El tungsteno y sus aleaciones se pueden unir con éxito mediante soldadura por arco de tungsteno con gas.
Soldadura por arco de tungsteno con gas, soldadura por haz de electrones y por deposición química de vapor.

Se evaluó la soldabilidad del tungsteno y varias de sus aleaciones consolidadas mediante técnicas de fundición por arco, pulvimetalurgia o deposición química de vapor (CVD). La mayoría de los materiales utilizados fueron láminas nominales de 0,060 pulgadas de espesor. Los procesos de unión empleados fueron (1) soldadura por arco de tungsteno con gas, (2) soldadura por arco de tungsteno con gas, (3) soldadura por haz de electrones y (4) unión por CVD.
El tungsteno se soldaba con éxito mediante todos estos métodos, pero la solidez de las soldaduras estaba muy influenciada por los tipos de metales base y de aportación (es decir, productos en polvo o moldeados por arco). Por ejemplo, las soldaduras en material fundido por arco estaban comparativamente libres de porosidad, mientras que las soldaduras en productos de pulvimetalurgia generalmente eran porosas, particularmente a lo largo de la línea de fusión. Para soldaduras de arco de tungsteno con gas (GTA) en láminas de tungsteno sin alear de 1/1r, pulg., un precalentamiento mínimo de 150 °C (que se encontró que era la temperatura de transición dúctil a frágil del metal base) produjo soldaduras libres de grietas. Como metales base, las aleaciones de tungsteno-renio eran soldables sin precalentamiento, pero la porosidad también era un problema con los productos en polvo de aleación de tungsteno. El precalentamiento pareció no afectar la porosidad de la soldadura, que era principalmente una función del tipo de metal base.
Las temperaturas de transición de dúctil a frágil (DBIT) para soldaduras por arco de tungsteno gaseoso en diferentes tipos de tungsteno de pulvimetalurgia fueron de 325 a 475 °C, en comparación con 150 °C para el metal base y 425 °C para soldadura por haz de electrones. tungsteno fundido por arco.
La soldadura fuerte de tungsteno con metales de aportación diferentes aparentemente no produjo mejores propiedades de unión que otros métodos de unión. Utilizamos Nb, Ta, W-26% Re, Mo y Re como metales de aporte en las soldaduras fuertes. El Nb y el Mo provocaron graves grietas.

Unión por CVD de 510 a 560° C

eliminó toda la porosidad excepto una pequeña cantidad y también eliminó los problemas asociados con las altas temperaturas necesarias para la soldadura (como granos grandes en la soldadura y zonas afectadas por el calor).
Introducción
Se están considerando el tungsteno y las aleaciones a base de tungsteno para una serie de aplicaciones nucleares y espaciales avanzadas, incluidos dispositivos de conversión termoiónica, vehículos de reentrada, elementos combustibles de alta temperatura y otros componentes de reactores. Las ventajas de estos materiales son sus combinaciones de temperaturas de fusión muy altas, buenas resistencias a temperaturas elevadas, altas conductividades térmicas y eléctricas y una resistencia adecuada a la corrosión en ciertos ambientes. Dado que la fragilidad limita su fabricabilidad, la utilidad de estos materiales en componentes estructurales bajo condiciones de servicio rigurosas depende en gran medida del desarrollo de procedimientos de soldadura para proporcionar uniones que sean comparables en propiedades al metal base. Por lo tanto, los objetivos de estos estudios fueron (1) determinar las propiedades mecánicas de las uniones producidas por diferentes métodos de unión en varios tipos de tungsteno aleado y sin alear; (2) evaluar los efectos de diversas modificaciones en los tratamientos térmicos y la técnica de unión; y (3) demostrar la viabilidad de fabricar componentes de prueba adecuados para aplicaciones específicas.
Materiales
Tungsteno sin alear m叮10 m. Las láminas gruesas fueron el material de mayor interés. El tungsteno sin alear en este estudio se produjo mediante técnicas de pulvimetalurgia, fundición por arco y deposición química de vapor. La Tabla 1 muestra los niveles de impureza de los productos de pulvimetalurgia, CVD y tungsteno fundido por arco tal como se recibieron. La mayoría se encuentra dentro de los rangos nominales que se encuentran en el tungsteno.

pero cabe señalar que el material CVD contenía cantidades de flúor superiores a las normales.
Se unieron varios tamaños y formas de tungsteno y aleaciones de tungsteno para comparar. La mayoría de ellos eran productos de pulvimetalurgia, aunque también se soldaban algunos materiales fundidos por arco. Se utilizaron configuraciones específicas para determinar la viabilidad de construir estructuras y componentes. Todos los materiales se recibieron en condiciones totalmente trabajadas en frío, a excepción del tungsteno CVD, que se recibió tal como se depositó. Debido a la mayor fragilidad del tungsteno recristalizado y de grano grande, el material se soldó en condiciones de trabajo para minimizar el crecimiento de grano en la zona afectada por el calor. Debido al alto costo del material y las cantidades relativamente pequeñas disponibles, diseñamos especímenes de prueba que utilizaron la cantidad mínima de material consistente con la obtención de la información deseada.
Procedimiento
Dado que la temperatura de transición de dúctil a frágil (DBTT) del tungsteno está por encima de la temperatura ambiente, se debe tener especial cuidado en la manipulación y el mecanizado para evitar grietas1. El corte provoca grietas en los bordes y hemos descubierto que el rectificado y el mecanizado por electrodescarga dejan marcas de calor en la superficie. A menos que se eliminen mediante lapeado, estas grietas pueden propagarse durante la soldadura y el uso posterior.
El tungsteno, como todos los metales refractarios, debe soldarse en una atmósfera muy pura de gas inerte (proceso de arco de tungsteno con gas) o de vacío (pro:::ess de haz de electrones)2 para evitar la contaminación de la soldadura por intersticiales. Dado que el tungsteno tiene el punto de fusión más alto de todos los metales (3410° C), el equipo de soldadura debe ser capaz de soportar las altas temperaturas de servicio.

Tabla 1

Se utilizaron tres procesos de soldadura diferentes: soldadura por arco de tungsteno con gas, soldadura por arco de tungsteno con gas y soldadura por haz de electrones. Para cada material se determinaron las condiciones de soldadura necesarias para una penetración completa con un aporte mínimo de energía. Antes de soldar, el material en lámina se mecanizaba en pulgadas. espacios en blanco anchos y desengrasados ​​​​con alcohol etílico. El diseño de la junta era una ranura cuadrada sin abertura para la raíz.
Soldadura por arco de tungsteno con gas
Todas las soldaduras automáticas y manuales por arco de tungsteno con gas se realizaron en un ehamher que se mantuvo por debajo de 5 x I o. torr durante aproximadamente 1 hora y luego se rellenó con argón muy puro. Como se muestra en la Fig. 1A, la cámara estaba equipada con un mecanismo transversal y un cabezal de soplete para soldadura automática. La pieza de trabajo se sujetaba en un dispositivo de cobre provisto de inserciones de tungsteno en todos los puntos de contacto para evitar que el golpe de soldadura la soldara al trabajo. La base de este dispositivo albergaba los calentadores de cartucho eléctricos que precalentaban el trabajo a la temperatura deseada, Fig. 1 B. Todas las soldaduras se realizaron a una velocidad de desplazamiento de 10 ipm, una corriente de aproximadamente 350 amperios y un voltaje de 10 a 15 voltios. .
Soldadura fuerte con gas tungsteno-A『c
Las soldaduras de soldadura fuerte con gas tungsteno se realizaron en una cámara con atmósfera inerte mediante técnicas similares a

los descritos anteriormente. Las soldaduras de cordón sobre placa realizadas con tungsteno y metal de aportación W—26% Re se realizaron manualmente; sin embargo, las soldaduras a tope se soldaron automáticamente después de colocar el metal de aportación en la junta a tope.
Soldadura por haz de electrones
Las soldaduras del haz de electrones se realizaron en una máquina de 150 kV y 20 mA. Durante la soldadura se mantuvo un vacío de aproximadamente 5 x 10-6 torr. La soldadura por haz de electrones da como resultado una relación muy alta entre profundidad y ancho y una zona estrecha afectada por el calor.
』Unión por disposición química de vapor
Las juntas de tungsteno se fabricaron depositando metal de aportación de tungsteno sin alear mediante el proceso de deposición química de vapor3. El tungsteno se depositó mediante reducción con hidrógeno del hexafluoruro de tungsteno según la reacción-t
calor
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
El uso de esta técnica para la unión requirió sólo cambios menores en los accesorios y la distribución del flujo de reactivos. La principal ventaja de este proceso sobre los métodos de unión más convencionales es que, dado que las bajas temperaturas empleadas (510 a 650 °C) son mucho más bajas que el punto de fusión de

tungsteno (3410 °C), se minimiza la recristalización y una posible fragilización adicional del metal base de tungsteno forjado por impurezas o crecimiento de grano.
Se fabricaron varios diseños de juntas, incluidos cierres a tope y de extremo de tubo. La deposición se realizó con la ayuda de un mandril de cobre que se utilizó como elemento de fijación, pieza de alineación y sustrato. Una vez completada la deposición, se eliminó el mandril de cobre mediante grabado. Dado que otros trabajos han demostrado que el tungsteno CVD posee tensiones residuales complejas cuando se deposita, estas uniones se sometieron a tensión durante una hora a 1000 ° a 1600 ° C antes del mecanizado o prueba.
Inspección y pruebas
Las juntas se inspeccionaron visualmente y mediante líquido penetrante y radiografía antes de probarlas. Se analizaron químicamente las soldaduras típicas en busca de oxígeno y nitrógeno (Tabla 2) y se realizaron exámenes metalográficos exhaustivos durante todo el estudio.
Debido a su inherente simplicidad y adaptabilidad a muestras pequeñas, la prueba de flexión se utilizó como criterio principal para la integridad de la unión y la comparación de los procesos. Las temperaturas de transición dúctil a frágil se determinaron con un aparato de flexión de tres puntos para uniones tanto soldadas como después del envejecimiento. La muestra básica para los ensayos de flexión fue la longitudinal.

curvatura de la cara, 24t de largo por 12t de ancho, donde t es el espesor de la muestra. Las muestras se apoyaron en un tramo de 15 t y se doblaron con un émbolo de radio 4 t a una velocidad de 0,5 ipm. Esta geometría tendía a normalizar los datos obtenidos en varios espesores de materiales. Las muestras generalmente se doblaban transversalmente a la costura de soldadura (muestra de curvatura longitudinal) para proporcionar una deformación uniforme de la soldadura, la zona afectada por el calor y el metal base; sin embargo, algunas muestras se doblaron a lo largo de la costura de soldadura (muestra de curvatura transversal) para comparar. Se utilizaron curvas faciales en las partes iniciales de la investigación; sin embargo, debido a la ligera muesca encontrada en las caras de la mayoría de las soldaduras debido al peso del metal fundido, en pruebas posteriores se sustituyeron las curvaturas de raíz. Se siguieron al máximo las recomendaciones del Consejo Asesor de Materiales6 relativas a los ensayos de flexión de muestras de chapa. Debido a la escasez de material, se seleccionaron los ejemplares más pequeños y aconsejables.
Para determinar la temperatura de transición de curvatura, el aparato de curvatura se encerró en un horno capaz de elevar rápidamente la temperatura a 500°C. Una curvatura de 90 a 105 grados se consideró una curvatura completa. El DBTT se definió como la temperatura más baja a la que la piedra se doblaba completamente sin crujir. Aunque las pruebas se realizaron al aire, la decoloración de las muestras no fue evidente hasta que las temperaturas de prueba alcanzaron los 400 °C.

Figura 1

Resultados para tungsteno sin alear
Soldabilidad general
Soldadura por arco de gas tungsteno: en soldadura por arco de tungsteno con gas de 1 pulg. Una lámina gruesa sin alear, el trabajo debe precalentarse sustancialmente para evitar fallas frágiles bajo tensión inducida por choque térmico. La Figura 2 muestra una fractura típica producida por soldadura sin precalentamiento adecuado. En la fractura son evidentes el gran tamaño de grano y la forma de la soldadura y la zona afectada por el calor. La investigación de temperaturas de precalentamiento desde temperatura ambiente hasta 540 °C mostró que el precalentamiento a un mínimo de 150 °C era necesario para una producción consistente de soldaduras a tope de una sola pasada libres de grietas. Esta temperatura corresponde al DBTI del metal base. El precalentamiento a temperaturas más altas no pareció ser necesario en estas pruebas, pero los materiales con un DBTI más alto, o configuraciones que involucran concentraciones de tensión más severas o piezas más masivas, pueden requerir precalentamiento a temperaturas más altas.
La calidad de una soldadura depende en gran medida de los procedimientos utilizados en la fabricación de los metales base. Las soldaduras autógenas en tungsteno fundido por arco están esencialmente libres de porosidad, Fig.
3A, pero las soldaduras en tungsteno de pulvimetalurgia se caracterizan por una gran porosidad, Fig. 3 (b), particularmente a lo largo de la línea de fusión. La cantidad de esta porosidad, Fig. 3B, particularmente a lo largo de 3C, en soldaduras realizadas con un producto patentado de baja porosidad (GE-15 producido por General Electric Co., Cleveland).
Las soldaduras de arco de tungsteno con gas en tungsteno CVD tienen zonas inusuales afectadas por el calor debido a la estructura del grano de la metaF base. La Figura 4 muestra la cara y la sección transversal correspondiente de dicha soldadura a tope por arco de tungsteno con gas. Tenga en cuenta que los granos finos en la superficie del sustrato han crecido debido al calor de la soldadura. También es evidente la falta de crecimiento de las grandes columnas

granos. Los granos columnares tienen gas.
Burbujas en los límites de los granos causadas por impurezas de flúor8. En consecuencia, si
la superficie del sustrato de grano fino se elimina antes de soldar, la pieza soldada no contiene una zona afectada por el calor detectable metalográficamente. Por supuesto, en material CVD trabajado (como tubos extruidos o trefilados), la zona de la soldadura afectada por el calor tiene la estructura de grano recristalizado normal.
Se encontraron grietas en los límites de grano columnar en la RAZ de varias soldaduras en tungsteno CVD. Este agrietamiento, que se muestra en la Fig. 5, fue causado por la rápida formación y crecimiento de burbujas en los límites de los granos a altas temperaturas9. A las altas temperaturas involucradas en la soldadura, las burbujas pudieron consumir gran parte del área límite del grano; esto, combinado con la tensión producida durante el enfriamiento, separó los límites de los granos para formar una grieta. Un estudio de la formación de burbujas en tungsteno y otros depósitos metálicos durante el tratamiento térmico muestra que se producen burbujas en metales depositados por debajo de 0,3 Tm (la temperatura de fusión homóloga). Esta observación sugiere que las burbujas de gas se forman por coalescencia de gases y vacantes atrapados durante el recocido. En el caso del tungsteno CVD, el gas probablemente sea flúor o un compuesto de fluoruro.
Soldadura por haz de electrones: el tungsteno sin alear se soldó por haz de electrones con y sin precalentamiento. La necesidad de precalentamiento varió según la muestra. Para asegurar una soldadura libre de grietas, se recomienda precalentar al menos al DBTT del metal base. Las soldaduras por haz de electrones en productos de pulvimetalurgia también tienen la porosidad de soldadura mencionada anteriormente.

Soldadura fuerte con arco de tungsteno con gas 一 En un esfuerzo por establecer si la soldadura fuerte se podría utilizar con ventaja, experimentamos con el proceso de arco de tungsteno con gas para realizar soldaduras fuertes en láminas de tungsteno de pulvimetalurgia. Las soldaduras fuertes se realizaron colocando previamente el metal de aportación a lo largo de la junta a tope antes de soldar. Las soldaduras fuertes se produjeron con Nb, Ta, Mo, Re y W-26% Re sin alear como metales de aporte. Como se esperaba, hubo porosidad en la línea de fusión en las secciones metalográficas de todas las uniones (Fig. 6), ya que los metales base eran productos de pulvimetalurgia. Las soldaduras realizadas con metales de aportación de niobio y molibdeno se agrietaron.
Se compararon las durezas de soldaduras y soldaduras fuertes mediante un estudio de soldaduras de cordón sobre placa realizadas con tungsteno no aleado y W一26% Re como metales de aporte. Las soldaduras de arco de tungsteno con gas y las soldaduras de soldadura fuerte se realizaron manualmente sobre productos de metalurgia de polvos de tungsteno sin alear (el grado patentado (GE-15) de baja porosidad y un grado comercial típico). Las soldaduras y las soldaduras fuertes de cada material se envejecieron a 900, 1200, 1600 y 2000 °C durante 1, 10, 100 y 1000 h. Las muestras se examinaron metalográficamente y se tomaron recorridos de dureza a través de la soldadura, la zona afectada por el calor y el metal base, tanto en el momento de la soldadura como después del tratamiento térmico.

Tabla 2

Figura 2

Dado que los materiales utilizados en este estudio fueron productos de pulvimetalurgia, estuvieron presentes cantidades variables de porosidad en los depósitos de soldadura y soldadura fuerte. Nuevamente, las uniones hechas con el típico metal base de tungsteno de pulvimetalurgia tenían más porosidad que las hechas con el tungsteno patentado de baja porosidad. Las soldaduras fuertes realizadas con metal de aportación W—26% Re tenían menos porosidad que las soldaduras realizadas con metal de aportación de tungsteno sin alear.
No se percibió ningún efecto del tiempo o la temperatura sobre la dureza de las soldaduras realizadas con tungsteno sin alear como metal de aportación. Al soldarse, las mediciones de dureza de los metales base y de soldadura fueron esencialmente constantes y no cambiaron después del envejecimiento. Sin embargo, las soldaduras fuertes hechas con metal de aportación W—26% Re fueron considerablemente más duras que el metal base (Fig. 7). Probablemente la mayor dureza del depósito de soldadura de W-Re se debió al endurecimiento de la solución sólida y/o a la presencia de una fase er finamente distribuida en la estructura solidificada. El diagrama de fases de tungsteno renio11 muestra que áreas localizadas de alto contenido de renio podrían ocurrir durante el enfriamiento rápido y dar como resultado la formación de la fase er dura y quebradiza en la subestructura altamente segregada. Posiblemente la fase er estaba finamente dispersa en los granos o en los límites de los granos, aunque ninguna era lo suficientemente grande como para ser identificada mediante examen metalográfico o difracción de rayos X.
La dureza se representa en función de la distancia desde la línea central de la soldadura fuerte para diferentes temperaturas de envejecimiento en la Fig. 7A. Note el cambio abrupto

en dureza en la línea de fusión. Con el aumento de la temperatura de envejecimiento, la dureza de la soldadura fuerte disminuyó hasta que, después de 100 horas a -600°C, la dureza fue la misma que la del metal base de tungsteno sin alear. Esta tendencia de disminución de la dureza con el aumento de la temperatura se mantuvo en todos los tiempos de envejecimiento. El aumento del tiempo a una temperatura constante también provocó una disminución similar en la dureza, como se muestra para una temperatura de envejecimiento de 1200°C en la Fig. 7B.
Unión por deposición química de vapor: se investigó la unión de tungsteno mediante técnicas CVD como método para producir soldaduras en varios diseños de muestras. Mediante el uso de accesorios y máscaras apropiados para limitar la deposición a las áreas deseadas, se unieron láminas de tungsteno de pulvimetalurgia y CVD y se produjeron cierres de extremos en tubos. La deposición en un bisel con un ángulo incluido de aproximadamente 90 grados produjo grietas, Fig. 8A, en las intersecciones de los granos columnares que crecían desde una cara del bisel y el sustrato (que fue eliminado). Sin embargo, se obtuvieron juntas de alta integridad sin grietas ni acumulación importante de impurezas, Fig. 8B, cuando se cambió la configuración de la junta rectificando la cara del metal base hasta un radio de ½ pulgada. tangente a la raíz de la soldadura. Para demostrar una aplicación típica de este proceso en la fabricación de elementos combustibles, se fabricaron algunos cierres de extremos en tubos de tungsteno. Estas uniones resultaron herméticas cuando se probaron con un detector de fugas de espectrometro de masas de helio.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Propiedades mecánicas
Pruebas de flexión de soldaduras por fusión. Se determinaron curvas de transición de dúctil a frágil para varias uniones de tungsteno sin alear. Las curvas en la Fig. 9 muestran que el DBTT de dos metales base de pulvimetalurgia fue de aproximadamente 1 50 °C. Normalmente, el DBTT (la temperatura más baja a la que se podía realizar una curvatura de 90 a 105 grados) de ambos materiales aumentó considerablemente después de la soldadura. . Las temperaturas de transición aumentaron aproximadamente 175°C hasta un valor de 325°C para el tungsteno de pulvimetalurgia típico y aumentaron aproximadamente 235°C hasta un valor de 385°C para el material patentado de baja porosidad. La diferencia en los DBTT del material soldado y no soldado se atribuyó al gran tamaño de grano y a la posible redistribución de impurezas de las soldaduras y zonas afectadas por el calor. Los resultados de las pruebas muestran que el DBTT de las soldaduras típicas de tungsteno de pulvimetalurgia fue menor que el del material patentado, aunque este último tenía menos porosidad. El DBTT más alto de la soldadura en el tungsteno de baja porosidad puede deberse a su tamaño de grano ligeramente mayor, Fig. 3A y 3C.
Los resultados de las investigaciones para determinar los DBTT para varias uniones de tungsteno sin alear se resumen en la Tabla 3. Las pruebas de flexión fueron bastante sensibles a los cambios en el procedimiento de prueba. Los dobleces de raíz parecían ser más dúctiles que los dobleces de cara. Un alivio de tensión seleccionado adecuadamente después de la soldadura pareció reducir sustancialmente el DBTT. El tungsteno CVD tenía, cuando estaba soldado, el DBTT más alto (560 ℃); sin embargo, cuando se le dio un alivio de tensión de 1000 ℃ durante 1 hora después de la soldadura, su DBTT cayó a 350 ℃. alivio de tensión de 1000 ° C después de la soldadura, su DBTT cayó a 350 ° C. El alivio de tensión del tungsteno de metalurgia de polvos soldado por arco durante 1 hora a 18000 C redujo el DBTT de este material en aproximadamente 100 ° C del valor determinado para él como soldado. Un alivio de tensión de 1 hora a 1000° C en una unión hecha mediante métodos CVD produjo el DBTT más bajo (200° C). Cabe señalar que, si bien esta temperatura de transición fue considerablemente más baja que cualquier otra temperatura de transición determinada en este estudio, la mejora probablemente estuvo influenciada por la tasa de deformación más baja (0,1 frente a 0,5 ipm) utilizada en las pruebas en juntas CVD.

Ensayo de flexión de soldaduras fuertes-soldaduras de arco de tungsteno con gas realizadas con Nb. También se realizaron pruebas de flexión de Ta, Mo, Re y W-26% Re como metales de aportación y los resultados se resumen en la tabla 4. La mayor ductilidad se obtuvo con una soldadura fuerte de renio.

Aunque los resultados de este estudio superficial indican que un metal de aportación diferente puede producir uniones con propiedades mecánicas interiores a las de soldaduras homogéneas en tungsteno, algunos de estos metales de aportación pueden ser útiles en la práctica.

Resultados para aleaciones de tungsteno.