Tungsten dan paduannya dapat berhasil disambung dengan pengelasan busur tungsten gas,
pengelasan gas tungsten-arc braze, pengelasan berkas elektron dan deposisi uap kimia.

Kemampuan las tungsten dan sejumlah paduannya yang dikonsolidasikan dengan teknik pengecoran busur, metalurgi serbuk, atau deposisi uap kimia (CVD) dievaluasi. Sebagian besar bahan yang digunakan adalah lembaran tebal nominal 0,060 inci. Proses penyambungan yang digunakan adalah (1) pengelasan busur tungsten gas, (2) pengelasan busur tungsten gas, (3) pengelasan berkas elektron dan (4) penyambungan dengan CVD.
Tungsten berhasil dilas dengan semua metode ini tetapi kesehatan las sangat dipengaruhi oleh jenis logam dasar dan logam pengisi (yaitu produk bubuk atau cor busur). Misalnya, pengelasan pada material cor busur relatif bebas dari porositas sedangkan pengelasan pada produk metalurgi serbuk biasanya berpori, khususnya di sepanjang garis fusi. Untuk las gas tungsten-arc (GTA) dalam 1/1r, in. lembaran tungsten murni, pemanasan awal minimal 150°C (yang merupakan suhu transisi ulet ke getas dari logam dasar) menghasilkan las yang bebas retak. Sebagai logam dasar, paduan tungsten-renium dapat dilas tanpa pemanasan awal, namun porositas juga menjadi masalah pada produk bubuk paduan tungsten. Pemanasan awal tampaknya tidak mempengaruhi porositas las yang terutama merupakan fungsi dari jenis logam dasar.
Suhu transisi ulet ke rapuh (DBIT) untuk las busur tungsten gas dalam berbagai jenis metalurgi serbuk tungsten adalah 325 hingga 475°C, dibandingkan dengan 150。 C untuk logam dasar dan 425°C untuk pengelasan berkas elektron tungsten cor busur.
Pengelasan tungsten dengan logam pengisi yang berbeda rupanya tidak menghasilkan sifat sambungan yang lebih baik dibandingkan metode penyambungan lainnya. Kami menggunakan Nb, Ta, W-26% Re, Mo dan Re sebagai logam pengisi pada las braze. Nb dan Mo menyebabkan keretakan parah.

Bergabung dengan CVD pada 510 hingga 560° C

menghilangkan semua kecuali sejumlah kecil porositas dan juga menghilangkan masalah yang terkait dengan suhu tinggi yang diperlukan untuk pengelasan (seperti butiran besar di area pengelasan dan zona yang terkena dampak panas).
Perkenalan
Paduan berbahan dasar tungsten dan tungsten sedang dipertimbangkan untuk sejumlah aplikasi nuklir dan luar angkasa tingkat lanjut termasuk perangkat konversi termionik, kendaraan masuk kembali, elemen bahan bakar suhu tinggi, dan komponen reaktor lainnya. Keuntungan dari bahan-bahan ini adalah kombinasi suhu leleh yang sangat tinggi, kekuatan yang baik pada suhu tinggi, konduktivitas termal dan listrik yang tinggi serta ketahanan yang memadai terhadap korosi di lingkungan tertentu. Karena kerapuhan membatasi kemampuan pembuatannya, kegunaan bahan-bahan ini dalam komponen struktural dalam kondisi pelayanan yang ketat sangat bergantung pada pengembangan prosedur pengelasan untuk menghasilkan sambungan yang sifat-sifatnya sebanding dengan logam dasar. Oleh karena itu, tujuan dari penelitian ini adalah untuk (1) mengetahui sifat mekanik sambungan yang dihasilkan dengan metode penyambungan yang berbeda pada beberapa jenis tungsten murni dan paduan; (2) mengevaluasi pengaruh berbagai modifikasi dalam perlakuan panas dan teknik penyambungan; dan (3) mendemonstrasikan kelayakan pembuatan komponen uji yang sesuai untuk aplikasi spesifik.
Bahan
Tungsten murni m叮10 m. lembaran tebal adalah bahan yang paling menarik. Tungsten murni dalam penelitian ini diproduksi melalui metalurgi serbuk, pengecoran busur, dan teknik deposisi uap kimia. Tabel 1 menunjukkan tingkat pengotor metalurgi serbuk, CVD dan produk tungsten cor busur yang diterima. Sebagian besar berada dalam kisaran yang ditemukan di tungsten

tetapi perlu dicatat bahwa bahan CVD mengandung lebih banyak fluor daripada jumlah normalnya.
Berbagai ukuran dan bentuk paduan tungsten dan tungsten digabungkan untuk perbandingan. Sebagian besar merupakan produk metalurgi serbuk meskipun beberapa bahan cor busur juga dapat dilas. Konfigurasi khusus digunakan untuk menentukan kelayakan struktur dan komponen bangunan. Semua material diterima dalam kondisi pengerjaan dingin sepenuhnya kecuali tungsten CVD, yang diterima sebagai deposit. Karena meningkatnya kerapuhan tungsten yang direkristalisasi dan berbutir besar, material tersebut dilas dalam kondisi kerja untuk meminimalkan pertumbuhan butiran di zona yang terpengaruh panas. Karena tingginya biaya bahan dan jumlah yang tersedia relatif sedikit, kami merancang benda uji yang menggunakan jumlah bahan minimum sesuai dengan perolehan informasi yang diinginkan.
Prosedur
Karena suhu transisi ulet ke getas (DBTT) tungsten berada di atas suhu kamar, penanganan dan pemesinan harus dilakukan secara hati-hati untuk menghindari retak1. Pemotongan menyebabkan retak pada bagian tepi dan kami menemukan bahwa penggilingan dan pemesinan pelepasan muatan listrik meninggalkan efek panas pada permukaan. Kecuali jika dihilangkan dengan cara dipukul-pukul, retakan ini dapat meluas selama pengelasan dan penggunaan selanjutnya.
Tungsten, seperti semua logam tahan api, harus dilas dalam atmosfer yang sangat murni baik dari gas inert (proses gas tungsten-arc) atau vakum (berkas elektron pro:::ess)2 untuk menghindari kontaminasi las oleh interstisial. Karena tungsten memiliki titik leleh tertinggi dari semua logam (3410° C), peralatan las harus mampu menahan suhu layanan yang tinggi.

Tabel 1

Tiga proses pengelasan berbeda yang digunakan: pengelasan busur tungsten gas, pengelasan busur tungsten gas, dan pengelasan berkas elektron. Kondisi pengelasan yang diperlukan untuk pcnetration lengkap pada input energi minimum ditentukan untuk setiap material. Sebelum pengelasan, material lembaran dikerjakan menjadi satu bagian. blanko lebar dan dihilangkan lemaknya dengan etil alkohol. Desain sambungannya berupa alur persegi tanpa bukaan akar.
Pengelasan Busur Tungsten Gas
Semua las busur tungsten gas otomatis dan manual dibuat dalam suhu yang dipertahankan di bawah 5 x I atau. torr selama sekitar 1 jam dan kemudian ditimbun kembali dengan argon yang sangat murni. Seperti ditunjukkan pada Gambar. lA, ruangan itu dilengkapi dengan mekanisme lintasan dan kepala obor untuk pengelasan otomatis. Benda kerja ditahan dalam perlengkapan tembaga yang dilengkapi dengan sisipan tungsten di semua titik kontak untuk mencegah benda kerja dibrazing ke pekerjaan karena hentakan pengelasan. Dasar perlengkapan ini menampung pemanas kartrid listrik yang memanaskan pekerjaan hingga suhu yang diinginkan, Gambar 1 B. Semua pengelasan dilakukan pada kecepatan gerak 10 ipm, arus sekitar 350 amp dan tegangan 10 hingga 15 v .
Pengelasan Braze Gas Tungsten-A『c
Lasan braze gas tungsten dibuat dalam ehamber dengan atmosfir inert dengan teknik serupa

yang dijelaskan di atas. Lasan braze bead-onplate dibuat dengan tungsten dan logam pengisi W—26% Re dibuat secara manual; namun, las butt braze dilas secara otomatis setelah logam pengisi ditempatkan pada sambungan butt.
Pengelasan Berkas Elektron
Lasan balok eleetron dibuat dalam mesin 150 kV 20 mA. Kevakuman sekitar 5 x I o-6 torr dipertahankan selama pengelasan. Pengelasan berkas elektron menghasilkan rasio kedalaman terhadap lebar yang sangat tinggi dan zona terkena panas yang sempit.
』dihasilkan oleh Disposisi Uap Kimia
Sambungan tungsten dibuat dengan mendepositkan logam pengisi tungsten murni melalui proses pengendapan uap kimia3. Tungsten diendapkan dengan reduksi hidrogen dari tungsten heksafluorida menurut reaksi-t
panas
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Penggunaan teknik penyambungan ini hanya memerlukan sedikit perubahan pada perlengkapan dan distribusi aliran reaktan. Keuntungan utama dari proses ini dibandingkan metode penyambungan yang lebih konvensional adalah, karena suhu yang digunakan rendah (510 hingga 650 °C) jauh lebih rendah daripada titik lelehnya.

tungsten (3410 ° C), rekristalisasi dan kemungkinan penggetasan lebih lanjut dari logam dasar tungsten tempa oleh pengotor atau pertumbuhan butiran diminimalkan.
Beberapa desain sambungan termasuk penutup pantat dan ujung tabung telah dibuat. Deposisi dilakukan dengan bantuan mandrel tembaga yang digunakan sebagai perlengkapan, bagian pelurus dan substrat. Setelah deposisi selesai, mandrel eopper dihilangkan dengan cara etsa. Karena penelitian lain” telah menunjukkan bahwa tungsten CVD memiliki tegangan sisa yang kompleks seperti yang diendapkan, sambungan ini mengalami peninggalan tegangan I jam pada suhu 1000 ° hingga 1600 ° C sebelum pemesinan atau pengujian.
Inspeksi dan Pengujian
Sambungan diperiksa secara visual dan dengan penetran cair serta radiografi sebelum diuji. Lasan tipikal dianalisis secara kimia untuk oksigen dan nitrogen (Tabel 2) dan pemeriksaan metalografi ekstensif dilakukan selama penelitian.
Karena kesederhanaan dan kemampuan adaptasinya terhadap spesimen kecil, uji tekuk digunakan sebagai kriteria utama untuk integritas sambungan dan perbandingan proses. Temperatur transisi ulet-hingga getas ditentukan dengan alat tekuk tiga titik untuk sambungan baik saat dilas maupun setelah penuaan. Spesimen dasar untuk uji lengkung adalah spesimen memanjang

tekuk muka, panjang 24t kali lebar 12t, dimana t adalah tebal benda uji. Spesimen ditopang pada bentang 15t dan dibengkokkan dengan pendorong berjari-jari 4t dengan kecepatan 0,5 ipm. Geometri ini cenderung menormalkan data yang diperoleh pada berbagai ketebalan material. Spesimen biasanya dibengkokkan melintang ke lapisan las (spesimen tikungan memanjang) untuk memberikan deformasi yang seragam pada lasan, zona yang terkena panas, dan logam dasar; namun, beberapa spesimen dibengkokkan sepanjang lapisan las (spesimen tikungan melintang) untuk perbandingan. Tekukan wajah digunakan pada bagian awal penyelidikan; namun, karena sedikit lekukan yang ditemukan pada sebagian besar lasan akibat berat logam cair, lengkungan akar diganti pada pengujian selanjutnya. Rekomendasi dari Dewan Penasihat Material6 terkait dengan pengujian tekukan benda uji lembaran diikuti semaksimal mungkin. Karena keterbatasan bahan, spesimen terkecil yang disarankan dipilih.
Untuk menentukan temperatur transisi pembengkokan, peralatan pembengkok dimasukkan ke dalam tungku yang mampu dengan cepat menaikkan suhu hingga 500 °C. Pembengkokan 90 hingga 105 derajat dianggap sebagai pembengkokan penuh. DBTT didefinisikan sebagai suhu terendah di mana speeimen membungkuk sepenuhnya tanpa berderit. Meskipun pengujian dilakukan di udara, perubahan warna pada spesimen tidak terlihat hingga suhu pengujian mencapai 400°C.

Gambar 1

Hasil untuk Tungsten Murni
Kemampuan Las Umum
Pengelasan Busur Turzgstea Gas—Dalam pengelasan busur tungsten gas 1乍in. lembaran murni yang tebal, benda kerja harus dipanaskan terlebih dahulu untuk mencegah kegagalan getas akibat tegangan yang disebabkan oleh kejutan termal. Gambar 2 menunjukkan tipikal retakan yang dihasilkan oleh pengelasan tanpa pemanasan awal yang tepat. Ukuran butir yang besar dan bentuk zona las dan terkena dampak panas terlihat jelas pada patahan tersebut. Investigasi terhadap suhu pemanasan awal dari suhu kamar hingga 540°C menunjukkan bahwa pemanasan awal hingga suhu minimum 150°C diperlukan untuk produksi las butt satu lintasan yang konsisten dan bebas retak. Suhu ini sesuai dengan DBTI logam tidak mulia. Pemanasan awal ke suhu yang lebih tinggi tampaknya tidak diperlukan dalam pengujian ini tetapi material dengan DBTI yang lebih tinggi, atau konfigurasi yang melibatkan konsentrasi tegangan yang lebih parah atau bagian yang lebih masif, mungkin memerlukan pemanasan awal ke suhu yang lebih tinggi.
Kualitas suatu pengelasan sangat bergantung pada prosedur yang digunakan dalam fabrikasi logam dasar. Lasan autogenous pada tungsten cor busur pada dasarnya bebas dari porositas, Gambar.
3A, tetapi las dalam metalurgi serbuk tungsten dicirikan oleh porositas kotor, Gambar 3 (b), khususnya di sepanjang garis fusi. Jumlah porositas ini, Gambar 3B, khususnya sepanjang 3C, pada pengelasan yang dibuat dengan produk berporositas rendah (GE-15 diproduksi oleh General Electric Co., Cleveland).
Lasan busur tungsten gas pada tungsten CVD memiliki zona terpengaruh panas yang tidak biasa karena struktur butirannya adalah metaF dasar. Gambar 4 menunjukkan permukaan dan penampang yang sesuai dari las butt gas tungsten-arc. Perhatikan bahwa butiran halus pada permukaan substrat telah tumbuh karena panasnya pengelasan. Yang juga terlihat jelas adalah kurangnya pertumbuhan kolom besar

biji-bijian. Butir kolumnar mengandung gas
gelembung pada batas butir yang disebabkan oleh pengotor fluor8. Akibatnya, jika
permukaan substrat butiran halus dihilangkan sebelum pengelasan, pengelasan tidak mengandung zona terkena panas yang dapat dideteksi secara metalografi. Tentu saja, pada material CVD yang dikerjakan (seperti pipa yang diekstrusi atau ditarik), zona las yang terkena panas memiliki struktur butir rekristalisasi yang normal.
Retakan ditemukan pada batas butir kolumnar di RAZ beberapa las di tungsten CVD. Retakan ini, ditunjukkan pada Gambar 5, disebabkan oleh pembentukan dan pertumbuhan gelembung yang cepat pada batas butir pada suhu tinggi9. Pada suhu tinggi yang terlibat dalam pengelasan, gelembung mampu menghabiskan sebagian besar area batas butir; Hal ini, dikombinasikan dengan tegangan yang dihasilkan selama pendinginan, menarik batas butir hingga membentuk retakan. Sebuah studi tentang pembentukan gelembung pada tungsten dan endapan logam lainnya selama perlakuan panas menunjukkan bahwa gelembung terjadi pada logam yang diendapkan di bawah 0,3 Tm (suhu leleh homolog). Pengamatan ini menunjukkan bahwa gelembung gas terbentuk melalui penggabungan kekosongan dan gas yang terperangkap selama anil. Dalam kasus tungsten CVD, gas tersebut kemungkinan berupa fluor atau senyawa fluorida
Pengelasan Berkas Elektron—Tungsten murni adalah pengelasan berkas elektron dengan dan tanpa pemanasan awal. Kebutuhan pemanasan awal bervariasi tergantung spesimen. Untuk memastikan lasan bebas dari retakan, disarankan untuk melakukan pemanasan awal setidaknya sampai DBTT logam dasar. Lasan berkas elektron pada produk metalurgi serbuk juga memiliki porositas las yang disebutkan sebelumnya.

Pengelasan Braze Busur Tungsten Gas一Dalam upaya untuk menentukan apakah pengelasan braze dapat dimanfaatkan secara menguntungkan, kami bereksperimen dengan proses gas tungstenarc untuk membuat las braze pada lembaran tungsten metalurgi serbuk. Las braze dibuat dengan menempatkan logam pengisi di sepanjang pengelasan braze. sambungan pantat sebelum pengelasan. Lasan braze diproduksi dengan Nb, Ta, Mo, Re, dan W-26% Re murni sebagai logam pengisi. Seperti yang diharapkan, terdapat porositas pada garis fusi pada bagian metalografi semua sambungan (Gbr. 6) karena logam dasar adalah produk metalurgi serbuk. Lasan yang dibuat dengan logam pengisi niobium dan molibdenum retak.
Kekerasan las dan las braze dibandingkan melalui studi las bead-on-plate yang dibuat dengan tungsten murni dan W一26% Re sebagai logam pengisi. Las gas tungstenarc dan las braze dibuat secara manual pada produk metalurgi serbuk tungsten murni (porositas rendah, tingkat kepemilikan (GE-15) dan tingkat komersial tipikal). Lasan dan las braze pada masing-masing material berumur 900, 1200, 1600 dan 2000°C selama l, 10, 100 dan 1000 jam. Spesimen diperiksa secara metalografi, dan lintasan kekerasan diambil melintasi lasan, zona yang terpengaruh panas, dan logam dasar baik saat dilas maupun setelah perlakuan panas.

Tabel 2

Gambar2

Karena bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah produk metalurgi serbuk, jumlah porositas yang bervariasi terdapat pada endapan las dan braze. Sekali lagi, sambungan yang dibuat dengan logam dasar tungsten metalurgi serbuk khas memiliki lebih banyak porositas dibandingkan sambungan yang dibuat dengan tungsten berporositas rendah dan berpemilik. Lasan braze yang dibuat dengan logam pengisi W—26% Re memiliki porositas yang lebih kecil dibandingkan las yang dibuat dengan logam pengisi tungsten murni.
Tidak ada pengaruh waktu atau suhu yang terlihat pada kekerasan lasan yang dibuat dengan tungsten murni sebagai logam pengisi. Saat dilas, pengukuran kekerasan logam las dan logam dasar pada dasarnya konstan dan tidak berubah setelah penuaan. Namun, las braze yang dibuat dengan logam pengisi W—26% Re jauh lebih keras dibandingkan logam dasar (Gbr. 7). Mungkin kekerasan yang lebih tinggi dari endapan las W-Re brice disebabkan oleh pengerasan larutan padat dan/atau adanya fase er yang terdistribusi secara halus dalam struktur yang dipadatkan. Diagram fase tungstenrhenium11 menunjukkan bahwa area lokal dengan kandungan renium tinggi dapat terjadi selama pendinginan cepat dan menghasilkan pembentukan fase yang keras dan rapuh dalam substruktur yang sangat terpisah. Kemungkinan fase er tersebar halus di dalam butir atau batas butir, meskipun tidak ada yang cukup besar untuk diidentifikasi baik melalui pemeriksaan metalografi atau difraksi sinar-X.
Kekerasan diplot sebagai fungsi jarak dari garis tengah las braze untuk suhu penuaan yang berbeda pada Gambar 7A. Perhatikan perubahan mendadak

dalam kekerasan di garis fusi. Dengan meningkatnya suhu penuaan, kekerasan las braze menurun hingga, setelah 100 jam pada J 600°C, kekerasannya sama dengan kekerasan logam dasar tungsten murni. Kecenderungan penurunan kekerasan dengan meningkatnya suhu berlaku sepanjang masa penuaan. Peningkatan waktu pada suhu konstan juga menyebabkan penurunan kekerasan yang serupa, seperti yang ditunjukkan untuk suhu penuaan 1200°C pada Gambar 7B.
Penyambungan dengan Deposisi Uap Kimia — Penyambungan tungsten dengan teknik CVD diselidiki sebagai metode untuk menghasilkan las dalam berbagai desain spesimen. Dengan menggunakan perlengkapan dan masker yang sesuai untuk membatasi pengendapan pada area yang diinginkan, CVD dan lembaran tungsten metalurgi serbuk disambung dan penutupan ujung pada pipa dilakukan. Deposisi ke dalam bevel dengan sudut sekitar 90 derajat menghasilkan retakan, Gambar 8A, pada perpotongan butiran kolumnar yang tumbuh dari satu permukaan bevel dan substrat (yang tergores). Namun, sambungan berintegritas tinggi tanpa retak atau penumpukan kotoran diperoleh, Gambar 8B, ketika konfigurasi sambungan diubah dengan menggiling permukaan logam dasar hingga radius 飞in. bersinggungan dengan akar las. Untuk mendemonstrasikan penerapan khas proses ini dalam fabrikasi elemen bahan bakar, beberapa penutup ujung dibuat pada tabung tungsten. Sambungan ini kedap bocor saat diuji dengan spektrometer massa helium: detektor kebocoran eter.

Gambar 3

Gambar 4

Gambar 5

Sifat Mekanik
Uji Tekuk Las Fusi一 Kurva transisi ulet ke getas ditentukan untuk berbagai sambungan pada tungsten murni. Kurva pada Gambar 9 menunjukkan bahwa DBTT dari dua logam dasar metalurgi serbuk adalah sekitar I 50°C. Biasanya, DBTT (suhu terendah di mana tikungan 90 hingga 105 derajat dapat dibuat) dari kedua bahan meningkat pesat setelah pengelasan. . Suhu transisi meningkat sekitar 175°C hingga nilai 325°C untuk tungsten metalurgi serbuk tipikal dan meningkat sekitar 235°C hingga nilai 385°C untuk material dengan porositas rendah dan eksklusif. Perbedaan DBTT material yang dilas dan tidak dilas disebabkan oleh ukuran butiran yang besar dan kemungkinan redistribusi pengotor pada lasan dan zona yang terkena dampak panas. Hasil pengujian menunjukkan bahwa DBTT las tungsten metalurgi serbuk tipikal lebih rendah dibandingkan bahan berpemilik, meskipun bahan tersebut memiliki porositas yang lebih kecil. DBTT yang lebih tinggi pada pengelasan pada tungsten dengan porositas rendah mungkin disebabkan oleh ukuran butirnya yang sedikit lebih besar, Gambar 3A dan 3C.
Hasil penyelidikan untuk menentukan DBTT untuk sejumlah sambungan pada tungsten murni dirangkum dalam Tabel 3. Uji tekuk cukup sensitif terhadap perubahan prosedur pengujian. Lekukan akar tampak lebih ulet dibandingkan lekukan muka. Pelepasan stres yang dipilih dengan tepat setelah pengelasan tampaknya menurunkan DBTT secara signifikan. Tungsten CVD, seperti yang dilas, memiliki DBTT tertinggi (560℃)；namun ketika diberi pelepas tegangan 1 jam sebesar 1000℃ setelah pengelasan, DBTT-nya turun menjadi 350℃. pelepas tegangan 1000°C setelah pengelasan, DBTT-nya turun hingga 350°C. Pelepasan tegangan tungsten metalurgi serbuk las busur selama 1 jam pada suhu 18000 C mengurangi DBTT bahan ini sekitar 100°C dari nilai yang ditentukan untuk itu sebagai- lasan. Pelepasan tegangan selama 1 jam pada suhu 1000°C pada sambungan yang dibuat dengan metode CVD menghasilkan DBTT terendah (200°C). Perlu dicatat bahwa, meskipun suhu transisi ini jauh lebih rendah dibandingkan suhu transisi lainnya yang ditentukan dalam penelitian ini, peningkatan tersebut mungkin dipengaruhi oleh laju regangan yang lebih rendah (0,1 vs 0,5 ipm) yang digunakan dalam pengujian pada sambungan CVD.

Uji Tekuk las braze-gas las tungsten-arc braze dibuat dengan Nb. Ta, Mo, Re, dan W-26% Re sebagai logam pengisi juga diuji tekuk dan hasilnya dirangkum dalam tabel 4. keuletan terbesar diperoleh dengan las renium braze.

Meskipun hasil penelitian sepintas ini menunjukkan bahwa logam pengisi yang berbeda dapat menghasilkan sambungan dengan sifat mekanik di dalam rumah las homogen pada tungsten, beberapa logam pengisi ini mungkin berguna dalam praktik.

Hasil untuk Paduan Tungsten.