Il tungsteno e le sue leghe possono essere uniti con successo mediante saldatura ad arco di tungsteno a gas,
brasatura con arco di tungsteno a gas, saldatura a fascio di elettroni e mediante deposizione di vapori chimici.

È stata valutata la saldabilità del tungsteno e di alcune delle sue leghe consolidate mediante tecniche di fusione ad arco, metallurgia delle polveri o deposizione chimica in fase vapore (CVD). La maggior parte dei materiali utilizzati erano fogli nominalmente spessi 0,060 pollici. I processi di giunzione impiegati erano (1) saldatura ad arco di tungsteno a gas, (2) brasatura ad arco di tungsteno a gas, (3) saldatura a fascio di elettroni e (4) unione mediante CVD.
Il tungsteno è stato saldato con successo con tutti questi metodi, ma la solidità delle saldature è stata fortemente influenzata dai tipi di metalli di base e di apporto (ovvero prodotti in polvere o fusi ad arco). Ad esempio, le saldature nel materiale colato ad arco erano relativamente prive di porosità mentre le saldature nei prodotti di metallurgia delle polveri erano generalmente porose, in particolare lungo la linea di fusione. Per le saldature con arco di tungsteno gassoso (GTA) in fogli di tungsteno non legato da 1/1r, un preriscaldamento minimo di 150° C (che è risultata essere la temperatura di transizione duttile-fragile del metallo base) ha prodotto saldature prive di cricche. Come metalli di base, le leghe di tungsteno-renio erano saldabili senza preriscaldamento, ma anche la porosità costituiva un problema con i prodotti in polvere di leghe di tungsteno. Il preriscaldamento sembrava non influenzare la porosità della saldatura che era principalmente una funzione del tipo di metallo di base.
Le temperature di transizione duttile-fragile (DBIT) per le saldature ad arco di tungsteno gassoso in diversi tipi di tungsteno metallurgico delle polveri erano comprese tra 325 e 475° C, rispetto a 150° C per il metallo di base e quella di 425° C per saldatura a fascio di elettroni. tungsteno fuso ad arco.
La brasatura del tungsteno con metalli d'apporto diversi apparentemente non ha prodotto proprietà di giunzione migliori rispetto ad altri metodi di giunzione. Abbiamo utilizzato Nb, Ta, W-26% Re, Mo e Re come metalli d'apporto nelle saldature brasate. Il Nb e il Mo hanno causato gravi fessurazioni.

Unione mediante CVD a 510-560° C

ha eliminato quasi tutte le porosità tranne una piccola quantità ed ha eliminato anche i problemi associati alle alte temperature necessarie per la saldatura (come grani di grandi dimensioni nella saldatura e zone alterate dal calore).
Introduzione
Il tungsteno e le leghe a base di tungsteno vengono presi in considerazione per una serie di applicazioni nucleari e spaziali avanzate, tra cui dispositivi di conversione termoionica, veicoli di rientro, elementi di combustibile ad alta temperatura e altri componenti di reattori. I vantaggi di questi materiali sono la combinazione di temperature di fusione molto elevate, buona resistenza a temperature elevate, elevata conduttività termica ed elettrica e adeguata resistenza alla corrosione in determinati ambienti. Poiché la fragilità ne limita la lavorabilità, l'utilità di questi materiali nei componenti strutturali in condizioni di servizio rigorose dipende in gran parte dallo sviluppo di procedure di saldatura per fornire giunti con proprietà paragonabili al metallo di base. Pertanto, gli obiettivi di questi studi erano (1) determinare le proprietà meccaniche dei giunti prodotti mediante diversi metodi di giunzione in diversi tipi di tungsteno non legato e legato; (2) valutare gli effetti di varie modifiche nei trattamenti termici e nella tecnica di giunzione; e (3) dimostrare la fattibilità della fabbricazione di componenti di prova adatti per applicazioni specifiche.
Materiali
Tungsteno non legato m叮10 m. i fogli spessi erano il materiale di maggior interesse. Il tungsteno non legato in questo studio è stato prodotto mediante metallurgia delle polveri, fusione ad arco e tecniche di deposizione di vapori chimici. La tabella 1 mostra i livelli di impurità dei prodotti di metallurgia delle polveri, CVD e tungsteno fuso ad arco così come ricevuti. La maggior parte rientra negli intervalli nominali presenti nel tungsteno

ma va notato che il materiale CVD conteneva quantità di fluoro superiori alla norma.
Varie dimensioni e forme di tungsteno e leghe di tungsteno sono state unite per il confronto. La maggior parte di essi erano prodotti della metallurgia delle polveri, sebbene alcuni materiali fusi ad arco fossero anche saldati. Sono state utilizzate configurazioni specifiche per determinare la fattibilità delle strutture e dei componenti dell'edificio. Tutti i materiali sono stati ricevuti completamente lavorati a freddo, ad eccezione del tungsteno CVD, che è stato ricevuto come depositato. A causa della maggiore fragilità del tungsteno ricristallizzato e a grana grossa, il materiale è stato saldato in condizioni lavorate per ridurre al minimo la crescita dei grani nella zona alterata dal calore. A causa del costo elevato del materiale e delle quantità relativamente piccole disponibili, abbiamo progettato campioni di prova che utilizzassero la quantità minima di materiale compatibile con l'ottenimento delle informazioni desiderate.
Procedura
Poiché la temperatura di transizione duttile-fragile (DBTT) del tungsteno è superiore alla temperatura ambiente, è necessario prestare particolare attenzione nella manipolazione e nella lavorazione per evitare fessurazioni1. La cesoiatura provoca la rottura dei bordi e abbiamo riscontrato che la molatura e la lavorazione con elettroerosione lasciano tracce di calore sulla superficie. A meno che non vengano rimosse mediante lappatura, queste crepe potrebbero propagarsi durante la saldatura e il successivo utilizzo.
Il tungsteno, come tutti i metalli refrattari, deve essere saldato in un'atmosfera molto pura di gas inerte (processo ad arco di tungsteno con gas) o vuoto (fascio di elettroni pro:::ess)2 per evitare la contaminazione della saldatura da parte di elementi interstiziali. Poiché il tungsteno ha il punto di fusione più alto di tutti i metalli (3410° C), le apparecchiature di saldatura devono essere in grado di resistere alle elevate temperature di servizio.

Tabella 1

Sono stati utilizzati tre diversi processi di saldatura: saldatura ad arco di tungsteno a gas, saldobrasatura ad arco di tungsteno a gas e saldatura a fascio di elettroni. Per ciascun materiale sono state determinate le condizioni di saldatura necessarie per la completa penetrazione con un apporto energetico minimo. Prima della saldatura, il materiale in lamiera veniva lavorato a macchina. grezzi larghi e sgrassati con alcool etilico. Il design del giunto era una scanalatura quadrata senza apertura della radice.
Saldatura ad arco di tungsteno a gas
Tutte le saldature automatiche e manuali con arco di tungsteno a gas sono state effettuate in un forno mantenuto al di sotto di 5 x I o. torr per circa 1 ora e poi riempito con argon purissimo. Come mostrato in Fig. 1A, la camera era dotata di un meccanismo di spostamento e di una testa della torcia per la saldatura automatica. Il pezzo era tenuto in un dispositivo di rame provvisto di inserti di tungsteno in tutti i punti di contatto per evitare che venisse brasato al pezzo dalla battuta di saldatura. La base di questo apparecchio ospitava i riscaldatori elettrici a cartuccia che preriscaldavano il lavoro alla temperatura desiderata, Fig. 1 B. Tutte le saldature sono state eseguite ad una velocità di spostamento di 10 ipm, una corrente di circa 350 amp e una tensione compresa tra 10 e 15 v .
Saldobrasatura a gas tungsteno-A『c
Le saldature saldobrasate a gas tungsteno sono state effettuate in camera d'aria con atmosfera inerte mediante tecniche simili a quelle

quelli sopra descritti. Le saldature brasate a cordone realizzate con tungsteno e metallo d'apporto W—26% Re sono state eseguite manualmente; tuttavia, le saldature brasate di testa sono state saldate automaticamente dopo che il metallo d'apporto è stato posizionato nel giunto di testa.
Saldatura a fascio di elettroni
Le saldature a fascio di elettroni sono state effettuate in una macchina da 150 kV 20 mA. Durante la saldatura è stato mantenuto un vuoto di circa 5 x 1 o-6 torr. La saldatura a fascio di elettroni determina un rapporto molto elevato tra profondità e larghezza e una zona influenzata dal calore ristretta.
』Unione mediante disposizione dei vapori chimici
I giunti in tungsteno sono stati realizzati depositando metallo d'apporto in tungsteno non legato tramite il processo di deposizione chimica da vapore3. Il tungsteno è stato depositato mediante riduzione con idrogeno dell'esafluoruro di tungsteno secondo la reazione t
Calore
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
L'uso di questa tecnica per l'unione richiedeva solo modifiche minori negli elementi di fissaggio e nella distribuzione del flusso dei reagenti. Il vantaggio principale di questo processo rispetto ai metodi di giunzione più convenzionali è che, poiché le basse temperature impiegate (da 510 a 650 °C) sono molto inferiori al punto di fusione del

tungsteno (3410 ° C), la ricristallizzazione e la possibile ulteriore infragilimento del metallo base di tungsteno lavorato a causa di impurità o crescita di grani sono ridotti al minimo.
Sono stati fabbricati diversi progetti di giunti, comprese le chiusure di testa e di estremità dei tubi. La deposizione è stata eseguita con l'ausilio di un mandrino di rame utilizzato come dispositivo di fissaggio, pezzo di allineamento e substrato. Dopo che la deposizione fu completata, il mandrino di rame venne rimosso mediante incisione. Poiché altri lavori hanno dimostrato che il tungsteno CVD possiede sollecitazioni residue complesse una volta depositato, questi giunti sono stati sottoposti a stress relicvcd per un'ora a una temperatura compresa tra 1000 ° e 1600 ° C prima della lavorazione o del test.
Ispezione e test
I giunti sono stati ispezionati visivamente, mediante liquidi penetranti e radiografia prima di essere testati. Le saldature tipiche sono state analizzate chimicamente per ossigeno e azoto (Tabella 2) e durante lo studio sono stati eseguiti approfonditi esami metallografici.
A causa della sua intrinseca semplicità e adattabilità a piccoli campioni, la prova di piegatura è stata utilizzata come criterio principale per l'integrità del giunto e per la comparazione dei processi. Le temperature di transizione duttile-fragile sono state determinate con un apparecchio di flessione a tre punti per giunti sia saldati che dopo l'invecchiamento. Il provino base per le prove di piega era quello longitudinale

curvatura della faccia, lunga 24 t e larga 12 t, dove t è lo spessore del provino. I campioni sono stati supportati su una campata di 15 t e piegati con uno stantuffo di raggio 4 t ad una velocità di 0,5 ipm. Questa geometria tendeva a normalizzare i dati ottenuti su vari spessori di materiali. I provini venivano solitamente piegati trasversalmente al cordone di saldatura (campione piegato longitudinalmente) per fornire una deformazione uniforme della saldatura, della zona interessata dal calore e del metallo di base; tuttavia, alcuni provini sono stati piegati lungo il cordone di saldatura (provino con piega trasversale) per confronto. Nelle parti iniziali dell'indagine sono state utilizzate le piegature del viso; tuttavia, a causa della leggera tacca riscontrata sui bordi della maggior parte delle saldature dovuta al peso del metallo fuso, nei test successivi sono state sostituite le pieghe della radice. Le raccomandazioni del Materials Advisory Board6 relative alle prove di piegatura dei provini in lamiera sono state seguite il più fedelmente possibile. A causa del materiale limitato, sono stati selezionati gli esemplari più piccoli consigliabili.
Per determinare la temperatura di transizione della piegatura, l'apparato di piegatura è stato racchiuso in un forno in grado di aumentare rapidamente la temperatura fino a 500°C. Una piegatura compresa tra 90 e 105 gradi è stata considerata una piegatura completa. Il DBTT è stato definito come la temperatura più bassa alla quale il campione si piega completamente senza scricchiolare. Sebbene i test siano stati condotti in aria, lo scolorimento dei campioni non è stato evidente finché la temperatura del test non ha raggiunto i 400°C.

Figura 1

Risultati per tungsteno non legato
Saldabilità generale
Saldatura ad arco di tungsteno a gas: nella saldatura ad arco di tungsteno a gas da 1 pollice. lamiera spessa non legata, il lavoro deve essere sostanzialmente preriscaldato per evitare rotture fragili sotto stress indotto dallo shock termico. La Figura 2 mostra una tipica frattura prodotta dalla saldatura senza adeguato preriscaldamento. Nella frattura sono evidenti la grande dimensione dei grani e la forma della saldatura e della zona alterata dal calore. L'analisi delle temperature di preriscaldamento dalla temperatura ambiente a 540°C ha dimostrato che il preriscaldamento ad un minimo di 150°C era necessario per una produzione costante di saldature di testa a passaggio singolo prive di cricche. Questa temperatura corrisponde al DBTI del metallo base. Il preriscaldamento a temperature più elevate non sembra essere necessario in questi test, ma materiali con un DBTI più elevato o configurazioni che comportano concentrazioni di stress più severe o parti più massicce possono richiedere il preriscaldamento a temperature più elevate.
La qualità di una saldatura dipende in gran parte dalle procedure utilizzate nella fabbricazione dei metalli di base. Le saldature autogene nel tungsteno fuso ad arco sono essenzialmente prive di porosità, Fig.
3A, ma le saldature nel tungsteno metallurgico delle polveri sono caratterizzate da porosità grossolana, Fig. 3 (b), in particolare lungo la linea di fusione. La quantità di questa porosità, Fig. 3B, in particolare lungo 3C, nelle saldature realizzate con un prodotto brevettato a bassa porosità (GE-15 prodotto da General Electric Co., Cleveland).
Le saldature ad arco di tungsteno a gas nel tungsteno CVD presentano zone insolite influenzate dal calore a causa della struttura del grano del metaF di base. La Figura 4 mostra la faccia e la corrispondente sezione trasversale di tale saldatura di testa ad arco di tungsteno a gas. Si noti che i grani fini sulla superficie del substrato sono cresciuti a causa del calore della saldatura. Evidente anche la mancata crescita del grosso colonnare

cereali. I grani colonnari contengono gas
bolle ai bordi del grano causate da impurità di fluorme8. Di conseguenza, se
la superficie del substrato a grana fine viene rimossa prima della saldatura, la saldatura non contiene una zona alterata dal calore rilevabile metallograficamente. Naturalmente, nei materiali CVD lavorati (come tubi estrusi o trafilati) la zona della saldatura termicamente alterata presenta la normale struttura del grano ricristallizzato.
Sono state trovate crepe nei confini dei grani colonnari nel RAZ di diverse saldature nel tungsteno CVD. Questa fessurazione, mostrata in Fig. 5, è stata causata dalla rapida formazione e crescita di bolle ai bordi dei grani ad alte temperature9. Alle alte temperature coinvolte nella saldatura, le bolle erano in grado di consumare gran parte dell'area di confine del grano; questo, combinato con lo stress prodotto durante il raffreddamento, ha separato i bordi del grano per formare una fessura. Uno studio sulla formazione di bolle nei depositi di tungsteno e altri metalli durante il trattamento termico mostra che le bolle si verificano nei metalli depositati al di sotto di 0,3 Tm (la temperatura di fusione omologa). Questa osservazione suggerisce che le bolle di gas si formano per coalescenza di posti vacanti e gas intrappolati durante la ricottura. Nel caso del tungsteno CVD, il gas è probabilmente fluoro o un composto del fluoro
Saldatura a fascio di elettroni: il tungsteno non legato è stato saldato a fascio di elettroni con e senza preriscaldamento. La necessità di preriscaldamento variava a seconda del campione. Per garantire una saldatura priva di cricche, si consiglia un preriscaldamento almeno al DBTT del metallo base. Anche le saldature a fascio di elettroni nei prodotti della metallurgia delle polveri presentano la porosità di saldatura menzionata in precedenza.

Saldobrasatura ad arco di tungsteno a gas一Nel tentativo di stabilire se la brasatura potesse essere utilizzata in modo vantaggioso, abbiamo sperimentato il processo ad arco di tungsteno a gas per effettuare saldature con brasatura su fogli di tungsteno mediante metallurgia delle polveri、 Le saldature con brasatura sono state effettuate preposizionando il metallo d'apporto lungo il giunto di testa prima della saldatura. Le saldature brasate sono state prodotte con Nb, Ta, Mo, Re e W-26% Re non legati come metalli d'apporto. Come previsto, era presente porosità sulla linea di fusione nelle sezioni metallografiche di tutti i giunti (Fig. 6) poiché i metalli di base erano prodotti della metallurgia delle polveri. Le saldature effettuate con metalli d'apporto di niobio e molibdeno si sono incrinate.
Le durezze delle saldature e delle saldature brasate sono state confrontate mediante uno studio di saldature cordone su piastra realizzate con tungsteno non legato e W一26% Re come metalli d'apporto. Le saldature ad arco di tungsteno gassoso e le saldature brasate sono state eseguite manualmente su prodotti metallurgici delle polveri di tungsteno non legati (il grado proprietario a bassa porosità (GE-15) e un tipico grado commerciale). Le saldature e le brasature in ciascun materiale sono state invecchiate a 900, 1200, 1600 e 2000°C per 1, 10, 100 e 1000 ore. I campioni sono stati esaminati metallograficamente e le traverse di durezza sono state rilevate attraverso la saldatura, la zona alterata dal calore e il metallo di base sia come saldato che dopo il trattamento termico.

Tabella 2

Figura2

Poiché i materiali utilizzati in questo studio erano prodotti della metallurgia delle polveri, nei depositi di saldatura e brasatura erano presenti quantità variabili di porosità. Ancora una volta, i giunti realizzati con il tipico metallo a base di tungsteno ottenuto dalla metallurgia delle polveri presentavano una maggiore porosità rispetto a quelli realizzati con il tungsteno brevettato a bassa porosità. Le saldature brasate realizzate con metallo d'apporto W—26% Re presentavano meno porosità rispetto alle saldature realizzate con metallo d'apporto di tungsteno non legato.
Non è stato riscontrato alcun effetto del tempo o della temperatura sulla durezza delle saldature effettuate con tungsteno non legato come metallo d'apporto. Una volta saldati, le misurazioni della durezza dei metalli di saldatura e di base erano essenzialmente costanti e non cambiavano dopo l'invecchiamento. Tuttavia, le saldature brasate realizzate con il metallo d'apporto W—26% Re erano considerevolmente più dure rispetto al metallo di base (Fig. 7). Probabilmente la maggiore durezza del deposito di saldatura W-Re brèe era dovuta all'indurimento in soluzione solida e/o alla presenza di fase er finemente distribuita nella struttura solidificata. Il diagramma di fase del tungstenorenio11 mostra che aree localizzate ad alto contenuto di renio potrebbero formarsi durante un raffreddamento rapido e provocare la formazione della fase più dura e fragile nella sottostruttura altamente segregata. È possibile che la fase er fosse finemente dispersa nei grani o nei bordi dei grani, sebbene nessuna fosse abbastanza grande da essere identificata mediante esame metallografico o diffrazione di raggi X.
La durezza viene tracciata in funzione della distanza dalla linea centrale della brasatura-saldatura per diverse temperature di invecchiamento nella Fig. 7A. Da notare il brusco cambiamento

in durezza sulla linea di fusione. Con l'aumento della temperatura di invecchiamento, la durezza della brasatura diminuisce finché, dopo 100 ore a J 600° C, la durezza era uguale a quella del metallo base di tungsteno non legato. Questa tendenza alla diminuzione della durezza con l’aumento della temperatura è rimasta vera per tutti i tempi di invecchiamento. L'aumento del tempo a temperatura costante ha causato anche una diminuzione simile della durezza, come mostrato per una temperatura di invecchiamento di 1200° C in Fig. 7B.
Unione mediante deposizione di vapore chimico: la giunzione del tungsteno mediante tecniche CVD è stata studiata come metodo per produrre saldature in vari modelli di campioni. Utilizzando dispositivi e maschere appropriati per limitare la deposizione nelle aree desiderate, sono stati uniti fogli di tungsteno per CVD e metallurgia delle polveri e sono state prodotte chiusure terminali sui tubi. La deposizione in uno smusso con un angolo incluso di circa 90 gradi ha prodotto fessurazioni, Fig. 8A, alle intersezioni dei grani colonnari che crescono da una faccia dello smusso e del substrato (che è stato rimosso mediante incisione). Tuttavia, sono stati ottenuti giunti ad elevata integrità senza fessurazioni o accumulo grossolano di impurità, Fig. 8B, quando la configurazione del giunto è stata modificata molando la faccia del metallo di base con un raggio di 飞in. tangente alla radice della saldatura. Per dimostrare un'applicazione tipica di questo processo nella fabbricazione di elementi combustibili, sono state realizzate alcune chiusure terminali in tubi di tungsteno. Questi giunti erano a tenuta stagna quando testati con un rilevatore di perdite con spettrometro di massa di elio.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Proprietà meccaniche
Test di piegatura delle saldature per fusione一Sono state determinate curve di transizione da duttile a fragile per vari giunti in tungsteno non legato. Le curve in Fig. 9 mostrano che il DBTT di due metalli base della metallurgia delle polveri era di circa 1 50° C. Tipicamente, il DBTT (la temperatura più bassa alla quale è possibile effettuare una piegatura da 90 a 105 gradi) di entrambi i materiali aumentava notevolmente dopo la saldatura . Le temperature di transizione sono aumentate di circa 175°C fino ad un valore di 325°C per il tungsteno tipico della metallurgia delle polveri e sono aumentate di circa 235°C fino ad un valore di 385°C per il materiale brevettato a bassa porosità. La differenza nei DBTT del materiale saldato e non saldato è stata attribuita alla grande dimensione dei grani e alla possibile ridistribuzione delle impurità delle saldature e delle zone alterate dal calore. I risultati dei test mostrano che il DBTT delle tipiche saldature di tungsteno realizzate mediante metallurgia delle polveri era inferiore a quello del materiale brevettato, anche se quest'ultimo aveva una porosità inferiore. Il DBTT più elevato della saldatura nel tungsteno a bassa porosità potrebbe essere dovuto alla dimensione del grano leggermente più grande, Fig. 3A e 3C.
I risultati delle indagini per determinare il DBTT per un numero di giunti in tungsteno non legato sono riepilogati nella Tabella 3. Le prove di piegatura erano piuttosto sensibili ai cambiamenti nella procedura di prova. Le curve della radice sembravano essere più duttili delle curve della faccia. Una distensione opportunamente selezionata dopo la saldatura sembrava ridurre sostanzialmente il DBTT. Il tungsteno CVD aveva, come saldato, il DBTT più alto (560 ℃); tuttavia, quando gli è stato somministrato un sollievo dallo stress di 1 ora di 1000 ℃ dopo la saldatura, il suo DBTT è sceso a 350 ℃. la distensione dello stress di 1000° C dopo la saldatura, il suo DBTT è sceso a 350° C. La distensione dello stress del tungsteno metallurgico delle polveri saldato ad arco per 1 ora a 18000 C ha ridotto il DBTT di questo materiale di circa 100° C dal valore determinato per esso saldato. Una distensione di 1 ora a 1000° C su un giunto realizzato con metodi CVD ha prodotto il DBTT più basso (200° C). Va notato che, sebbene questa temperatura di transizione fosse considerevolmente inferiore a qualsiasi altra temperatura di transizione determinata in questo studio, il miglioramento è stato probabilmente influenzato dalla velocità di deformazione inferiore (0,1 vs 0,5 ipm) utilizzata nei test sulle articolazioni CVD.

Bend Test di saldature saldobrasate-gas-tungsteno-arco effettuate con Nb. Anche Ta, Mo, Re e W-26% Re come metalli d'apporto sono stati sottoposti a test di piegatura e i risultati sono riepilogati nella tabella 4. La massima duttilità è stata ottenuta con una saldatura brasata al renio.

Sebbene i risultati di questo studio superficiale indichino che un metallo d'apporto diverso può produrre giunti con proprietà meccaniche inferiori a migliaia di saldature omogenee nel tungsteno, alcuni di questi metalli d'apporto possono essere utili nella pratica.

Risultati per le leghe di tungsteno.