Wolfram a jeho slitiny lze úspěšně spojovat svařováním plynovým wolframem,
svařování plynovým wolframovým obloukem natvrdo, svařování elektronovým paprskem a chemickým nanášením par.

Byla hodnocena svařitelnost wolframu a řady jeho slitin konsolidovaných obloukovým litím, práškovou metalurgií nebo technikou chemického napařování (CVD). Většina použitých materiálů byla nominálně 0,060 palce tlustý plech. Použité spojovací procesy byly (1) svařování plynovým wolframem, (2) svařování plynovým wolframem natvrdo, (3) svařování elektronovým paprskem a (4) spojování pomocí CVD.
Wolfram byl úspěšně svařován všemi těmito metodami, ale spolehlivost svarů byla značně ovlivněna typy základních a přídavných kovů (tj. práškové nebo obloukově lité výrobky). Například svary v obloukově litém materiálu byly poměrně bez poréznosti, zatímco svary v produktech práškové metalurgie byly obvykle porézní, zejména podél tavné linie. Pro obloukové svary plynového wolframu (GTA) v 1/1r, v. nelegovaném wolframovém plechu, minimální předehřev 150 °C (což byla teplota přechodu z tažného a křehkého základního kovu) vytvořil svary bez trhlin. Jako základní kovy byly slitiny wolframu a rhenia svařitelné bez předehřevu, ale poréznost byla také problémem práškových výrobků ze slitin wolframu. Zdá se, že předehřev neovlivňuje poréznost svaru, která byla primárně funkcí typu obecného kovu.
Teploty přechodu z tvárnosti ke křehkosti (DBIT) pro plynové wolframové obloukové svary v různých typech práškové metalurgie wolframu byly 325 až 475 °C ve srovnání se 150 °C pro základní kov a teplotou 425 °C pro svařování elektronovým paprskem obloukem litý wolfram.
Pájkové svařování wolframu s odlišnými přídavnými kovy zjevně neprodukovalo lepší vlastnosti spoje než jiné způsoby spojování. Jako přídavné kovy v pájených svarech jsme použili Nb, Ta, W-26% Re, Mo a Re. Nb a Mo způsobily vážné praskání.

Spojování pomocí CVD při 510 až 560 °C

eliminoval veškerou poréznost kromě malého množství a také eliminoval problémy spojené s vysokými teplotami nezbytnými pro svařování (jako jsou velká zrna ve svaru a tepelně ovlivněné oblasti).
Zavedení
Wolfram a slitiny na bázi wolframu jsou zvažovány pro řadu pokročilých jaderných a vesmírných aplikací, včetně zařízení pro termionickou konverzi, návratových vozidel, vysokoteplotních palivových článků a dalších součástí reaktorů. Předností těchto materiálů je jejich kombinace velmi vysokých teplot tání, dobré pevnosti při zvýšených teplotách, vysoké tepelné a elektrické vodivosti a dostatečné odolnosti vůči korozi v určitých prostředích. Protože křehkost omezuje jejich zpracovatelnost, užitečnost těchto materiálů v konstrukčních součástech za přísných provozních podmínek závisí do značné míry na vývoji svařovacích postupů, které zajistí spoje, které jsou svými vlastnostmi srovnatelné s vlastnostmi základního kovu. Proto bylo cílem těchto studií (1) určit mechanické vlastnosti spojů vyrobených různými metodami spojování v několika typech nelegovaného a legovaného wolframu; (2) vyhodnotit účinky různých modifikací tepelného zpracování a techniky spojování; a (3) demonstrovat proveditelnost výroby zkušebních součástí vhodných pro specifické aplikace.
Materiály
Nelegovaný wolfram m叮10 m. tlusté plechy byly materiálem největšího zájmu. Nelegovaný wolfram v této studii byl vyroben práškovou metalurgií, obloukovým litím a technikami chemického napařování. Tabulka 1 ukazuje úrovně nečistot v přijatých produktech práškové metalurgie, CVD a obloukově litých wolframových produktů. Většina spadá do rozmezí nominálně nalezeného ve wolframu

ale je třeba poznamenat, že CVD materiál obsahoval více než normální] množství fluoru.
Pro srovnání byly spojeny různé velikosti a tvary wolframu a wolframových slitin. Většina z nich byly výrobky práškové metalurgie, i když některé obloukově lité materiály byly také svařovány. Pro stanovení proveditelnosti stavebních konstrukcí a komponent byly použity specifické konfigurace. Všechny materiály byly přijaty v plně opracovaném stavu za studena s výjimkou CVD wolframu, který byl přijat tak, jak byl uložen. Kvůli zvýšené křehkosti rekrystalizovaného a velkozrnného wolframu byl materiál svařován v opracovaném stavu, aby se minimalizoval růst zrn v tepelně ovlivněné zóně. Vzhledem k vysoké ceně materiálu a relativně malému dostupnému množství jsme navrhli zkušební vzorky, které spotřebovaly minimální množství materiálu v souladu se získáním požadovaných informací.
Postup
Vzhledem k tomu, že teplota přechodu z tvárného ke křehkému (DBTT) wolframu je vyšší než pokojová teplota, je třeba věnovat zvláštní pozornost manipulaci a obrábění, aby nedošlo k prasknutí1. Stříhání způsobuje praskání hran a zjistili jsme, že broušení a elektrovýbojové obrábění zanechávají na povrchu tepelné kontroly. Pokud nejsou odstraněny lapováním, mohou se tyto trhliny šířit při svařování a následném použití.
Wolfram, stejně jako všechny žáruvzdorné kovy, musí být svařován ve velmi čisté atmosféře buď inertního plynu (proces plynového wolframového oblouku) nebo vakua (elektronový paprsek pro:::ess)2, aby se zabránilo kontaminaci svaru intersticiálními částmi. Protože wolfram má nejvyšší bod tání ze všech kovů (3410 °C), svařovací zařízení musí být schopno odolat vysokým provozním teplotám.

Tabulka 1

Byly použity tři různé svařovací procesy: svařování plynovým wolframovým obloukem, svařování plynovým wolframovým obloukem natvrdo a svařování elektronovým paprskem. Pro každý materiál byly stanoveny svařovací podmínky nutné pro úplnou pcnetaci při minimálním energetickém vstupu. Před svařováním byl plošný materiál opracován do 囚in. široké polotovary a odmaštěné ethylalkoholem. Konstrukce spoje byla čtvercová drážka bez kořenového otvoru.
Plynové wolframové obloukové svařování
Všechny automatické a ruční plynové wolframové obloukové svary byly provedeny v ehamheru, který byl udržován pod 5 x I nebo. torr po dobu asi 1 hodiny a poté zalití velmi čistým argonem. Jak je znázorněno na obr. 1A, komora byla vybavena posuvným mechanismem a hořákovou hlavou pro automatické svařování. Obrobek byl držen v měděném přípravku opatřeném wolframovými vložkami na všech místech kontaktu, aby se zabránilo jeho připájení k obrobku úderem svařování. V základně tohoto přípravku byly umístěny elektrické topné patrony, které předehřívaly obrobek na požadovanou teplotu, obr. 1 B. Všechny svary byly provedeny při rychlosti pojezdu 10 ipm, eurrentu asi 350 ampér a napětí 10 až 15 V .
Plynové svařování wolframem-A『c natvrdo
Pájené svary z plynového wolframu byly vyrobeny v ehamberu s inertní atmosférou technikami podobnými

ty popsané výše. Pájené pájené svary vyrobené z wolframu a W-26% Re výplňového kovu byly vyrobeny ručně; avšak tupé pájené svary byly svařeny automaticky po umístění přídavného kovu do tupého spoje.
Svařování elektronovým paprskem
Svary elektronového paprsku byly provedeny na stroji 150 kV 20 mA. Během svařování bylo udržováno vakuum asi 5 x 10-6 torr. Svařování elektronovým paprskem má za následek velmi vysoký poměr hloubky k šířce a úzkou tepelně ovlivněnou oblast.
』Mazání chemickou dispozicí par
Wolframové spoje byly vyrobeny nanášením nelegovaného wolframového výplňového kovu pomocí procesu chemického napařování3. Wolfram byl nanášen vodíkovou redukcí hexafluoridu wolframu podle reakce-t
teplo
WFs(g) + 3H, (g)a–+W(s) + 6HF(g).
Použití této techniky pro spojování vyžadovalo pouze malé změny v upínacích zařízeních a distribuci toku reaktantů. Primární výhodou tohoto procesu oproti běžnějším metodám spojování je to, že použité nízké teploty (510 až 650 °C) jsou mnohem nižší než teplota tání

wolframu (3410 °C), rekrystalizace a případné další křehnutí základního kovu tvářeného wolframu nečistotami nebo růstem zrn jsou minimalizovány.
Bylo vyrobeno několik návrhů spojů včetně tupých a tubusových uzávěrů. Depozice byla provedena pomocí měděného trnu, který byl použit jako upínací přípravek, vyrovnávací kus a substrát. Po dokončení depozice byl trn eopper odstraněn leptáním. Vzhledem k tomu, že další práce“ ukázaly, že CVD wolfram má při ukládání složitá zbytková napětí, byly tyto spoje před obráběním nebo testováním namáhány 1 h při 1000 ° až 1600 °C.
Kontrola a testování
Před testováním byly spoje zkontrolovány vizuálně a kapalným penetrantem a radiograficky. Typické svary byly chemicky analyzovány na přítomnost kyslíku a dusíku (tabulka 2) a v průběhu studie byly prováděny rozsáhlé metalografické zkoušky.
Vzhledem ke své inherentní jednoduchosti a adaptabilitě na malé vzorky byl test ohybu použit jako primární kritérium pro integritu spoje a srovnání procesů. Teploty přechodu tažný a křehký byly stanoveny pomocí tříbodového ohýbacího zařízení pro spoje jak po svařování, tak po stárnutí. Základním vzorkem pro zkoušky ohybem byl podélník

čelní ohyb, 24t dlouhý a 12t široký, kde t je tloušťka vzorku. Vzorky byly podepřeny na rozpětí 15t a ohnuty pístem o poloměru 4t rychlostí 0,5 ipm. Tato geometrie měla tendenci normalizovat data získaná na různých tloušťkách materiálů. Vzorky byly obvykle ohýbány příčně ke svaru (vzorek s podélným ohybem), aby se zajistila rovnoměrná deformace svaru, tepelně ovlivněné zóny a základního kovu; nicméně několik vzorků bylo pro srovnání ohnuto podél svarového švu (vzorek s příčným ohybem). V počátečních částech vyšetřování byly použity ohyby obličeje; avšak kvůli mírnému vrubu nalezenému na faee většiny svarů v důsledku hmotnosti roztaveného kovu byly v pozdějších testech nahrazeny kořenové ohyby. Doporučení Materials Advisory Board6 týkající se zkoušek ohybu plechových vzorků byla co nejpřesněji dodržována. Kvůli omezenému materiálu byly vybrány nejmenší vhodné vzorky.
Pro stanovení teploty přechodu ohybu bylo ohýbací zařízení uzavřeno v peci schopné rychle zvýšit teplotu na 500 °C. Ohyb 90 až 105 stupňů byl považován za plný ohyb. DBTT byla definována jako nejnižší teplota, při které se vzorek zcela ohnul bez vrzání. Ačkoli byly testy prováděny na vzduchu, změna barvy vzorků nebyla evidentní, dokud zkušební teploty nedosáhly 400 °C.

Obrázek 1

Výsledky pro Unalloyed Tungsten
Obecná svařitelnost
Gas Turzgstea-Arc Welding—V plynovém wolframovém obloukovém svařování 1 palec. tlustého nelegovaného plechu, musí být dílo podstatně předehřáto, aby se zabránilo křehkému porušení při napětí vyvolaném tepelným šokem. Obrázek 2 ukazuje typický zlom vzniklý svařováním bez řádného předehřátí. V lomu je patrná velká zrnitost a tvar svaru a tepelně ovlivněné zóny. Zkoumání teplot předehřevu z pokojové teploty na 540 °C ukázalo, že předehřev na minimálně 150 °C byl nezbytný pro konzistentní výrobu jednoprůchodových tupých svarů, které byly bez trhlin. Tato teplota odpovídá DBTI základního kovu. Předehřev na vyšší teploty se v těchto testech nezdál být nezbytný, ale materiál s vyšší DBTI nebo konfigurace, které zahrnují silnější koncentrace napětí nebo masivnější části, mohou vyžadovat předehřátí na vyšší teploty.
Kvalita svařence velmi závisí na postupech používaných při výrobě obecných kovů. Autogenní svary v obloukově litém wolframu jsou v podstatě bez poréznosti, Obr.
3A, ale svary v práškové metalurgii wolframu se vyznačují hrubou pórovitostí, obr. 3(b), zejména podél tavné linie. Míra této poréznosti, obr. 3B, zejména podél 3C, ve svarech vyrobených v patentovaném produktu s nízkou porézností (GE-15 vyráběný General Electric Co., Cleveland).
Obloukové svary plynového wolframu v CVD wolframu mají neobvyklé tepelně ovlivněné zóny kvůli struktuře zrna 0£ základní metaF. Obrázek 4 ukazuje čelní stranu a odpovídající průřez takového tupého svaru s wolframovým obloukem. Všimněte si, že jemná zrna na povrchu substrátu narostla v důsledku tepla svařování. Zřejmý je také nedostatek růstu velkého sloupovitého

zrna. Sloupovitá zrna mají plyn
bubliny na hranicích zrn způsobené nečistotami fluoru8. V důsledku toho, pokud
jemnozrnný povrch substrátu je před svařováním odstraněn, svařenec neobsahuje metalograficky zjistitelnou tepelně ovlivněnou zónu. Je samozřejmé, že v opracovaném CVD materiálu (jako jsou extrudované nebo tažené trubky) má tepelně ovlivněná oblast svaru normální strukturu rekrystalizovaných zrn.
Trhliny byly nalezeny ve sloupcových hranicích zrn v RAZ několika svarů CVD wolframu. Toto praskání, znázorněné na obr. 5, bylo způsobeno rychlou tvorbou a růstem bublin na hranicích zrn při vysokých teplotách9. Při vysokých teplotách spojených se svařováním byly bubliny schopny spotřebovat velkou část oblasti na hranici zrn; toto, v kombinaci s napětím vzniklým během ochlazování, odtáhlo hranice zrn od sebe a vytvořilo trhlinu. Studie tvorby bublin v usazeninách wolframu a jiných kovů během tepelného zpracování ukazuje, že bubliny se vyskytují v kovech uložených pod 0,3 Tm (homologická teplota tání). Toto pozorování naznačuje, že plynové bubliny se tvoří koalescencí zachycených vakancí a plynů během žíhání. V případě CVD wolframu je plynem pravděpodobně fluor nebo fluoridová sloučenina
Svařování elektronovým paprskem – Nelegovaný wolfram byl svařován elektronovým paprskem s předehříváním a bez něj. Potřeba předehřátí se lišila podle vzorku. Pro zajištění svaru bez trhlin se doporučuje předehřátí alespoň na DBTT základního kovu. Svary elektronovým paprskem v produktech práškové metalurgie mají rovněž výše zmíněnou porozitu svaru.

Plynové wolframové obloukové svařování natvrdo 一 Ve snaze zjistit, zda lze s výhodou použít pájení natvrdo, jsme experimentovali s procesem plynového wolframového oblouku pro výrobu pájených svarů na plechu z práškové metalurgie. tupý spoj před svařováním. Pájkové svary byly vyrobeny s nelegovaným Nb, Ta, Mo, Re a W-26% Re jako přídavnými kovy. Podle očekávání byla na tavné lince v metalografických řezech všech spojů poréznost (obr. 6), protože základní kovy byly produkty práškové metalurgie. Svary provedené s niobem a molybdenovými přídavnými kovy popraskaly.
Tvrdosti svarů a pájených svarů byly porovnány pomocí studie svarů housenky na plechu vyrobených s nelegovaným wolframem a W一26% Re jako přídavnými kovy. Svary plynového wolframu a pájecí svary byly vyrobeny ručně na nelegovaných wolframových práškových metalurgických produktech (nízká poréznost, patentovaná jakost (GE-15) a typická komerční jakost). Svary a pájené svary v každém materiálu byly stárnuty při 900, 1200, 1600 a 2000 °C po dobu 1, 10, 100 a 1000 hodin. Vzorky byly zkoumány metalograficky a byly provedeny přechody tvrdosti přes svar, tepelně ovlivněnou zónu a základní kov jak po svařování, tak po tepelném zpracování.

Tabulka 2

Obrázek2

Vzhledem k tomu, že materiály použité v této studii byly produkty práškové metalurgie, byla ve svarech a návarech pájených svarů přítomna různá množství poréznosti. Spoje vyrobené s typickým wolframovým základním kovem práškové metalurgie měly opět větší poréznost než spoje vyrobené s patentovaným wolframem s nízkou porézností. Pájené svary vyrobené s přídavným kovem W-26% Re měly menší poréznost než svary vyrobené s nelegovaným přídavným wolframem.
Nebyl zjištěn žádný vliv času nebo teploty na tvrdost svarů vyrobených s nelegovaným wolframem jako přídavným kovem. Při svařování byla měření tvrdosti svaru a obecných kovů v podstatě konstantní a po stárnutí se neměnila. Pájené svary provedené s přídavným kovem W—26 % Re však byly podstatně tvrdší, než byl vyroben, než základní kov (obr. 7). Pravděpodobně vyšší tvrdost svarového návaru W-Re br立e byla způsobena tuhnutím tuhého roztoku a/nebo přítomností er fáze jemně distribuované ve ztuhlé struktuře. Fázový diagram wolframu11 ukazuje, že lokalizované oblasti s vysokým obsahem rhenia by se mohly objevit během rychlého ochlazení a vést k vytvoření tvrdé, křehké er fáze ve vysoce segregované substruktuře. Možná byla fáze er jemně dispergována v zrnech nebo hranicích zrn, i když žádná nebyla dostatečně velká, aby byla identifikována buď metalografickým vyšetřením nebo rentgenovou difrakcí.
Tvrdost je vynesena jako funkce vzdálenosti od středové čáry tvrdého svaru pro různé teploty stárnutí na obr. 7A. Všimněte si náhlé změny

v tvrdosti na linii fúze. S rostoucí teplotou stárnutí se tvrdost pájeného svaru snižovala, až po 100 hodinách při J 600 °C byla tvrdost stejná jako tvrdost nelegovaného wolframového základního kovu. Tento trend klesající tvrdosti s rostoucí teplotou platil po všechny doby stárnutí. Prodlužující se doba při konstantní teplotě také způsobila podobný pokles tvrdosti, jak je znázorněno pro teplotu stárnutí 1200 °C na obr. 7B.
Spojování chemickou depozicí z plynné fáze — Spojování wolframu technikami CVD bylo zkoumáno jako způsob výroby svarů v různých provedeních vzorků. Použitím vhodných přípravků a masek k omezení depozice na požadované oblasti byly spojeny plechy z wolframu CVD a práškové metalurgie a byly vyrobeny koncové uzávěry na potrubí. Depozice do úkosu se sevřeným úhlem asi 90 stupňů vyvolala praskání, obr. 8A, v průsečíkech sloupcových zrn vyrůstajících z jedné strany úkosu a substrátu (který byl odleptán). Avšak spoje s vysokou integritou bez praskání nebo hrubého nahromadění nečistot byly získány, obr. 8B, když byla konfigurace spoje změněna broušením čela základního kovu na poloměr 2 palce. tečnou ke kořenu svaru. Pro demonstraci typické aplikace tohoto procesu při výrobě palivových článků bylo vyrobeno několik koncových uzávěrů ve wolframových trubkách. Tyto spoje byly těsné při testování pomocí helium mass spectrorr:eter detektoru úniku.

Obrázek 3

Obrázek 4

Obrázek 5

Mechanické vlastnosti
Ohybové zkoušky tavných svarů – křivky přechodu z tažného do křehkého byly stanoveny pro různé spoje v nelegovaném wolframu. Křivky na obr. 9 ukazují, že DBTT dvou základních kovů práškové metalurgie byla asi 1 50 °C. Typicky se DBTT (nejnižší teplota, při které lze vytvořit ohyb o 90 až 105 stupňů) obou materiálů po svařování značně zvýšily. . Teploty přechodu se zvýšily asi o 175 °C na hodnotu 325 °C pro typickou práškovou metalurgii wolframu a zvýšily se asi o 235 °C na hodnotu 385 °C pro patentovaný materiál s nízkou porézností. Rozdíl v DBTT svařovaného a nesvařovaného materiálu byl přisuzován velké velikosti zrna a možnému přerozdělení nečistot ve svarech a tepelně ovlivněných zónách. Výsledky testu ukazují, že DBTT typických wolframových svarů práškové metalurgie byla nižší než u patentovaného materiálu, i když ten měl menší poréznost. Vyšší DBTT svaru u wolframu s nízkou pórovitostí může být způsobeno jeho mírně větší velikostí zrna, obr. 3A a 3C.
Výsledky zkoumání ke stanovení DBTT pro řadu spojů v nelegovaném wolframu jsou shrnuty v tabulce 3. Zkoušky ohybem byly dosti citlivé na změny zkušebního postupu. Kořenové ohyby se zdály být tažnější než čelní ohyby. Zdá se, že správně zvolené uvolnění napětí po svařování podstatně snížilo DBTT. CVD wolfram měl, jak byl svařen, nejvyšší DBTT (560 ℃)；když mu bylo poskytnuto 1h uvolnění napětí 1000 ℃ po svařování, jeho DBTT klesla na 350 ℃. odlehčení pnutí 1000°C po svaření kleslo jeho DBTT na 350°C. Odlehčení obloukem svařovaného wolframu práškovou metalurgií po dobu 1 hodiny při 18000 C snížilo DBTT tohoto materiálu asi o 100°C oproti hodnotě pro něj stanovené as- svařované. Odlehčení pnutí po dobu 1 hodiny při 1000 °C na spoji vyrobeném metodami CVD poskytlo nejnižší DBTT (200 °C). Je třeba poznamenat, že zatímco tato přechodová teplota byla podstatně nižší než jakákoli jiná přechodová teplota stanovená v této studii, zlepšení bylo pravděpodobně ovlivněno nižší rychlostí deformace (0,1 vs 0,5 ipm) použitou při testech na CVD spojích.

Zkouška ohybu pájených svarů - svarů pájených plynovým wolframem - obloukem vyrobených s Nb. Ta, Mo, Re a W-26% Re jako přídavné kovy byly také testovány na ohyb a výsledky jsou shrnuty v tabulce 4. největší tažnost byla získána s rheniovým tvrdým svarem.

Ačkoli výsledky této zběžné studie naznačují, že nepodobný přídavný kov může vytvářet spoje s mechanickými vlastnostmi uvnitř homogenních svarů ve wolframu, některé z těchto přídavných kovů mohou být užitečné v praxi.

Výsledky pro Tungsten Alloys.