O tungstênio e suas ligas podem ser unidos com sucesso por soldagem a arco de tungstênio a gás,
soldagem por brasagem com arco de tungstênio a gás, soldagem por feixe de elétrons e por deposição química de vapor.

A soldabilidade do tungstênio e de uma série de suas ligas consolidadas por técnicas de fundição a arco, metalurgia do pó ou deposição química de vapor (CVD) foi avaliada. A maioria dos materiais usados ​​eram chapas nominalmente de 0,060 pol. Os processos de união empregados foram (1) soldagem a arco de tungstênio a gás, (2) soldagem por brasagem a arco de tungstênio a gás, (3) soldagem por feixe de elétrons e (4) união por CVD.
O tungstênio foi soldado com sucesso por todos esses métodos, mas a solidez das soldas foi grandemente influenciada pelos tipos de metais de base e de adição (ou seja, pó ou produtos fundidos a arco). Por exemplo, as soldas em materiais fundidos a arco eram comparativamente livres de porosidade, enquanto as soldas em produtos de metalurgia do pó eram geralmente porosas, particularmente ao longo da linha de fusão. Para soldas de arco de tungstênio a gás (GTA) em chapas de tungstênio sem liga de 1/1r, pol., um pré-aquecimento mínimo de 150°C (que foi considerado a temperatura de transição dúctil-frágil do metal base) produziu soldas livres de trincas. Como metais básicos, as ligas de tungstênio-rênio eram soldáveis ​​sem pré-aquecimento, mas a porosidade também era um problema com produtos em pó de liga de tungstênio. O pré-aquecimento pareceu não afetar a porosidade da solda, que era principalmente uma função do tipo de metal base.
As temperaturas de transição dúctil-frágil (DBIT) para soldas a arco de gás de tungstênio em diferentes tipos de metalurgia do pó de tungstênio foram de 325 a 475 ° C, em comparação com 150 ° C para o metal base e 425 ° C para soldagem por feixe de elétrons. tungstênio fundido em arco.
A soldagem por brasagem de tungstênio com metais de adição diferentes aparentemente não produziu melhores propriedades de junta do que outros métodos de união. Usamos Nb, Ta, W-26% Re, Mo e Re como metais de adição nas soldas de brasagem. O Nb e o Mo causaram fissuras severas.

Juntando-se por CVD a 510 a 560° C

eliminou toda a porosidade, exceto uma pequena quantidade, e também eliminou os problemas associados às altas temperaturas necessárias para a soldagem (como grãos grandes na solda e zonas afetadas pelo calor).
Introdução
O tungstênio e as ligas à base de tungstênio estão sendo considerados para uma série de aplicações nucleares e espaciais avançadas, incluindo dispositivos de conversão termiônica, veículos de reentrada, elementos combustíveis de alta temperatura e outros componentes de reatores. As vantagens destes materiais são as suas combinações de temperaturas de fusão muito elevadas, boas resistências a temperaturas elevadas, elevadas condutividades térmicas e eléctricas e resistência adequada à corrosão em determinados ambientes. Como a fragilidade limita a sua capacidade de fabricação, a utilidade destes materiais em componentes estruturais sob condições rigorosas de serviço depende muito do desenvolvimento de procedimentos de soldagem para fornecer juntas que sejam comparáveis ​​em propriedades ao metal base. Portanto, os objetivos destes estudos foram (1) determinar as propriedades mecânicas de juntas produzidas por diferentes métodos de união em diversos tipos de tungstênio não ligado e ligado; (2) avaliar os efeitos de diversas modificações nos tratamentos térmicos e na técnica de união; e (3) demonstrar a viabilidade de fabricar componentes de teste adequados para aplicações específicas.
Materiais
Tungstênio não ligado m叮10 m. folhas grossas eram o material de maior interesse. O tungstênio não ligado neste estudo foi produzido por metalurgia do pó, fundição a arco e técnicas de deposição de vapor químico. A Tabela 1 mostra os níveis de impurezas dos produtos de metalurgia do pó, CVD e tungstênio fundido a arco conforme recebidos. A maioria está dentro das faixas nominalmente encontradas em tungstênio

mas deve-se notar que o material CVD continha quantidades de flúor superiores às normais.
Vários tamanhos e formatos de tungstênio e ligas de tungstênio foram unidos para comparação. A maioria deles eram produtos de metalurgia do pó, embora alguns materiais fundidos a arco também fossem soldados. Configurações específicas foram utilizadas para determinar a viabilidade de estruturas e componentes de construção. Todos os materiais foram recebidos totalmente trabalhados a frio, com exceção do tungstênio CVD, que foi recebido como depositado. Devido ao aumento da fragilidade do tungstênio recristalizado e de grãos grandes, o material foi soldado na condição trabalhada para minimizar o crescimento de grãos na zona afetada pelo calor. Devido ao alto custo do material e às quantidades relativamente pequenas disponíveis, projetamos corpos de prova que utilizaram a quantidade mínima de material consistente com a obtenção das informações desejadas.
Procedimento
Como a temperatura de transição dúctil-frágil (DBTT) do tungstênio está acima da temperatura ambiente, cuidados especiais devem ser tomados no manuseio e usinagem para evitar trincas1. O cisalhamento causa rachaduras nas bordas e descobrimos que a retificação e a usinagem por eletrodescarga deixam marcas de calor na superfície. A menos que sejam removidas por lapidação, estas fissuras podem propagar-se durante a soldadura e utilização subsequente.
O tungstênio, como todos os metais refratários, deve ser soldado em uma atmosfera muito pura de gás inerte (processo de arco de gás de tungstênio) ou vácuo (feixe de elétrons pro:::ess)2 para evitar a contaminação da solda por intersticiais. Como o tungstênio tem o ponto de fusão mais alto de todos os metais (3.410° C), o equipamento de soldagem deve ser capaz de suportar as altas temperaturas de serviço.

Tabela 1

Foram utilizados três processos de soldagem diferentes: soldagem a arco de gás de tungstênio, soldagem por brasagem a arco de gás de tungstênio e soldagem por feixe de elétrons. As condições de soldagem necessárias para a completa penetração com um consumo mínimo de energia foram determinadas para cada material. Antes da soldagem, o material em folha era usinado. espaços em branco largos e desengordurados com álcool etílico. O desenho da junta era uma ranhura quadrada sem abertura de raiz.
Soldagem a arco de tungstênio a gás
Todas as soldas automáticas e manuais a arco de tungstênio a gás foram feitas em um ehamher que foi mantido abaixo de 5 x I ou. torr por cerca de 1 hora e depois preenchido com argônio muito puro. Conforme mostrado na Fig. IA, a câmara foi equipada com um mecanismo de deslocamento e cabeça de tocha para soldagem automática. A peça foi fixada em um acessório de cobre com inserções de tungstênio em todos os pontos de contato para evitar que fosse soldada à obra pelo batimento da soldagem. A base deste acessório abrigava os aquecedores elétricos de cartucho que pré-aqueciam a obra até a temperatura desejada, Fig. 1 B. Todas as soldas foram feitas a uma velocidade de deslocamento de 10 ipm, uma corrente de cerca de 350 amperes e uma tensão de 10 a 15 v .
Soldagem por brasagem a gás tungstênio-A『c
Soldas brasadas com gás tungstênio foram feitas em uma câmara com atmosfera inerte por técnicas semelhantes às

aqueles descritos acima. As soldas soldadas na placa feitas com tungstênio e metal de adição W-26% Re foram feitas manualmente; entretanto, as soldas de brasagem de topo foram soldadas automaticamente depois que o metal de adição foi colocado na junta de topo.
Soldagem por feixe de elétrons
As soldas por feixe de eleetron foram feitas em uma máquina de 150 kV 20 mA. Um vácuo de cerca de 5 x 10-6 torr foi mantido durante a soldagem. A soldagem por feixe de elétrons resulta em uma relação muito alta entre profundidade e largura e em uma zona estreita afetada pelo calor.
』unindo por Disposição de Vapor Químico
As juntas de tungstênio foram feitas depositando metal de adição de tungstênio não ligado através do processo químico de deposição de vapor3. O tungstênio foi depositado por redução com hidrogênio do hexafluoreto de tungstênio de acordo com a reação-t
aquecer
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
O uso desta técnica para união exigiu apenas pequenas alterações nos acessórios e na distribuição do fluxo de reagentes. A principal vantagem deste processo em relação aos métodos mais convencionais de união é que, como as baixas temperaturas empregadas (510 a 650°C) são muito inferiores ao ponto de fusão do

tungstênio (3410°C), recristalização e possível fragilização adicional do metal base de tungstênio forjado por impurezas ou crescimento de grãos são minimizados.
Vários projetos de juntas, incluindo fechamentos de topo e extremidades de tubos, foram fabricados. A deposição foi realizada com auxílio de um mandril de cobre que serviu de fixação, peça de alinhamento e substrato. Após a conclusão da deposição, o mandril de cobre foi removido por ataque químico. Como outro trabalho mostrou que o tungstênio CVD possui tensões residuais complexas conforme depositado, essas juntas foram submetidas a tensão durante 1 hora a 1000° a 1600°C antes da usinagem ou teste.
Inspeção e Teste
As juntas foram inspecionadas visualmente e por líquido penetrante e radiografia antes de serem testadas. Soldas típicas foram analisadas quimicamente para oxigênio e nitrogênio (Tabela 2) e extensos exames metalográficos foram realizados ao longo do estudo.
Devido à sua simplicidade inerente e adaptabilidade a corpos de prova pequenos, o teste de flexão foi utilizado como critério primário para integridade da junta e comparação dos processos. As temperaturas de transição dúctil-frágil foram determinadas com um aparelho de flexão de três pontos para juntas soldadas e após envelhecimento. O corpo de prova básico para os ensaios de flexão foi o longitudinal

curvatura da face, 24t de comprimento por 12t de largura, onde t é a espessura da amostra. As amostras foram apoiadas em um vão de 15t e dobradas com um êmbolo de raio 4t a uma taxa de 0,5 ipm. Essa geometria tendia a normalizar os dados obtidos em diversas espessuras de materiais. As amostras eram geralmente dobradas transversalmente à costura de solda (amostra de dobra longitudinal) para fornecer deformação uniforme da solda, da zona afetada pelo calor e do metal base; no entanto, algumas amostras foram dobradas ao longo da costura de solda (amostra de curvatura transversal) para comparação. As curvas faciais foram utilizadas nas partes iniciais da investigação; entretanto, devido ao leve entalhe encontrado nas partes da maioria das soldas devido ao peso do metal fundido, as dobras de raiz foram substituídas em testes posteriores. As recomendações do Conselho Consultivo de Materiais6 relativas ao teste de flexão de amostras de chapa foram seguidas tão rigorosamente quanto possível. Devido ao material limitado, os menores espécimes aconselháveis ​​foram selecionados.
Para determinar a temperatura de transição de curvatura, o aparelho de curvatura foi encerrado em um forno capaz de elevar rapidamente a temperatura até 500°C. Uma curvatura de 90 a 105 graus foi considerada uma curvatura completa. O DBTT foi definido como a temperatura mais baixa na qual o speeimen dobrou completamente sem rachar. Embora os testes tenham sido conduzidos ao ar, a descoloração das amostras não foi evidente até que as temperaturas de teste atingiram 400°C.

Figura 1

Resultados para tungstênio não ligado
Soldabilidade Geral
Soldagem a arco a gás Turzgstea - Na soldagem a arco a gás de tungstênio de 1乍in. chapa grossa sem liga, a peça deve ser substancialmente pré-aquecida para evitar falhas frágeis sob tensão induzida por choque térmico. A Figura 2 mostra uma fratura típica produzida por soldagem sem pré-aquecimento adequado. O grande tamanho do grão e o formato da solda e da zona afetada pelo calor são evidentes na fratura. A investigação das temperaturas de pré-aquecimento desde a temperatura ambiente até 540°C mostrou que o pré-aquecimento até um mínimo de 150°C era necessário para a produção consistente de soldas de topo de uma passagem livres de trincas. Esta temperatura corresponde ao DBTI do metal base. O pré-aquecimento a temperaturas mais elevadas não pareceu ser necessário nestes testes, mas materiais com um DBTI mais elevado, ou configurações que envolvem concentrações de tensão mais severas ou peças mais maciças, podem exigir pré-aquecimento a temperaturas mais elevadas.
A qualidade de uma soldagem depende muito dos procedimentos utilizados na fabricação dos metais básicos. Soldas autógenas em tungstênio fundido a arco são essencialmente livres de porosidade, Fig.
3A, mas as soldas na metalurgia do pó de tungstênio são caracterizadas por porosidade grosseira, Fig. 3 (b), particularmente ao longo da linha de fusão. A quantidade desta porosidade, Fig. 3B, particularmente ao longo de 3C, em soldas feitas em um produto patenteado de baixa porosidade (GE-15 produzido pela General Electric Co., Cleveland).
Soldas de arco de gás de tungstênio em tungstênio CVD têm zonas afetadas pelo calor incomuns devido à estrutura do grão no metaF base. A Figura 4 mostra a face e a seção transversal correspondente de uma solda de topo com arco de tungstênio a gás. Observe que os grãos finos na superfície do substrato cresceram devido ao calor da soldagem. Também é evidente a falta de crescimento dos grandes pilares

grãos. Os grãos colunares possuem gás
bolhas nos limites dos grãos causadas por impurezas de flúor8. Consequentemente, se
a superfície do substrato de grão fino é removida antes da soldagem, a soldagem não contém uma zona afetada pelo calor detectável metalograficamente. É claro que, em material CVD trabalhado (como tubos extrudados ou trefilados), a zona da solda afetada pelo calor tem a estrutura normal do grão recristalizado.
Foram encontradas trincas nos limites dos grãos colunares na RAZ de diversas soldas em tungstênio CVD. Essa fissuração, mostrada na Fig. 5, foi causada pela rápida formação e crescimento de bolhas nos contornos de grão em altas temperaturas9. Nas altas temperaturas envolvidas na soldagem, as bolhas foram capazes de consumir grande parte da área do contorno dos grãos; isso, combinado com a tensão produzida durante o resfriamento, separou os limites dos grãos para formar uma rachadura. Um estudo da formação de bolhas em tungstênio e outros depósitos metálicos durante o tratamento térmico mostra que as bolhas ocorrem em metais depositados abaixo de 0,3 Tm (a temperatura de fusão homóloga). Esta observação sugere que bolhas de gás se formam pela coalescência de vagas e gases aprisionados durante o recozimento. No caso do tungstênio CVD, o gás é provavelmente flúor ou um composto de flúor
Soldagem por feixe de elétrons - O tungstênio não ligado foi soldado por feixe de elétrons com e sem pré-aquecimento. A necessidade de pré-aquecimento variou de acordo com a amostra. Para garantir uma solda livre de trincas, recomenda-se o pré-aquecimento de pelo menos até o DBTT do metal base. Soldas por feixe de elétrons em produtos de metalurgia do pó também apresentam a porosidade de solda mencionada anteriormente.

Soldagem por brasagem a arco de tungstênio a gás一Em um esforço para estabelecer se a soldagem por brasagem poderia ser usada com vantagem, experimentamos o processo de arco de tungstênio a gás para fazer soldas por brasagem em chapas de tungstênio de metalurgia do pó. junta de topo antes da soldagem. As soldas brasadas foram produzidas com Nb, Ta, Mo, Re e W-26% Re não ligados como metais de adição. Como esperado, houve porosidade na linha de fusão nas seções metalográficas de todas as juntas (Fig. 6), uma vez que os metais básicos eram produtos da metalurgia do pó. Soldas feitas com metais de adição de nióbio e molibdênio racharam.
As durezas das soldas e das soldas brasadas foram comparadas por meio de um estudo de soldas de cordão sobre placa feitas com tungstênio não ligado e W≥26% Re como metais de adição. As soldas de gás tungstênio e brasagem foram feitas manualmente em produtos de metalurgia do pó de tungstênio sem liga (o grau proprietário (GE-15) de baixa porosidade e um grau comercial típico). As soldas e brasagens em cada material foram envelhecidas a 900, 1.200, 1.600 e 2.000°C por 1, 10, 100 e 1.000 horas. As amostras foram examinadas metalograficamente e medições de dureza foram feitas através da solda, zona afetada pelo calor e metal base, tanto como soldado quanto após tratamento térmico.

Tabela 2

Figura 2

Como os materiais utilizados neste estudo eram produtos de metalurgia do pó, quantidades variadas de porosidade estavam presentes nos depósitos de solda e brasagem. Novamente, as juntas feitas com metal base de tungstênio típico da metalurgia do pó tinham mais porosidade do que aquelas feitas com tungstênio proprietário de baixa porosidade. As soldas brasadas feitas com metal de adição W-26% Re tinham menos porosidade do que as soldas feitas com metal de adição de tungstênio não ligado.
Nenhum efeito do tempo ou da temperatura foi discernido na dureza das soldas feitas com tungstênio não ligado como metal de adição. Quando soldados, as medições de dureza da solda e dos metais de base eram essencialmente constantes e não mudavam após o envelhecimento. No entanto, as soldas brasadas feitas com metal de adição W-26% Re foram consideravelmente mais duras quando produzidas do que o metal base (Fig. 7). Provavelmente a maior dureza do depósito de solda quebrada W-Re foi devida ao endurecimento da solução sólida e/ou à presença da fase er finamente distribuída na estrutura solidificada. O diagrama de fases do tungstênio-rênio mostra que áreas localizadas de alto teor de rênio podem ocorrer durante o resfriamento rápido e resultar na formação da fase mais dura e quebradiça na subestrutura altamente segregada. Possivelmente a fase er estava finamente dispersa nos grãos ou nos contornos dos grãos, embora nenhuma fosse grande o suficiente para ser identificada por exame metalográfico ou difração de raios X.
A dureza é plotada em função da distância da linha central da solda brasada para diferentes temperaturas de envelhecimento na Fig. Observe a mudança abrupta

em dureza na linha de fusão. Com o aumento da temperatura de envelhecimento, a dureza da solda brasada diminuiu até que, após 100 horas a J 600°C, a dureza era a mesma do metal base de tungstênio não ligado. Esta tendência de diminuição da dureza com o aumento da temperatura manteve-se verdadeira para todos os tempos de envelhecimento. O aumento do tempo a uma temperatura constante também causou uma diminuição semelhante na dureza, como mostrado para uma temperatura de envelhecimento de 1200°C na Fig. 7B.
União por Deposição Química de Vapor – A união de tungstênio por técnicas CVD foi investigada como um método para produzir soldas em vários designs de amostras. Através do uso de acessórios e máscaras apropriados para limitar a deposição nas áreas desejadas, foram unidas folhas de tungstênio de CVD e de metalurgia do pó e foram produzidos fechamentos de extremidade na tubulação. A deposição em um bisel com um ângulo incluído de cerca de 90 graus produziu rachaduras, Fig. 8A, nas interseções dos grãos colunares que crescem de uma face do bisel e do substrato (que foi gravado). No entanto, juntas de alta integridade sem fissuras ou acúmulo grosseiro de impurezas foram obtidas, Fig. 8B, quando a configuração da junta foi alterada por retificação da face do metal base até um raio de ¼ pol. tangente à raiz da solda. Para demonstrar uma aplicação típica deste processo na fabricação de elementos combustíveis, alguns fechamentos finais foram feitos em tubos de tungstênio. Essas juntas eram estanques quando testadas com um detector de vazamento de espectro de massa de hélio.

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Propriedades Mecânicas
Testes de flexão de soldas de fusão一Curvas de transição dúctil-frágil foram determinadas para várias juntas em tungstênio não ligado. As curvas na Fig. 9 mostram que o DBTT de dois metais básicos da metalurgia do pó era de cerca de 1 50° C. Normalmente, o DBTT (a temperatura mais baixa na qual uma curvatura de 90 a 105 graus poderia ser feita) de ambos os materiais aumentou muito após a soldagem. . As temperaturas de transição aumentaram cerca de 175°C para um valor de 325°C para o tungstênio típico da metalurgia do pó e aumentaram cerca de 235°C para um valor de 385°C para o material patenteado de baixa porosidade. A diferença nos DBTTs do material soldado e não soldado foi atribuída ao grande tamanho do grão e à possível redistribuição de impurezas das soldas e zonas afetadas pelo calor. Os resultados dos testes mostram que o DBTT das soldas típicas de tungstênio da metalurgia do pó foi inferior ao do material patenteado, embora este último tivesse menos porosidade. O maior DBTT da solda no tungstênio de baixa porosidade pode ter sido devido ao seu tamanho de grão ligeiramente maior, Figuras 3A e 3C.
Os resultados das investigações para determinar os DBTT para uma série de juntas em tungstênio não ligado estão resumidos na Tabela 3. Os testes de flexão foram bastante sensíveis a mudanças no procedimento de teste. As curvaturas da raiz pareciam ser mais dúcteis que as curvas da face. Um alívio de tensão adequadamente selecionado após a soldagem pareceu reduzir substancialmente o DBTT. O tungstênio CVD tinha, quando soldado, o DBTT mais alto (560°C); ainda assim, quando recebeu um alívio de tensão de 1000°C por 1 hora após a soldagem, seu DBTT caiu para 350°C. alívio de tensão de 1000° C após a soldagem, seu DBTT caiu para 350° C. O alívio de tensão do tungstênio de metalurgia do pó soldado a arco por 1 hora a 18.000 C reduziu o DBTT deste material em cerca de 100° C do valor determinado para ele como- soldado. Um alívio de tensão de 1 hora a 1000°C em uma junta feita por métodos CVD produziu o DBTT mais baixo (200°C). Deve-se notar que, embora esta temperatura de transição tenha sido consideravelmente inferior a qualquer outra temperatura de transição determinada neste estudo, a melhoria foi provavelmente influenciada pela menor taxa de deformação (0,1 vs 0,5 ipm) usada em testes em juntas CVD.

Teste de curvatura de soldas de brasagem com gás de tungstênio e arco de solda feitas com Nb. Ta, Mo, Re e W-26% Re como metais de adição também foram testados em termos de flexão e os resultados estão resumidos na tabela 4. a maior ductilidade foi obtida com uma solda brasada de rênio.

Embora os resultados deste estudo superficial indiquem que um metal de adição diferente pode produzir juntas com propriedades mecânicas inferiores a milhares de soldas homogêneas em tungstênio, alguns desses metais de adição podem ser úteis na prática.

Resultados para ligas de tungstênio.