텅스텐과 그 합금은 가스 텅스텐-아크 용접으로 성공적으로 접합될 수 있습니다.
가스 텅스텐 아크 브레이징 용접, 전자빔 용접 및 화학 기상 증착에 의한 용접.

아크 주조, 분말 야금 또는 화학 기상 증착(CVD) 기술을 통해 통합된 텅스텐과 다양한 합금의 용접성이 평가되었습니다. 사용된 재료의 대부분은 명목상 0.060인치 두께의 시트였습니다. 사용된 접합 공정은 (1) 가스 텅스텐-아크 용접, (2) 가스 텅스텐-아크 납땜 용접, (3) 전자빔 용접 및 (4) CVD에 의한 접합이었습니다.
텅스텐은 이러한 모든 방법으로 성공적으로 용접되었지만 용접의 건전성은 모재 및 용가재(예: 분말 또는 아크 주조 제품)의 유형에 따라 크게 영향을 받았습니다. 예를 들어, 아크 주조 재료의 용접부는 상대적으로 다공성이 없는 반면, 분말 야금 제품의 용접부는 일반적으로 특히 용융 라인을 따라 다공성이 있었습니다. 1/1r, in. 비합금 텅스텐 시트의 가스 텅스텐-아크(GTA) 용접의 경우 최소 150°C 예열(모재 금속의 연성-취성 전이 온도로 밝혀짐)로 균열 없는 용접이 생성되었습니다. 모재인 텅스텐-레늄 합금은 예열 없이도 용접이 가능했지만, 텅스텐 합금 분말 제품에서는 기공률도 문제가 됐다. 예열은 주로 모재 유형의 함수인 용접 다공성에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다.
다양한 유형의 분말 야금 텅스텐의 가스 텅스텐-아크 용접에 대한 연성-취성 전이 온도(DBIT)는 325~475°C였으며, 이는 모재 금속의 경우 150°C, 전자 빔 용접의 경우 425°C였습니다. 아크 주조 텅스텐.
서로 다른 용가재를 사용한 텅스텐의 브레이징 용접은 다른 접합 방법보다 접합 특성이 더 좋지 않은 것으로 보입니다. 우리는 브레이징 용접에서 필러 금속으로 Nb, Ta, W-26% Re, Mo 및 Re를 사용했습니다. Nb와 Mo는 심각한 균열을 일으켰습니다.

510~560°C에서 CVD로 접합

소량의 다공성을 제외하고 모두 제거했으며 용접에 필요한 고온과 관련된 문제(예: 용접 및 열 영향부의 큰 입자)도 제거했습니다.
소개
텅스텐 및 텅스텐 기반 합금은 열이온 변환 장치, 재진입체, 고온 연료 요소 및 기타 원자로 구성 요소를 포함한 다양한 첨단 핵 및 우주 응용 분야에 고려되고 있습니다. 이러한 재료의 장점은 매우 높은 용융 온도, 높은 온도에서의 우수한 강도, 높은 열 및 전기 전도성, 특정 환경에서의 적절한 부식 저항성의 조합입니다. 취성으로 인해 제작성이 제한되기 때문에 엄격한 사용 조건에서 구조 부품에 사용되는 이러한 재료의 유용성은 모재 금속과 특성이 비슷한 접합부를 제공하는 용접 절차의 개발에 크게 좌우됩니다. 따라서 이러한 연구의 목적은 (1) 여러 유형의 비합금 및 합금 텅스텐에서 다양한 접합 방법으로 생성된 접합의 기계적 특성을 결정하고; (2) 열처리 및 접합 기술의 다양한 변형 효과를 평가합니다. (3) 특정 응용 분야에 적합한 테스트 구성 요소를 제작할 수 있는 가능성을 입증합니다.
재료
비합금 텅스텐 m叮10 m. 두꺼운 시트가 가장 관심을 끄는 소재였습니다. 본 연구에서 비합금 텅스텐은 분말 야금, 아크 주조 및 화학 기상 증착 기술을 통해 생산되었습니다. 표 1은 분말 야금, CVD 및 아크 주조 텅스텐 제품을 받은 당시의 불순물 수준을 보여줍니다. 대부분은 명목상 텅스텐에서 발견되는 범위 내에 속합니다.

그러나 CVD 재료는 일반적인 양보다 더 많은 양의 불소를 함유하고 있다는 점에 유의해야 합니다.
비교를 위해 다양한 크기와 모양의 텅스텐 및 텅스텐 합금을 결합했습니다. 일부 아크캐스트 재료도 용접되기도 했지만 대부분은 분말야금 제품이었다. 건물 구조와 구성 요소의 타당성을 결정하기 위해 특정 구성이 사용되었습니다. 증착된 상태로 받은 CVD 텅스텐을 제외하고 모든 재료는 완전히 냉간 가공된 상태로 받았습니다. 재결정화되고 큰 입자의 텅스텐의 증가된 취성 때문에 재료는 열 영향 구역에서 입자 성장을 최소화하기 위해 작업된 조건에서 용접되었습니다. 재료의 가격이 높고 사용 가능한 양이 상대적으로 적기 때문에 원하는 정보를 얻는 데 필요한 재료의 최소량을 사용하는 테스트 표본을 설계했습니다.
절차
텅스텐의 연성-취성 전이 온도(DBTT)가 실온보다 높으므로 취급 및 가공 시 균열1을 방지하기 위해 특별한 주의를 기울여야 합니다. 전단은 가장자리 균열을 일으키며 연삭 및 방전 가공으로 인해 표면에 열 체크가 남는다는 사실을 발견했습니다. 랩핑으로 제거하지 않으면 용접 및 후속 사용 중에 이러한 균열이 전파될 수 있습니다.
모든 내화 금속과 마찬가지로 텅스텐은 틈새로 인한 용접 오염을 방지하기 위해 불활성 가스(가스 텅스텐-아크 공정) 또는 진공(전자빔 pro:::ess)2의 매우 순수한 분위기에서 용접되어야 합니다. 텅스텐은 모든 금속 중 녹는점이 가장 높기 때문에(3410°C) 용접 장비는 높은 사용 온도를 견딜 수 있어야 합니다.

표 1

가스 텅스텐-아크 용접, 가스 텅스텐-아크 납땜 용접 및 전자빔 용접의 세 가지 용접 공정이 사용되었습니다. 최소한의 에너지 투입으로 완전한 용접에 필요한 용접조건을 각 재료별로 결정하였다. 용접하기 전에 시트 재료를 囚in으로 가공했습니다. 넓은 공백과 에틸 알코올로 탈지. 조인트 디자인은 루트 개구부가 없는 사각형 홈이었습니다.
가스 텅스텐 아크 용접
모든 자동 및 수동 가스 텅스텐-아크 용접은 5 x I 또는 이하로 유지되는 ehamher에서 이루어졌습니다. torr로 약 1시간 동안 주입한 후 매우 순수한 아르곤으로 다시 채웠습니다. 그림 1A에서 볼 수 있듯이 챔버에는 자동 용접을 위한 횡단 메커니즘과 토치 헤드가 장착되어 있습니다. 작업물은 용접 비트에 의해 작업물에 납땜되는 것을 방지하기 위해 모든 접촉 지점에 텅스텐 인서트가 제공된 구리 고정 장치에 고정되었습니다. 이 고정 장치의 베이스에는 작업물을 원하는 온도로 예열하는 전기 카트리지 히터가 들어있습니다(그림 1B). 모든 용접은 이동 속도 10ipm, 유류 약 350amp, 전압 10~15v에서 이루어졌습니다. .
가스 텅스텐-A'c 브레이즈 용접
가스 텅스텐 브레이징 용접은 다음과 유사한 기술을 사용하여 불활성 분위기의 챔버에서 만들어졌습니다.

위에서 설명한 것들. 텅스텐과 W-26% Re 필러 금속으로 만든 비드 온플레이트 납땜 용접은 수동으로 만들어졌습니다. 그러나 맞대기 납땜 용접은 용가재를 맞대기 이음에 배치한 후 자동으로 용접되었습니다.
전자빔 용접
전자빔 용접은 150kV 20mA 기계에서 이루어졌습니다. 용접하는 동안 약 5 x 10-6 torr의 진공이 유지되었습니다. 전자빔 용접은 폭에 대한 깊이의 비율이 매우 높고 열 영향을 받는 부분이 좁습니다.
'화학적 증기 처리에 의한 추출
텅스텐 조인트는 화학 기상 증착 공정3을 통해 비합금 텅스텐 필러 금속을 증착하여 만들어졌습니다. t 반응에 따라 육불화텅스텐을 수소환원시켜 텅스텐을 석출시켰다.
열
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
결합을 위해 이 기술을 사용하려면 설비와 반응물 흐름 분포에 약간의 변화만 필요했습니다. 보다 전통적인 접합 방법에 비해 이 공정의 주요 장점은 사용되는 저온(510~650°C)이 용융점보다 훨씬 낮다는 것입니다.

텅스텐(3410°C), 재결정화 및 불순물이나 결정립 성장에 의한 단조 텅스텐 모재 금속의 추가 취성 가능성이 최소화됩니다.
맞대기 및 튜브 엔드 클로저를 포함한 여러 조인트 디자인이 제작되었습니다. 고정물, 정렬 부품 및 기판으로 사용된 구리 맨드릴을 사용하여 증착을 수행했습니다. 증착이 완료된 후 Eopper 맨드릴을 에칭으로 제거했습니다. 다른 연구에서는 CVD 텅스텐이 증착된 상태에서 복잡한 잔류 응력을 갖고 있음을 보여주었기 때문에 이러한 접합부는 가공 또는 테스트 전에 1000°~1600°C에서 1시간 동안 응력이 남아 있었습니다.
검사 및 테스트
접합부는 테스트하기 전에 육안 검사와 액체 침투제 및 방사선 촬영을 통해 검사되었습니다. 일반적인 용접은 산소와 질소에 대해 화학적으로 분석되었으며(표 2) 연구 전반에 걸쳐 광범위한 금속 조직 검사가 수행되었습니다.
고유한 단순성과 작은 시편에 대한 적응성으로 인해 굽힘 테스트는 접합 무결성 및 공정 비교에 대한 주요 기준으로 사용되었습니다. 연성-취성 전이 온도는 용접된 상태와 시효 후 조인트에 대해 3점 굽힘 장치를 사용하여 결정되었습니다. 굽힘 시험을 위한 기본 시편은 세로형 시편이었다.

길이 24t, 너비 12t의 면 굴곡. 여기서 t는 시편 두께입니다. 시편은 15t 스팬으로 지지되었고 반경 4t의 플런저를 사용하여 0.5ipm의 속도로 구부러졌습니다. 이 형상은 다양한 두께의 재료에서 얻은 데이터를 정규화하는 경향이 있습니다. 용접부, 열 영향부 및 모재의 균일한 변형을 제공하기 위해 시편은 일반적으로 용접 이음새를 가로질러 굽혔습니다(세로 굽힘 시편). 그러나 비교를 위해 용접 이음새(가로 굽힘 시편)를 따라 몇 개의 시편을 구부렸습니다. 조사 초기 부분에서는 페이스 벤드가 사용되었습니다. 그러나 용융 금속의 무게로 인해 대부분의 용접 부위에 약간의 노치가 발견되었기 때문에 이후 테스트에서는 루트 굴곡이 대체되었습니다. 시트 시편의 굽힘 시험과 관련된 재료 자문위원회6의 권장 사항을 최대한 준수했습니다. 제한된 재료로 인해 가장 작은 권장 표본이 선택되었습니다.
굽힘 전이 온도를 결정하기 위해 굽힘 장치를 500℃까지 신속하게 온도를 올릴 수 있는 용광로에 넣었다. 90~105도의 굽힘을 완전 굽힘으로 간주했다. DBTT는 시편이 삐걱거리지 않고 완전히 구부러지는 최저 온도로 정의됩니다. 시험은 공기 중에서 실시되었으나 시험온도가 400℃에 도달할 때까지 시편의 변색은 뚜렷하지 않았다.

그림 1

비합금 텅스텐에 대한 결과
일반 용접성
가스 Turzgstea-아크 용접 - 1乍in의 가스 텅스텐-아크 용접에서. 두꺼운 비합금 시트의 경우, 열 충격으로 인한 응력 하에서 취성 파손을 방지하기 위해 작업물을 충분히 예열해야 합니다. 그림 2는 적절한 예열 없이 용접으로 인해 발생하는 전형적인 파손을 보여줍니다. 용접부와 열영향부의 큰 입자 크기와 모양은 파손에서 분명하게 나타납니다. 실온에서 540°C까지 예열 온도를 조사한 결과, 균열이 없는 단일 패스 맞대기 용접을 일관되게 생산하려면 최소 150°C까지 예열하는 것이 필요하다는 사실이 나타났습니다. 이 온도는 모재의 DBTI에 해당합니다. 이 테스트에서는 더 높은 온도로 예열하는 것이 필요하지 않은 것으로 보였지만 DBTI가 더 높은 재료 또는 더 심각한 응력 집중 또는 더 큰 부품을 포함하는 구성에는 더 높은 온도로 예열이 필요할 수 있습니다.
용접물의 품질은 모재를 제작하는 데 사용되는 절차에 따라 크게 달라집니다. 아크 주조 텅스텐의 자가 용접은 본질적으로 다공성이 없습니다(그림 1).
그러나 분말 야금 텅스텐의 용접은 특히 융합 라인을 따라 그림 3(b)의 총 다공성이 특징입니다. 이 다공성의 양은 그림 3B, 특히 3C를 따라 독점적인 저 다공성 제품(클리블랜드의 General Electric Co.에서 생산한 GE-15)으로 만들어진 용접에서 나타납니다.
CVD 텅스텐의 가스 텅스텐-아크 용접은 기본 메타F의 결정 구조로 인해 특이한 열 영향 영역을 갖습니다. 그림 4는 가스 텅스텐-아크 맞대기 용접의 면과 해당 단면을 보여줍니다. 용접열로 인해 기판 표면의 미세한 입자가 성장했다는 점에 유의하십시오. 또한 큰 기둥의 성장이 부족하다는 것도 분명합니다.

작살. 기둥 모양의 입자에는 가스가 있습니다.
형석 불순물로 인한 결정립 경계의 기포8. 결과적으로 만약
용접 전에 미세 입자 표면을 제거한 경우, 용접물에는 금속학적으로 감지할 수 있는 열 영향부가 포함되어 있지 않습니다. 물론 가공된 CVD 재료(예: 압출 또는 인발 튜브)에서 용접의 열 영향 영역은 일반적인 재결정 입자 구조를 갖습니다.
CVD 텅스텐의 여러 용접부 RAZ의 기둥형 결정립계에서 균열이 발견되었습니다. 그림 5에 표시된 이러한 균열은 고온에서 결정립계에 기포가 빠르게 형성되고 성장함으로써 발생했습니다9. 용접과 관련된 고온에서 기포는 결정립 경계 영역의 대부분을 소모할 수 있었습니다. 이는 냉각 중에 생성된 응력과 결합되어 결정립 경계를 잡아당겨 균열을 형성했습니다. 열처리 중 텅스텐 및 기타 금속 침전물의 기포 형성에 대한 연구에 따르면 0.3Tm(동종 용융 온도) 미만으로 증착된 금속에서 기포가 발생하는 것으로 나타났습니다. 이러한 관찰은 어닐링 동안 포획된 공극과 가스의 유착에 의해 가스 기포가 형성된다는 것을 시사합니다. CVD 텅스텐의 경우 가스는 아마도 불소 또는 불화물 화합물일 것입니다.
전자빔 용접 - 비합금 텅스텐은 예열 유무에 관계없이 전자빔 용접되었습니다. 예열의 필요성은 시편에 따라 다양합니다. 균열 없는 용접을 보장하려면 최소한 모재 금속의 DBTT까지 예열하는 것이 좋습니다. 분말야금 제품의 전자빔 용접 역시 앞서 언급한 용접 다공성을 갖습니다.

가스 텅스텐-아크 브레이징 용접一브레이징 용접이 유리하게 사용될 수 있는지 확인하기 위해 분말 야금 텅스텐 시트에 브레이징 용접을 만드는 가스 텅스텐 아크 공정을 실험했습니다. 브레이징 용접은 용접 금속을 따라 용접하여 만들어졌습니다. 용접 전 맞대기 이음. 납땜 용접부는 비합금 Nb, Ta, Mo, Re 및 W-26% Re를 용가재로 사용하여 생산되었습니다. 예상한 대로 모재 금속이 분말 야금 제품이었기 때문에 모든 조인트의 금속 조직 단면의 융합 라인에 다공성이 있었습니다(그림 6). 니오븀 및 몰리브덴 필러 금속으로 만든 용접부에 균열이 발생했습니다.
용접부와 브레이징 용접부의 경도는 비합금 텅스텐과 W=26% Re를 용가재로 사용하여 만든 비드 온 플레이트 용접 연구를 통해 비교되었습니다. 가스 텅스텐아크 용접 및 납땜 용접은 비합금 텅스텐 분말 야금 제품(낮은 다공성, 독점(GE-15) 등급 및 일반적인 상업 등급)에 수동으로 만들어졌습니다. 각 재료의 용접부와 납땜 용접부는 900, 1200, 1600 및 2000°C에서 1시간, 10시간, 100시간 및 1000시간 동안 시효 처리되었습니다. 시편은 금속조직학적으로 검사되었으며, 용접 당시와 열처리 후에 용접부, 열영향부, 모재에 걸쳐 경도 횡단이 이루어졌습니다.

표 2

그림2

본 연구에 사용된 재료는 분말야금 제품이기 때문에 용접 및 브레이징 용접 침전물에 다양한 양의 기공이 존재했습니다. 다시 말하지만, 일반적인 분말 야금 텅스텐 베이스 금속으로 만든 접합부는 다공성이 낮은 독점 텅스텐으로 만든 접합부보다 다공성이 더 컸습니다. W-26% Re 필러 금속으로 만든 브레이징 용접은 비합금 텅스텐 필러 금속으로 만든 용접보다 다공성이 적었습니다.
비합금 텅스텐을 용가재로 사용하여 만든 용접의 경도에 대한 시간이나 온도의 영향은 식별되지 않았습니다. 용접된 용접부와 모재의 경도 측정은 본질적으로 일정했으며 노화 후에도 변하지 않았습니다. 그러나 W-26% Re 필러 금속으로 만든 브레이징 용접은 모재 금속보다 생산 시 훨씬 더 단단했습니다(그림 7). 아마도 W-Re br立e 용접 증착물의 경도가 더 높은 것은 고용 경화 및/또는 응고된 구조에 미세하게 분포된 상이 존재하기 때문일 것입니다. 텅스텐레늄 상 다이어그램11은 급속 냉각 중에 레늄 함량이 높은 국부적인 영역이 발생할 수 있으며 결과적으로 고도로 분리된 하부 구조에서 단단하고 부서지기 쉬운 상이 형성될 수 있음을 보여줍니다. 아마도 금속 조직 검사나 X-선 회절로 식별할 만큼 큰 상은 없었지만 결정립이나 결정립 경계에 미세한 상이 분산되어 있었을 가능성이 있습니다.
경도는 그림 7A에서 서로 다른 노화 온도에 대한 납땜 용접 중심선으로부터의 거리의 함수로 표시됩니다. 급격한 변화에 주목하라

융합 라인의 경도. 시효 온도가 증가함에 따라 브레이즈 용접의 경도는 J 600°C에서 100시간 후 비합금 텅스텐 모재의 경도와 동일해질 때까지 감소했습니다. 온도가 증가함에 따라 경도가 감소하는 이러한 경향은 모든 노화 시간에 적용됩니다. 그림 7B에서 1200°C의 노화 온도에 대해 표시된 것처럼 일정한 온도에서 시간을 늘리면 경도가 유사하게 감소합니다.
화학 기상 증착에 의한 접합 - CVD 기술에 의한 텅스텐 접합은 다양한 시편 설계로 용접을 생성하는 방법으로 조사되었습니다. 원하는 영역으로 증착을 제한하기 위해 적절한 고정 장치와 마스크를 사용하여 CVD 및 분말 야금 텅스텐 시트를 결합하고 튜브의 엔드 클로저를 제작했습니다. 약 90°의 끼인 각도를 갖는 경사면에 증착하면 경사면의 한 면과 기판(에칭되어 제거됨)에서 성장하는 원주형 입자의 교차점에 균열이 발생합니다(그림 8A). 그러나 모재 금속의 면을 ±in 반경으로 연삭하여 접합 구성을 변경한 경우 균열이나 불순물의 심한 축적이 없는 높은 무결성 접합이 얻어졌습니다(그림 8B). 용접 루트에 접선. 연료 요소 제조에 이 공정을 적용하는 일반적인 방법을 보여주기 위해 텅스텐 튜브로 몇 개의 끝단 폐쇄 장치를 만들었습니다. 헬륨 질량 분광기 누출 감지기로 테스트했을 때 이러한 조인트는 누출이 없는 것으로 나타났습니다.

그림 3

그림 4

그림 5

기계적 성질
융합 용접의 굽힘 테스트 一연성-취성 전이 곡선은 비합금 텅스텐의 다양한 접합부에 대해 결정되었습니다. 그림 9의 곡선은 두 분말 야금 모재의 DBTT가 약 150°C임을 보여줍니다. 일반적으로 두 재료의 DBTT(90~105도 굽힘이 만들어질 수 있는 최저 온도)는 용접 후 크게 증가했습니다. . 전이 온도는 일반적인 분말 야금 텅스텐의 경우 약 175°C에서 325°C 값으로 증가했고, 다공성이 낮은 독점 재료의 경우 약 235°C에서 385°C 값으로 증가했습니다. 용접된 재료와 용접되지 않은 재료의 DBTT 차이는 큰 입자 크기와 용접부 및 열 영향부의 불순물 재분배 가능성에 기인합니다. 테스트 결과에 따르면 일반적인 분말 야금 텅스텐 용접의 DBTT는 독점 재료의 다공성이 낮았음에도 불구하고 독점 재료의 DBTT보다 낮았습니다. 낮은 다공성 텅스텐 용접의 더 높은 DBTT는 그림 3A 및 3C의 약간 더 큰 입자 크기로 인한 것일 수 있습니다.
비합금 텅스텐의 여러 조인트에 대한 DBTT를 결정하기 위한 조사 결과는 표 3에 요약되어 있습니다. 굽힘 테스트는 테스트 절차의 변경에 매우 민감했습니다. 루트 굴곡은 면 굴곡보다 더 연성이 있는 것으로 나타났습니다. 용접 후 적절하게 선택된 응력 완화는 DBTT를 크게 낮추는 것으로 나타났습니다. CVD 텅스텐은 용접 당시 가장 높은 DBTT(560℃)를 가졌으나 용접 후 1000℃에서 1시간 동안 응력 완화를 실시했을 때 DBTT는 350℃로 떨어졌습니다. 용접 후 1000°C의 응력 완화에서 DBTT는 350°C로 떨어졌습니다. 18000C에서 1시간 동안 아크 용접 분말 야금 텅스텐의 응력 완화는 이 재료의 DBTT를 다음과 같이 결정된 값에서 약 100°C만큼 감소시켰습니다. 용접. CVD 방법으로 만든 조인트에서 1000°C에서 1시간 동안 응력을 완화하면 가장 낮은 DBTT(200°C)가 생성되었습니다. 이 전이 온도는 이 연구에서 결정된 다른 전이 온도보다 상당히 낮았지만 개선은 아마도 CVD 조인트 테스트에 사용된 더 낮은 변형 속도(0.1 대 0.5 ipm)의 영향을 받았을 것입니다.

Nb로 만든 브레이징 용접-가스 텅스텐-아크 브레이징 용접의 굽힘 시험. 필러 금속인 Ta, Mo, Re 및 W-26% Re에 대해서도 굽힘 테스트를 수행했으며 그 결과는 표 4에 요약되어 있습니다. 레늄 브레이징 용접에서 가장 큰 연성을 얻었습니다.

이 대략적인 연구 결과에 따르면 서로 다른 용가재가 텅스텐의 수많은 균질 용접 내부에 기계적 특성을 갖는 접합을 생성할 수 있지만 이러한 용가재 중 일부는 실제로 유용할 수 있습니다.

텅스텐 합금에 대한 결과.