o testing.
Ispezione è Testa
I articuli sò stati inspeccionati visualmente è per penetrante liquidu è radiografia prima di esse pruvati. Saldature tipiche sò stati analizati chimicamente per l'ossigenu è l'azotu (Table 2) è esami metalografichi estensivi sò stati realizati in tuttu u studiu.
A causa di a so simplicità inherente è l'adattabilità à i picculi specimens, a prova di curvatura hè stata aduprata cum'è u criteriu primariu per l'integrità di l'articulazione è l'apparizione di i prucessi. A temperatura di transizione ductile-tobrittle hè stata determinata cù un apparatu di curvatura di trè punti per i giunti cum'è saldati è dopu invechjamenti. U specimenu di basa per i testi di curvatura era longitudinale

curva di faccia, 24t di lunghezza per 12t di larghezza, induve t hè u spessore di u specimenu. I campioni sò stati supportati nantu à un span 15t è curvatu cù un pistu di radiu 4t à un ritmu di 0,5 ipm. Sta geometria tende à nurmalizà e dati ottenuti nantu à diversi spessori di materiali. Specimens sò stati di solitu curvatu trasversale à a corda di saldatura (specimen curvatura longitudinale) per furnisce una deformazione uniforme di a saldatura, a zona affettata da u calore è u metale base; in ogni modu, uni pochi di specimens sò stati piegati longu u cordone di saldatura (specimen di curvatura transversale) per paragunà. Face bends sò stati usati in i porzioni iniziali di l'investigazione; in ogni modu, per via di a ligera tacca truvata nantu à i faees di a maiò parte di i saldature per via di u pesu di u metallu fusu, i curve di a radica sò stati rimpiazzati in teste dopu. E raccomandazioni di u Cunsigliu di Cunsigliu di Materiali6 riguardanti a prova di curvatura di specimens di foglia sò state seguite u più vicinu pussibule. A causa di u materiale limitatu, i più chjuchi specimens cunsigliatu sò stati scelti.
Per determinà a temperatura di transizione di curvatura, l'apparechju di curvatura hè stata chjusa in un furnace capace di elevà rapidamente a temperatura à 500 ° C. Una curva di 90 à 105 deg hè stata cunsiderata una curva piena. U DBTT hè statu definitu cum'è a temperatura più bassa à a quale u speeimen s'incurvava completamente senza craeking. Ancu se e teste sò state realizate in l'aria, a decolorazione di i specimens ùn hè micca evidenti finu à chì a temperatura di prova hà righjuntu 400 ° C.

Figura 1

Risultati per tungstènu non alliatu
Saldabilità generale
Gas Turzgstea-Arc Welding-In saldatura di gas tungsten-arc di 1乍in. foglia grossa non alloyed, u travagliu deve esse sostanzialmente preriscaldatu per prevene fallimentu fragile sottu stress induttu da scossa termica. A figura 2 mostra una frattura tipica prodotta da a saldatura senza preriscaldamentu propiu. A grande dimensione di granu è a forma di a saldatura è a zona affettata da u calore sò evidenti in a frattura. L'investigazione di e temperature di preriscaldamentu da a temperatura di l'ambienti à 540 ° C hà dimustratu chì u preriscaldamentu à un minimu di 150 ° C era necessariu per a produzzione consistente di saldature di testa à un passu chì eranu libere di fissure. Sta temperatura currisponde à u DBTI di u metale base. Preriscaldamentu à temperature più altu ùn pareva esse necessariu in questi testi, ma materiale cù un DBTI più altu, o cunfigurazioni chì implicanu concentrazioni di stress più severi o parti più massive, pò esse bisognu di preriscaldamentu à temperature più alte.
A qualità di una saldatura dipende assai da i prucessi utilizati in a fabricazione di metalli base. Saldature autogene in tungstenu arcuatu sò essenzialmente libere da porosità, Fig.
3A, ma saldatura in u tungstenu di metallurgia di u polu sò carattarizati da porosità grossa, Fig. 3 (b), particularmente longu a linea di fusione. A quantità di sta porosità, Fig. 3B, in particulare longu 3C, in saldatura fatta in un pruduttu propiu di porosità bassa (GE-15 pruduciutu da General Electric Co., Cleveland).
Saldature di gas tungsten-arc in CVD tungstenu anu zoni affettati da u calore inusual per via di a struttura di granu 0£a basa metaF. A figura 4 mostra a faccia è a sezione trasversale currispundente di un tali saldatura di gas tungsten-arc butt. Innota chì i graneddi fini à a superficia di u sustrato anu cultivatu per via di u calore di saldatura. Hè evidenti ancu a mancanza di crescita di u grande columnar

grani. I grani colonnari anu gasu
bubb_les à i cunfini di granu causati da impurità di fluorme8. In cunseguenza, se
a superficia di sustrato di granu fini hè eliminata prima di saldatura, a saldatura ùn cuntene micca una zona affettata da u calore metalograficamente detectable. Di sicuru, in u materiale CVD travagliatu (cum'è tubi estrusi o disegnati) a zona affettata da u calore di a saldatura hà a struttura normale di granu recristallizatu.
Cracks sò stati truvati in i cunfini di granu di colonna in a RAZ di parechji saldature in CVD tungsten. Stu cracking, mostra in Fig. 5, hè stata causata da a furmazione rapida è a crescita di bolle in i cunfini di granu à hightemperature9. À l'alte temperature implicate in a saldatura, e bolle anu pussutu cunsumà assai di l'area di cunfini di granu; questu, cumminatu cù u stress pruduciutu durante u rinfrescante, alluntanò i frontiere di granu per furmà una crepa. Un studiu di a furmazione di bolle in tungstenu è altri dipositi di metalli durante u trattamentu termale mostra chì e bolle si trovanu in metalli depositati sottu à 0,3 Tm (a temperatura di fusione omologu). Questa osservazione suggerisce chì e bolle di gas si formanu per coalescenza di vacanti intrappulati è gasi durante l'annealing. In u casu di tungstenu CVD, u gasu hè probabilmente fluoru o un compostu di fluoru
Elettron Beam Welding-Tungsten unalloyed hè statu saldatu fasciu elettroni cù è senza preriscaldamentu. U bisognu di preheat variò cù u specimen. Per assicurà una saldatura senza fissure, hè cunsigliatu di preriscaldamentu almenu à u DBTT di u metale base. I saldature di fasci di elettroni in i prudutti di metallurgia di polveri anu ancu a porosità di saldatura citata prima.

Saldatura à gas Tungsten-Arc Braze 一In un sforzu di stabilisce se a saldatura brasata puderia esse aduprata per vantaghju, avemu sperimentatu cù u prucessu di tungstenarc à gas per fà saldature di saldatura nantu à una foglia di tungstenu di metallurgia di polveri. giuntura di testa prima di saldatura. I saldature di saldatura sò state prodotte cù Nb, Ta, Mo, Re, è W-26% Re non alliati cum'è metalli di riempimentu. Cum'è l'aspittava, ci era a porosità à a linea di fusione in sezzioni metalografiche di tutte e articuli (Fig. 6) postu chì i metalli di basa eranu prudutti di metallurgia di polveri. Saldature fatte cù metalli di riempimentu di niobiu è molibdenu craccate.
E durezze di saldature è saldature di saldatura sò state paragunate per mezu di un studiu di saldature perle-on-plate fatte cù tungstenu non alliatu è W一26% Re cum'è metalli di riempimentu. I saldature di tungstenarcu di gasu è di saldatura di saldatura sò state fatte manualmente nantu à i prudutti di metallurgia di polveri di tungstenu senza alleati (a bassa porosità, qualità di pruprietà (GE-15) è una qualità cummerciale tipica). Saldature è saldatura in ogni materiale sò stati invechjati à 900, 1200, 1600 è 2000 ° C per l, 10, 100 è 1000 hr. I specimens sò stati esaminati metallugraficamente, è i traversi di durezza sò stati pigliati à traversu a saldatura, a zona affettata da u calore, è u metale base, cum'è saldatu è dopu à trattamentu termale.

Tabella 2

Figura 2

Siccomu i materiali utilizati in stu studiu eranu prudutti di metallurgia di polveri, quantità variate di porosità eranu prisenti in i dipositi di saldatura è saldatura. In novu, i ghjunti fatti cù u metallu di metallurgia di u polu tipicu di u tungstenu di u metallu anu più porosità di quelli chì sò fatti cù u tungstenu propiu di porosità bassa. I saldature di saldatura fatta cù W-26% Re filler metal anu menu porosità cà e saldature fatte cù u filler metal di tungstenu senza lega.
Nisun effettu di u tempu o di a temperatura hè stata discernita nantu à a durezza di e saldature fatta cù tungstène non alliatu cum'è metallu di riempimentu. Cum'è saldatu, e misure di durezza di i metalli di saldatura è di basa eranu essenzialmente custanti è ùn anu cambiatu dopu à l'invechjamentu. In ogni casu, i saldatura di saldatura fatta cù W-26% Re filler metal eranu considerablemente più duru cum'è pruduciutu cà u metale di basa (Fig. 7). Probabilmente a più alta durezza di u depositu di saldatura W-Re br立e hè stata duvuta à l'indurimentu di a suluzione solida è / o a presenza di a fase er finemente distribuita in a struttura solidificata. U diagramma di fasi di tungstenrhenium11 mostra chì e zoni localizzate d'altu cuntenutu di reniu puderanu accade durante un rapidu rinfrescante è risultatu in a furmazione di a fase dura è fragile in a sottostruttura altamente segregata. Possibile chì a fase er era finamente dispersa in i grani o cunfini di granu, ancu s'ellu nimu era abbastanza grande per esse identificatu da un esame metalograficu o da diffrazione di raghji X.
A durezza hè tracciata cum'è una funzione di distanza da a linea di centru di saldatura di saldatura per e diverse temperature invechje in Fig. 7A. Nota u cambiamentu bruscu

in durezza à a linea di fusione. Au fur et à mesure que la température de vieillissement augmente, la dureté de la soudure de brasage diminue jusqu'à ce que, après 100 h à J 600 °C, la dureté soit la même que celle du métal de base tungstène non allié. Questa tendenza di diminuzione di durezza cù l'aumentu di a temperatura hè stata vera per tutti i tempi di anziane. U tempu crescente à una temperatura custanti hà ancu causatu una diminuzione simiJar di durezza, cum'è mostra per una temperatura di anziane di 1200 ° C in Fig. 7B.
Aghjunghjendu da Depositu di Vapuri Chemical - A unione di tungstenu per tecniche CVD hè stata investigata cum'è un metudu per a produzzione di saldature in diversi disinni di specimen. Utilizendu l'attrezzi è e maschere adatti per limità a deposizione à e zone desiderate, i fogli di tungstenu CVD è di metallurgia di polveri sò stati uniti è sò stati prodotti chjusi finali nantu à i tubi. A depositu in un bisellu cù un angolo inclusu di circa 90 deg pruducia cracking, Fig. 8A, à l'intersezzione di grani colonnari chì crescenu da una faccia di u bisellu è u sustrato (chì era incisu). Tuttavia, ghjunti altu integrità senza cracking o gross buildup di impurities sò stati ottinuti, Fig. 8B, quandu a cunfigurazione joint hè stata cambiata da grinding la faccia di u metallu basi à un raghju di 飞in. tangente à a radica di a saldatura. Per dimustrà una applicazione tipica di stu prucessu in a fabricazione di elementi di carburante, uni pochi di chjusi finali sò stati fatti in tubi di tungstenu. Queste articulazioni eranu strette à fughe quandu anu pruvatu cù un detector di fughe di spettrorr:eter di massa d'heliu.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Pruprietà meccanica
Prove di curvatura di saldature di fusione 一Le curve di transizione da duttile à fragile sò state determinate per diverse articulazioni in tungstenu senza lega. I curve in a Fig. 9 mostra chì u DBTT di dui metalli base di metallurgia di u polu era di circa I 50 ° C. Di genere, u DBTT (a temperatura più bassu à quale puderia esse fattu una curvatura di 90 à 105 gradi) di i dui materiali aumentanu assai dopu a saldatura. . A temperatura di transizione hà aumentatu circa 175 ° C à un valore di 325 ° C per u tungstenu tipicu di metallurgia di pulveru è hà aumentatu circa 235 ° C à un valore di 385 ° C per a bassa porosità, materiale patentatu. A diffarenza in i DBTT di u materiale saldatu è senza saldatu hè stata attribuita à a grandezza di granu grande è a pussibule redistribuzione di impurità di i saldature è i zoni affettati da u calore. I risultati di a prova mostranu chì u DBTT di saldatura di tungstenu tipica di metallurgia in polvere era più bassu di quellu di u materiale propiu, ancu s'ellu l'ultimi avianu menu porosità. U DBTT più altu di a saldatura in u tungstenu bassu porosità pò esse dovutu à a so grana ligeramente più grande, Fig. 3A è 3C.
I risultati di l'investigazioni per determinà i DBTT per una quantità di articulazioni in tungstenu unalloyed sò riassunti in a Tabella 3. I prucessi di curvatura eranu assai sensittivi à i cambiamenti in a prucedura di prova. E curve di a radice parevanu più duttili cà e curve di a faccia. Un sollievu di stress currettamente sceltu dopu a saldatura pareva abbassà u DBTT sustancialmente. U tungstenu CVD avia, cum'è saldatu, u DBTT più altu (560 ℃) ；eppuru quandu hè stata data un sollievu di stress di 1 hr di 1000 ℃ dopu a saldatura, u so DBTT hè cascatu à 350 ℃. Stress sollievu di 1000 ° C dopu a saldatura, u so DBTT hè cascatu à 350 ° C. Stress relief of arc welded powder metallurgy tungsten for 1 hr at 18000 C reduced the DBTT of this material by about 100 ° C from the value determined for it as- saldatu. Un sollievu di stress di 1 ora à 1000 ° C nantu à una articulazione fatta da i metudi CVD hà pruduttu u DBTT più bassu (200 ° C). Si deve esse nutatu chì, mentri sta temperatura di transizione era considerablemente più bassu di qualsiasi altra temperatura di transizione determinata in stu studiu, a migliione hè stata probabilmente influenzata da a freccia più bassa (0,1 vs 0,5 ipm) utilizata in teste nantu à articuli CVD.

Pruva di curvatura di saldatura di saldatura-gas di tungstenu-arcu di saldatura fatta cù Nb. Ta, Mo, Re, è W-26% Re cum'è metalli di riempimentu sò stati ancu pruvati è i risultati sò riassunti in a tavula 4. a più duttilità hè stata ottenuta cù una saldatura di rhenium braze.

Ancu s'è i risultati di stu studiu superficiale indicanu chì un metallu di riempimentu dissimili pò pruduce articuli cù proprietà meccaniche interni à a casa di saldature omogenee in tungstenu, alcuni di questi metalli di riempimentu ponu esse utili in a pratica.

Risultati per Alloys di tungstenu.