O volframio e as súas aliaxes pódense unir con éxito mediante soldadura por arco de tungsteno con gas,
soldadura por arco de tungsteno con gas, soldadura por feixe de electróns e por deposición química de vapor.

Avaliouse a soldabilidade do volframio e algunhas das súas aliaxes consolidadas mediante técnicas de fundición en arco, pulvimetalurxia ou deposición química-vapor (CVD). A maioría dos materiais utilizados foron nominalmente follas de 0,060 polgadas de grosor. Os procesos de unión empregados foron (1) soldadura por arco de tungsteno con gas, (2) soldadura por arco de tungsteno con gas, (3) soldadura por feixe de electróns e (4) unión por CVD.
O volframio soldouse con éxito por todos estes métodos, pero a solidez das soldaduras estivo moi influenciada polos tipos de metais de base e de recheo (é dicir, produtos en po ou fundidos por arco). Por exemplo, as soldaduras en material fundido en arco estaban comparativamente libres de porosidade, mentres que as soldaduras en produtos de pulvimetalurxia eran normalmente porosas, especialmente ao longo da liña de fusión. Para soldaduras de arco de tungsteno con gas (GTA) en láminas de tungsteno sen aleación de 1/1r, un mínimo de prequecemento de 150 °C (que se atopou como a temperatura de transición dúctil-fráxil do metal base) produciu soldaduras sen fisuras. Como metais de base, as aliaxes de wolframio e renio eran soldables sen prequentamento, pero a porosidade tamén era un problema cos produtos en po de aliaxes de wolframio. O prequecemento parecía non afectar a porosidade da soldadura, que era principalmente unha función do tipo de metal base.
As temperaturas de transición dúctil a fráxil (DBIT) para soldaduras de arco de tungsteno con gas en diferentes tipos de volframio de pulvimetalurxia foron de 325 a 475 ° C, en comparación con 150 ° C para o metal base e os 425 ° C para soldada por feixe de electróns. tungsteno fundido en arco.
A soldadura por soldadura de volframio con metais de recheo diferentes, ao parecer, non produciu mellores propiedades de unión que outros métodos de unión. Usamos Nb, Ta, W-26% Re, Mo e Re como metais de recheo nas soldaduras. O Nb e o Mo provocaron graves gretas.

Unión por CVD de 510 a 560 °C

eliminou toda a porosidade agás unha pequena cantidade e tamén eliminou os problemas asociados ás altas temperaturas necesarias para a soldadura (como grans grandes na soldadura e zonas afectadas pola calor).
Introdución
Estase a considerar as aliaxes de volframio e a base de wolframio para unha serie de aplicacións nucleares e espaciais avanzadas, incluíndo dispositivos de conversión termoiónica, vehículos de reentrada, elementos de combustible de alta temperatura e outros compoñentes do reactor. As vantaxes destes materiais son as súas combinacións de temperaturas de fusión moi elevadas, boas resistencias a temperaturas elevadas, altas condutividades térmicas e eléctricas e unha adecuada resistencia á corrosión en determinados ambientes. Dado que a fraxilidade limita a súa fabricabilidade, a utilidade destes materiais en compoñentes estruturais en condicións de servizo rigorosas depende en gran medida do desenvolvemento de procedementos de soldadura para proporcionar unións que sexan comparables en propiedades ao metal base. Polo tanto, os obxectivos destes estudos foron (1) determinar as propiedades mecánicas das unións producidas por diferentes métodos de unión en varios tipos de volframio non aleado e aliado; (2) avaliar os efectos de diversas modificacións nos tratamentos térmicos e na técnica de unión; e (3) demostrar a viabilidade de fabricar compoñentes de proba axeitados para aplicacións específicas.
Materiais
Volframio non aleado m叮10 m. láminas grosas era o material de máis interese. O volframio sen aleación deste estudo foi producido mediante técnicas de pulvimetalurxia, fundición en arco e deposición química en vapor. A Táboa 1 mostra os niveis de impurezas dos produtos de pulvimetalurxia, CVD e tungsteno fundido en arco segundo a recepción. A maioría cae dentro dos intervalos que se atopan nominalmente no wolframio

pero hai que ter en conta que o material CVD contiña máis cantidades de flúor que as norma].
Varios tamaños e formas de volframio e aliaxes de volframio uníronse para comparar. A maioría deles eran produtos de pulvimetalurxia aínda que algúns materiais de fundición de arco tamén foron soldados. Utilizáronse configuracións específicas para determinar a viabilidade das estruturas e compoñentes da construción. Todos os materiais foron recibidos nun estado totalmente traballado en frío, a excepción do volframio CVD, que se recibiu como depositado. Debido ao aumento da fraxilidade do wolframio recristalizado e de gran gran, soldouse o material en condicións de traballo para minimizar o crecemento do gran na zona afectada pola calor. Debido ao alto custo do material e ás cantidades relativamente pequenas dispoñibles, deseñamos mostras de proba que utilizaban a cantidade mínima de material compatible coa obtención da información desexada.
Procedemento
Dado que a temperatura de transición de dúctil a fráxil (DBTT) do wolframio está por encima da temperatura ambiente, débese ter especial coidado na manipulación e mecanizado para evitar rachaduras1. O corte provoca rachaduras dos bordos e descubrimos que o rectificado e o mecanizado por electrodescarga deixan controles de calor na superficie. A menos que se eliminen mediante lapeado, estas gretas poden propagarse durante a soldadura e o seu uso posterior.
O volframio, como todos os metais refractarios, debe soldarse nunha atmosfera moi pura de gas inerte (proceso de arco de tungsteno de gas) ou de baleiro (feixe de electróns pro:::ess)2 para evitar a contaminación da soldadura por intersticiais. Dado que o volframio ten o punto de fusión máis alto de todos os metais (3410 ° C), o equipo de soldadura debe ser capaz de soportar as altas temperaturas de servizo.

Táboa 1

Utilizáronse tres procesos de soldadura diferentes: soldadura por arco de tungsteno con gas, soldadura por arco de tungsteno con gas e soldadura por feixe de electróns. Determináronse para cada material as condicións de soldadura necesarias para a pcnetración completa cunha entrada de enerxía mínima. Antes da soldadura, o material de folla foi mecanizado en 囚in. brancos anchos e desengraxados con alcohol etílico. O deseño da unión era un suco cadrado sen abertura de raíz.
Soldadura por arco de tungsteno con gas
Todas as soldaduras automatizadas e manuais de gas con arco de tungsteno foron feitas nun ehamher que se mantivo por debaixo de 5 x I ou. torr durante aproximadamente 1 hora e despois recheo con argón moi puro. Como se mostra na figura lA, a cámara estaba equipada cun mecanismo de travesía e cabeza de facho para soldeo automático. A peza de traballo suxeitouse nun dispositivo de cobre provisto de insercións de wolframio en todos os puntos de contacto para evitar que fose soldada á obra polo golpe de soldadura. A base deste accesorio albergaba os quentadores eléctricos de cartucho que prequentaban o traballo á temperatura desexada, Fig. 1 B. Todas as soldaduras fixéronse a unha velocidade de desprazamento de 10 ipm, unha corrente duns 350 amperios e unha tensión de 10 a 15 v. .
Soldadura por soldadura con gas tungsteno-A『c
As soldaduras de tungsteno con gas foron realizadas nunha cámara con atmosfera inerte mediante técnicas similares

os descritos anteriormente. As soldaduras soldadas con cordón sobre placa feitas con wolframio e metal de recheo W—26% Re fixéronse manualmente; con todo, as soldaduras de soldadura a tope soldáronse automaticamente despois de que o metal de recheo fose colocado na unión a tope.
Soldadura por feixe de electróns
As soldaduras de feixe de eleetron realizáronse nunha máquina de 150 kV 20 mA. Durante a soldadura mantívose un baleiro duns 5 x I o-6 torr. A soldadura por feixe de electróns dá como resultado unha proporción moi alta de profundidade a anchura e unha zona estreita afectada pola calor.
』unción por eliminación de vapores químicos
As unións de wolframio foron feitas mediante o depósito de metal de recheo de wolframio sen alear mediante o proceso de deposición química de vapor3. O volframio foi depositado por redución de hidróxeno do hexafluoruro de volframio segundo a reacción-t
calor
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
O uso desta técnica para unir só requiriu pequenos cambios nos accesorios e na distribución do fluxo de reactivos. A principal vantaxe deste proceso sobre os métodos máis convencionais de unión é que, dado que as baixas temperaturas empregadas (510 a 650 °C) son moito máis baixas que o punto de fusión do

wolframio (3410 ° C), recristalización e posible maior fragilidade do metal base de wolframio forxado por impurezas ou crecemento de grans son minimizados.
Fabbráronse varios deseños de xuntas, incluíndo pechaduras de extremo e de tubo. A deposición realizouse coa axuda dun mandril de cobre que se utilizou como soporte, peza de aliñamento e substrato. Despois de completar a deposición, o mandril superior foi eliminado mediante gravado. Dado que outros traballos" demostraron que o volframio CVD posúe esforzos residuais complexos tal e como se depositaron, estas unións foron relicvcd de tensión I hr a 1000 ° a 1600 ° C antes de mecanizar ou probar.
Inspección e Probas
As articulacións foron inspeccionadas visualmente e mediante líquido penetrante e radiografía antes de ser probadas. Analizáronse quimicamente as soldaduras típicas en busca de osíxeno e nitróxeno (táboa 2) e realizáronse amplos exames metalográficos ao longo do estudo.
Debido á súa sinxeleza e adaptabilidade inherentes a mostras pequenas, a proba de curvatura utilizouse como criterio principal para a integridade das unións e a comparación dos procesos. As temperaturas de transición dúctil-fráxil determináronse cun aparello de flexión de tres puntos para as unións tanto soldadas como despois do envellecemento. A mostra básica para as probas de curvatura foi a lonxitudinal

curva frontal, de 24 t de longo por 12 t de ancho, onde t é o espesor da mostra. Os exemplares foron apoiados nun van de 15 t e dobrados cun émbolo de raio 4 t a unha velocidade de 0,5 ipm. Esta xeometría tendía a normalizar os datos obtidos sobre varios espesores de materiais. Os exemplares adoitaban dobrarse transversalmente ao cordón de soldadura (exemplar de curvatura lonxitudinal) para proporcionar unha deformación uniforme da soldadura, da zona afectada pola calor e do metal base; con todo, algúns exemplares foron dobrados ao longo da costura de soldadura (exemplar de curva transversal) para comparación. Nas partes iniciais da investigación utilizáronse dobras caras; porén, debido á lixeira muesca atopada nas fees da maioría das soldaduras debido ao peso do metal fundido, as curvas da raíz foron substituídas en probas posteriores. As recomendacións do Consello Asesor de Materiais6 relacionadas coas probas de dobrado de mostras de follas foron seguidas o máis de preto posible. Debido ao limitado material, seleccionáronse os exemplares máis pequenos recomendables.
Para determinar a temperatura de transición de curvatura, o aparello de curvatura encerrouse nun forno capaz de elevar rapidamente a temperatura ata 500 ° C. Unha curva de 90 a 105 ° considerouse unha curva completa. O DBTT definiuse como a temperatura máis baixa á que o speeimen se dobraba completamente sen quebrar. Aínda que as probas realizáronse ao aire, a decoloración das mostras non foi evidente ata que as temperaturas das probas alcanzaron os 400 °C.

Figura 1

Resultados para volframio sen alear
Soldabilidade xeral
Soldadura por arco de gas Turzgstea—En soldadura por arco de tungsteno con gas de 1 乍in. lámina espesa sen aleación, o traballo debe ser substancialmente prequentado para evitar fallas fráxiles baixo estrés inducido por choque térmico. A figura 2 mostra unha fractura típica producida por soldadura sen un prequecemento adecuado. O gran tamaño e forma da soldadura e a zona afectada pola calor son evidentes na fractura. A investigación das temperaturas de prequentamento desde a temperatura ambiente ata os 540 °C mostrou que era necesario un prequecemento a un mínimo de 150 °C para a produción consistente de soldaduras a tope dun paso sen fisuras. Esta temperatura corresponde ao DBTI do metal base. O prequecemento a temperaturas máis altas non parece ser necesario nestas probas, pero o material cun DBTI máis alto, ou configuracións que implican concentracións de tensión máis severas ou pezas máis masivas, poden requirir prequecemento a temperaturas máis altas.
A calidade dunha soldadura depende en gran medida dos procedementos utilizados na fabricación dos metais base. As soldaduras autógenas en tungsteno fundido por arco están esencialmente libres de porosidade, Fig.
3A, pero as soldaduras en volframio de pulvimetalurxia caracterízanse pola porosidade bruta, Fig. 3 (b), particularmente ao longo da liña de fusión. A cantidade desta porosidade, figura 3B, particularmente ao longo de 3C, en soldaduras feitas nun produto patentado de baixa porosidade (GE-15 producido por General Electric Co., Cleveland).
As soldaduras de arco de tungsteno con gas en tungsteno CVD teñen zonas inusuales afectadas pola calor debido á estrutura do gran 0£a base metaF. A figura 4 mostra a cara e a correspondente sección transversal dunha soldadura a tope con arco de tungsteno con gas. Teña en conta que os grans finos na superficie do substrato creceron debido á calor da soldadura. Tamén é evidente a falta de crecemento do gran columnar

grans. Os grans columnares teñen gas
burbullas nos límites dos grans causadas por impurezas fluoradas8. En consecuencia, se
a superficie do substrato de gran fino elimínase antes da soldadura, a soldadura non contén unha zona afectada pola calor detectable metalograficamente. Por suposto, no material CVD traballado (como tubos extruídos ou estirados) a zona afectada pola calor da soldadura ten a estrutura normal de grans recristalizados.
Atopáronse fendas nos límites dos grans columnares na RAZ de varias soldaduras en wolframio CVD. Esta gretadura, mostrada na figura 5, foi causada pola rápida formación e crecemento de burbullas nos límites dos grans a altas temperaturas9. Ás altas temperaturas que implica a soldadura, as burbullas foron capaces de consumir gran parte da área de límite de grans; isto, combinado coa tensión producida durante o arrefriamento, apartou os límites dos grans para formar unha fenda. Un estudo da formación de burbullas no wolframio e outros depósitos de metais durante o tratamento térmico mostra que as burbullas ocorren en metais depositados por debaixo de 0,3 Tm (a temperatura de fusión homóloga). Esta observación suxire que as burbullas de gas se forman por coalescencia de vacantes atrapados e gases durante o recocido. No caso do volframio CVD, o gas probablemente sexa flúor ou un composto de flúor
Soldadura por feixe de electróns: o volframio sen alear foi soldado por feixe de electróns con e sen prequecemento. A necesidade de prequecemento variou segundo a mostra. Para garantir unha soldadura libre de fendas, recoméndase o prequecemento polo menos ao DBTT do metal base. As soldaduras de feixe de electróns en produtos de pulvimetalurxia tamén teñen a porosidade de soldadura mencionada anteriormente.

Soldadura por arco de tungsteno con gas: nun esforzo por establecer se a soldadura por soldadura podería usarse con vantaxe, experimentamos co proceso de tungstenarco con gas para facer soldaduras por soldadura en chapa de tungsteno de metalurxia en po. As soldaduras por soldadura foron feitas colocando previamente o metal de recheo ao longo da unión a tope antes de soldar. As soldaduras soldadas producíronse con Nb, Ta, Mo, Re e W-26% Re non aleados como metais de recheo. Como era de esperar, había porosidade na liña de fusión en seccións metalográficas de todas as unións (Fig. 6) xa que os metais básicos eran produtos de pulvimetalurxia. Soldaduras feitas con metais de recheo de niobio e molibdeno rachadas.
Comparáronse as durezas das soldaduras e as soldaduras soldadas mediante un estudo de soldaduras de cordón sobre placa feitas con wolframio non aleado e W一26% Re como metais de recheo. As soldaduras de tungstenarco con gas e as soldaduras soldadas foron realizadas manualmente en produtos de metalurxia do po de wolframio sen alear (a baixa porosidade, grao patentado (GE-15) e un grao comercial típico). As soldaduras de cada material foron envellecidas a 900, 1200, 1600 e 2000 °C durante l, 10, 100 e 1000 h. Examináronse os especímenes metalográficamente e realizáronse travesías de dureza a través da soldadura, a zona afectada pola calor e o metal base tanto como soldados como despois do tratamento térmico.

Táboa 2

Figura 2

Dado que os materiais utilizados neste estudo eran produtos de pulvimetalurxia, había cantidades variables de porosidade nos depósitos de soldadura e soldadura. De novo, as unións feitas con metal base de tungsteno en po típico tiñan máis porosidade que as feitas co wolframio patentado de baixa porosidade. As soldaduras soldadas feitas con metal de recheo W—26% Re tiñan menos porosidade que as soldaduras feitas co metal de recheo de wolframio sen aliar.
Non se percibiu ningún efecto do tempo ou da temperatura sobre a dureza das soldaduras feitas con wolframio sen aleación como metal de recheo. Como soldada, as medidas de dureza dos metais de soldadura e base eran esencialmente constantes e non cambiaron despois do envellecemento. Non obstante, as soldaduras soldadas realizadas con metal de recheo W—26% Re eran considerablemente máis duras como se producían que o metal base (Fig. 7). Probablemente a maior dureza do depósito de soldadura W-Re br立e debeuse ao endurecemento da solución sólida e/ou á presenza de fase er finamente distribuída na estrutura solidificada. O diagrama de fases de wolframio11 mostra que áreas localizadas de alto contido en renio poden ocorrer durante o arrefriamento rápido e producir a formación da fase er dura e fráxil na subestrutura altamente segregada. Posiblemente a fase er estivese finamente dispersa nos grans ou nos límites dos grans, aínda que ningunha era o suficientemente grande como para ser identificada nin por exame metalográfico nin por difracción de raios X.
A dureza está representada en función da distancia desde a liña central de soldadura-soldadura para diferentes temperaturas de envellecemento na figura 7A. Observe o cambio brusco

en dureza na liña de fusión. Co aumento da temperatura de envellecemento, a dureza da soldadura de soldadura diminuíu ata que, despois de 100 horas a J 600 ° C, a dureza foi a mesma que a do metal base de wolframio sen aliar. Esta tendencia de diminución da dureza co aumento da temperatura mantívose certa para todos os tempos de envellecemento. O aumento do tempo a unha temperatura constante tamén provocou unha diminución simiJar da dureza, como se mostra para unha temperatura de envellecemento de 1200 ° C na figura 7B.
Unión por deposición química en vapor: investigouse a unión de wolframio mediante técnicas CVD como método para producir soldaduras en varios deseños de mostras. Mediante o uso de accesorios e máscaras axeitados para limitar a deposición nas áreas desexadas, uníronse láminas de volframio CVD e de pulvimetalurxia e producíronse peches finais en tubos. A deposición nun bisel cun ángulo incluído duns 90 graos produciu rachaduras, figura 8A, nas interseccións dos grans columnares que crecen a partir dunha cara do bisel e do substrato (que foi gravado). Non obstante, obtivéronse xuntas de alta integridade sen rachaduras ou acumulación groseira de impurezas, Fig. 8B, cando a configuración da unión foi modificada ao moer a cara do metal base ata un radio de 飞in. tanxente á raíz da soldadura. Para demostrar unha aplicación típica deste proceso na fabricación de elementos combustibles, realizáronse algúns peches de extremo en tubos de wolframio. Estas xuntas eran estancas cando se probaron cun detector de fugas de espectro de masas de helio.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Propiedades mecánicas
Ensaios de curvatura de soldaduras por fusión 一Determináronse curvas de transición de dúctil a fráxil para varias unións en wolframio non aleado. As curvas da figura 9 mostran que o DBTT de dous metais base de metalurxia en po era de aproximadamente I 50 ° C. Normalmente, o DBTT (a temperatura máis baixa á que se podía facer unha curva de 90 a 105 °) de ambos materiais aumentou moito despois da soldadura. . As temperaturas de transición aumentaron uns 175 °C ata un valor de 325 °C para o volframio típico de pulvimetalurxia e aumentaron uns 235 °C ata un valor de 385 °C para o material patentado de baixa porosidade. A diferenza nos DBTT do material soldado e sen soldar atribuíuse ao gran tamaño dos grans e á posible redistribución de impurezas das soldaduras e zonas afectadas pola calor. Os resultados das probas mostran que o DBTT das soldaduras típicas de volframio de pulvimetalurxia era inferior ao do material patentado, aínda que este último tiña menos porosidade. O maior DBTT da soldadura no wolframio de baixa porosidade pode deberse ao seu gran tamaño lixeiramente maior, figuras 3A e 3C.
Os resultados das investigacións para determinar os DBTT para unha serie de xuntas en wolframio sen aleación resúmense na Táboa 3. As probas de curvatura foron bastante sensibles aos cambios no procedemento de proba. As curvas da raíz parecían ser máis dúctiles que as de cara. Un alivio de tensións correctamente seleccionado despois da soldadura parecía baixar substancialmente o DBTT. O volframio CVD tiña, como soldado, o DBTT máis alto (560 ℃); aínda que cando se lle deu unha hora de alivio de tensión de 1000 ℃ despois da soldadura, o seu DBTT baixou a 350 ℃. O alivio de tensión de 1000 ° C despois da soldadura, o seu DBTT caeu a 350 ° C. O alivio de tensión do volframio de metalurxia en pó soldada por arco durante 1 hora a 18 000 C reduciu o DBTT deste material nuns 100 ° C a partir do valor determinado para el como- soldados. Un alivio de tensión de 1 hora a 1000 °C nunha unión feita mediante métodos CVD produciu o DBTT máis baixo (200 °C). Cómpre sinalar que, aínda que esta temperatura de transición foi considerablemente máis baixa que calquera outra temperatura de transición determinada neste estudo, a mellora probablemente estivo influenciada pola menor taxa de deformación (0,1 vs 0,5 ipm) utilizada nos ensaios en xuntas CVD.

Proba de curvatura de soldaduras soldadas-gas de tungsteno-soldaduras de arco realizadas con Nb. Ta, Mo, Re e W-26% Re como metais de recheo tamén se probaron por curvatura e os resultados resúmense na táboa 4. A maior ductilidade obtívose cunha soldadura de renio.

Aínda que os resultados deste estudo superficial indican que un metal de recheo diferente pode producir xuntas con propiedades mecánicas no interior da casa de soldaduras homoxéneas en wolframio, algúns destes metais de recheo poden ser útiles na práctica.

Resultados para aliaxes de tungsteno.