Вольфрам и его сплавы успешно соединяются газовой вольфрамовой сваркой.
газовая вольфрамо-дуговая сварка, электронно-лучевая сварка и химическое осаждение из паровой фазы.

Оценена свариваемость вольфрама и ряда его сплавов, отвержденных методами дугового литья, порошковой металлургии или химического осаждения из паровой фазы (CVD). Большинство используемых материалов номинально представляли собой листы толщиной 0,060 дюйма. Применяемыми процессами соединения были (1) газовая вольфрамо-дуговая сварка, (2) газовая вольфрам-дуговая сварка-пайка, (3) электронно-лучевая сварка и (4) соединение CVD.
Вольфрам успешно сваривался всеми этими методами, но на прочность сварных швов большое влияние оказывали типы основного и присадочного металлов (т. е. порошковые или электродуговые изделия). Например, сварные швы в материалах, полученных дуговым литьем, были сравнительно лишены пористости, тогда как сварные швы в изделиях порошковой металлургии обычно были пористыми, особенно по линии плавления. Для сварки газовой вольфрамовой дугой (GTA) на нелегированном вольфрамовом листе толщиной 1/1r, дюйм минимальный предварительный нагрев 150°C (который оказался температурой перехода основного металла в пластичное-хрупкое состояние) позволил получить сварные швы без трещин. Как недрагоценные металлы, вольфрам-рениевые сплавы можно было сваривать без предварительного нагрева, но пористость также была проблемой для порошковых изделий из вольфрамовых сплавов. Предварительный нагрев, по-видимому, не повлиял на пористость сварного шва, которая в первую очередь зависит от типа основного металла.
Температуры перехода от вязкого к хрупкому состоянию (DBIT) для газовой вольфрамовой сварки в различных типах порошковой металлургии вольфрама составляли от 325 до 475°С по сравнению со 150°С для основного металла и 425°С для электронно-лучевой сварки. вольфрам, полученный дуговым литьем.
Сварка пайкой вольфрама с разнородными присадочными металлами, по-видимому, не обеспечивает лучших свойств соединения, чем другие методы соединения. В качестве присадочных металлов в паяных швах мы использовали Nb, Ta, W-26% Re, Mo и Re. Nb и Mo вызвали сильное растрескивание.

Соединение методом CVD при температуре от 510 до 560° C.

устранил всю пористость, кроме небольшой, а также устранил проблемы, связанные с высокими температурами, необходимыми для сварки (например, крупные зерна в сварном шве и зонах термического влияния).
Введение
Вольфрам и сплавы на его основе рассматриваются для ряда передовых ядерных и космических применений, включая устройства термоэлектронного преобразования, спускаемые аппараты, высокотемпературные топливные элементы и другие компоненты реакторов. Преимуществами этих материалов являются сочетание очень высоких температур плавления, хорошей прочности при повышенных температурах, высокой тепло- и электропроводности, а также адекватной устойчивости к коррозии в определенных средах. Поскольку хрупкость ограничивает их технологичность, полезность этих материалов в компонентах конструкций в жестких условиях эксплуатации во многом зависит от разработки методов сварки, обеспечивающих соединения, свойства которых сопоставимы с основным металлом. Поэтому задачами данных исследований было: (1) определить механические свойства соединений, полученных различными методами соединения из нескольких видов нелегированного и легированного вольфрама; (2) оценить влияние различных модификаций термической обработки и техники соединения; и (3) продемонстрировать возможность изготовления тестовых компонентов, подходящих для конкретных применений.
Материалы
Нелегированный вольфрам м 10 м. толстые листы представляли наибольший интерес. Нелегированный вольфрам в данном исследовании был получен методами порошковой металлургии, дугового литья и химического осаждения из паровой фазы. В таблице 1 показаны уровни примесей в полученной вольфрамовой продукции порошковой металлургии, CVD и дугового литья. Большинство из них попадают в диапазоны, номинально встречающиеся в вольфраме.

однако следует отметить, что в CVD-материале содержалось больше нормы фтора.
Для сравнения были объединены различные размеры и формы вольфрама и вольфрамовых сплавов. Большинство из них представляло собой продукцию порошковой металлургии, хотя некоторые материалы также подвергались дуговой сварке. Конкретные конфигурации использовались для определения осуществимости строительных конструкций и компонентов. Все материалы были получены в полностью наклепанном состоянии, за исключением вольфрама CVD, который был получен после наплавки. Из-за повышенной хрупкости рекристаллизованного и крупнозернистого вольфрама сварку материала проводили в рабочем состоянии, чтобы минимизировать рост зерна в зоне термического влияния. Из-за высокой стоимости материала и его относительно небольшого количества мы разработали тестовые образцы, в которых использовалось минимальное количество материала, позволяющее получить желаемую информацию.
Процедура
Поскольку температура перехода из пластичного состояния в хрупкое (DBTT) вольфрама выше комнатной температуры, при обращении и механической обработке необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы избежать растрескивания1. Сдвиг вызывает растрескивание кромок, и мы обнаружили, что шлифовка и электроэрозионная обработка оставляют на поверхности тепловые пробки. Если их не удалить притиркой, эти трещины могут распространиться во время сварки и последующего использования.
Вольфрам, как и все тугоплавкие металлы, необходимо сваривать в очень чистой атмосфере либо инертного газа (газовая вольфрамовая дуга), либо в вакууме (электронно-лучевой про:::ess)2, чтобы избежать загрязнения сварного шва междоузлиями. Поскольку вольфрам имеет самую высокую температуру плавления из всех металлов (3410°C), сварочное оборудование должно выдерживать высокие рабочие температуры.

Таблица 1

Использовались три различных процесса сварки: газовая вольфрамо-дуговая сварка, газовая вольфрам-дуговая сварка-припой и электронно-лучевая сварка. Для каждого материала определены условия сварки, необходимые для полной сварки при минимальных энергозатратах. Перед сваркой листовой материал подвергался механической обработке в дюйм. широкие заготовки и обезжириваю этиловым спиртом. Конструкция сустава представляла собой квадратную канавку без корневого отверстия.
Газовая вольфрамово-дуговая сварка
Все автоматические и ручные сварки газовой вольфрамовой дугой выполнялись в сварочной машине, температура которой поддерживалась ниже 5 x I или. торр в течение примерно 1 часа, а затем заполнили очень чистым аргоном. Как показано на рис. 1А, камера была оснащена механизмом перемещения и головкой горелки для автоматической сварки. Заготовка удерживалась в медном приспособлении, снабженном вольфрамовыми вставками во всех точках контакта, чтобы предотвратить припаивание ее к изделию сварочным ударом. В основании этого приспособления располагались электрические патронные нагреватели, которые предварительно нагревали изделие до желаемой температуры, рис. 1 B. Все сварные швы выполнялись со скоростью 10 дюймов в минуту, силой тока около 350 А и напряжением от 10 до 15 В. .
Сварка газовой вольфрамовой пайкой переменного тока
Сварные соединения газовой вольфрамовой пайкой выполнялись в кузнице с инертной атмосферой по методике, аналогичной

описанные выше. Сварные швы наплавки с вольфрамом и присадочным металлом W—26% Re выполнялись вручную; однако стыковые паяные швы сваривались автоматически после помещения присадочного металла в стыковое соединение.
Электронно-лучевая сварка
Элетронно-лучевые сварные швы выполнялись на машине напряжением 150 кВ и током 20 мА. Во время сварки поддерживали вакуум около 5×10-6 Торр. Электронно-лучевая сварка обеспечивает очень высокое соотношение глубины к ширине и узкую зону термического влияния.
』вмешательство компании Chemical Vapor Disposition
Вольфрамовые соединения были изготовлены путем нанесения нелегированного вольфрамового присадочного металла методом химического осаждения из паровой фазы3. Вольфрам наносился водородным восстановлением гексафторида вольфрама по реакции -т
нагревать
WFs(г) + 3H,(г)一–+W(т) + 6HF(г).
Использование данной технологии соединения потребовало лишь незначительных изменений в приспособлениях и распределении потоков реагентов. Основное преимущество этого процесса перед более традиционными методами соединения заключается в том, что, поскольку используемые низкие температуры (от 510 до 650 ° C) намного ниже, чем температура плавления

вольфрама (3410°С), рекристаллизация и возможное дальнейшее хрупкение деформируемого основного металла вольфрама примесями или ростом зерен сводятся к минимуму.
Было изготовлено несколько конструкций соединений, включая стыковые и торцевые затворы. Нанесение осуществлялось с помощью медной оправки, которая использовалась в качестве приспособления, юстировочной детали и подложки. После завершения осаждения оправку из эоппера удаляли травлением. Поскольку другие работы показали, что вольфрам CVD обладает сложными остаточными напряжениями при наплавке, эти соединения подвергались восстановлению напряжения в течение одного часа при температуре от 1000° до 1600°C перед механической обработкой или испытанием.
Проверка и тестирование
Перед испытанием стыки проверялись визуально, с помощью проникающей жидкости и рентгенографии. Типичные сварные швы были химически проанализированы на содержание кислорода и азота (таблица 2), а также на протяжении всего исследования проводились обширные металлографические исследования.
Из-за присущей ему простоты и возможности адаптации к небольшим образцам испытание на изгиб использовалось в качестве основного критерия целостности соединения и сравнения процессов. Температуру пластично-хрупкого перехода определяли с помощью аппарата для трехточечного изгиба соединений как в сварном состоянии, так и после старения. Базовым образцом для испытаний на изгиб служил продольный образец.

торцевой изгиб длиной 24 т и шириной 12 т, где t — толщина образца. Образцы поддерживались на пролете весом 15 т и изгибались с помощью плунжера радиусом 4 т со скоростью 0,5 дюйма в минуту. Эта геометрия имела тенденцию нормализовать данные, полученные на материалах различной толщины. Образцы обычно изгибали поперек сварного шва (образец продольного изгиба) для обеспечения равномерной деформации шва, зоны термического влияния и основного металла; однако для сравнения несколько образцов были согнуты по сварному шву (образец поперечного изгиба). На начальных этапах исследования использовались изгибы лица; однако из-за небольшой зазубрины, обнаруженной на поверхности большинства сварных швов из-за веса расплавленного металла, в более поздних испытаниях корневые изгибы были заменены. Рекомендации Консультативного совета по материалам6, касающиеся испытаний образцов листов на изгиб, соблюдались максимально точно. Из-за ограниченности материала были выбраны самые мелкие рекомендуемые экземпляры.
Для определения температуры перехода на изгиб гибочную установку помещали в печь, способную быстро поднимать температуру до 500°С. Полным изгибом считали изгиб от 90 до 105 град. DBTT определялась как самая низкая температура, при которой образец сгибался полностью без скрипа. Хотя испытания проводились на воздухе, изменение цвета образцов не наблюдалось до тех пор, пока температура испытаний не достигла 400°С.

Рисунок 1

Результаты для нелегированного вольфрама
Общая свариваемость
Газовая дуговая сварка Turzgstea — при газовой вольфрамовой дуговой сварке толщиной 1 дюйм. Если использовать толстый нелегированный лист, то заготовку необходимо существенно предварительно нагреть, чтобы предотвратить хрупкое разрушение под напряжением, вызванным термическим ударом. На рисунке 2 показан типичный перелом, полученный при сварке без надлежащего предварительного нагрева. В изломе заметны крупный размер зерен, форма сварного шва и зоны термического влияния. Исследование температур предварительного нагрева от комнатной температуры до 540°С показало, что предварительный нагрев минимум до 150°С необходим для стабильного получения однопроходных стыковых сварных швов без трещин. Эта температура соответствует DBTI основного металла. Предварительный нагрев до более высоких температур, по-видимому, не был необходим в этих испытаниях, но материал с более высоким DBTI или конфигурации, которые включают в себя более высокие концентрации напряжений или более массивные детали, могут потребовать предварительного нагрева до более высоких температур.
Качество сварного изделия во многом зависит от процедур, используемых при изготовлении основных металлов. Автогенные сварные швы вольфрама, полученного дуговым литьем, практически не содержат пористости (рис.
3А, но сварные швы порошковой металлургии вольфрама характеризуются большой пористостью, рис. 3(б), особенно по линии сплавления. Величина этой пористости, рис. 3B, особенно вдоль линии 3C, в сварных швах, выполненных с использованием запатентованного продукта с низкой пористостью (GE-15 производства General Electric Co., Кливленд).
Газо-вольфрамово-дуговые сварные швы в CVD-вольфраме имеют необычные зоны термического влияния из-за зеренной структуры 0 £ основного метаF. На рис. 4 показаны лицевая сторона и соответствующее поперечное сечение такой стыковой сварки газовой вольфрамовой дугой. Обратите внимание, что мелкие зерна на поверхности подложки выросли из-за тепла сварки. Также очевидно отсутствие роста крупных столбчатых

зерна. Столбчатые зерна содержат газ.
пузырьки на границах зерен, вызванные фтористыми примесями8. Следовательно, если
Мелкозернистая поверхность подложки перед сваркой удаляется, сварное изделие не содержит металлографически определяемой зоны термического влияния. Конечно, в материалах, обработанных CVD (таких как экструдированные или тянутые трубы), зона термического влияния сварного шва имеет нормальную рекристаллизованную зеренную структуру.
Трещины были обнаружены на столбчатых границах зерен в ЗЗ нескольких сварных швов CVD вольфрама. Это растрескивание, показанное на рис. 5, было вызвано быстрым образованием и ростом пузырьков на границах зерен при высоких температурах9. При высоких температурах, связанных с сваркой, пузырьки могли поглотить большую часть площади границ зерен; это, в сочетании с напряжением, возникающим во время охлаждения, привело к разрыву границ зерен и образованию трещины. Исследование образования пузырьков в отложениях вольфрама и других металлов при термообработке показывает, что пузырьки возникают в металлах, осажденных ниже 0,3 Тм (гомологической температуры плавления). Это наблюдение предполагает, что газовые пузырьки образуются в результате слияния захваченных вакансий и газов во время отжига. В случае CVD-вольфрама газ, вероятно, представляет собой фтор или фторидное соединение.
Электронно-лучевая сварка. Нелегированный вольфрам подвергался электронно-лучевой сварке с предварительным нагревом и без него. Необходимость предварительного нагрева варьировалась в зависимости от образца. Для обеспечения отсутствия трещин в сварном шве рекомендуется предварительный нагрев основного металла не менее чем до DBTT. Электронно-лучевые сварные швы в изделиях порошковой металлургии также имеют упомянутую ранее пористость сварного шва.

Сварка газовой вольфрамовой дугой 一 Стремясь установить, можно ли использовать сварку твердым припоем с пользой, мы экспериментировали с процессом газовой вольфрамовой дуги для выполнения паяных сварных швов на вольфрамовом листе, полученном порошковой металлургией. Паяные сварные швы выполнялись путем предварительного размещения присадочного металла вдоль стыковое соединение перед сваркой. Паяные сварные швы выполнялись с использованием нелегированных Nb, Ta, Mo, Re и W-26% Re в качестве присадочных металлов. Как и ожидалось, по линии сплавления на шлифах всех соединений присутствовала пористость (рис. 6), поскольку основные металлы представляли собой продукты порошковой металлургии. Сварные швы, выполненные с присадочными металлами из ниобия и молибдена, треснули.
Твердость сварных швов и паяных швов сравнивали путем исследования наплавленных швов, выполненных с использованием нелегированного вольфрама и W≥26% Re в качестве присадочных металлов. Сварные швы газовой вольфрамовой дугой и пайки выполнялись вручную на нелегированных продуктах порошковой металлургии вольфрама (низкопористой фирменной марки (ГЭ-15) и типичной технической марки). Сварные и паяные швы в каждом материале состаривались при 900, 1200, 1600 и 2000°С в течение 1, 10, 100 и 1000 часов. Образцы исследовали металлографически, измеряли траверсы твердости по сварному шву, зоне термического влияния и основному металлу как в сварном состоянии, так и после термической обработки.

Таблица 2

Рисунок 2

Поскольку материалы, использованные в этом исследовании, представляли собой продукты порошковой металлургии, в сварных швах и отложениях припоя присутствовала различная степень пористости. Опять же, соединения, изготовленные из обычного вольфрамового основного металла, полученного в порошковой металлургии, имели большую пористость, чем соединения, изготовленные из запатентованного вольфрама с низкой пористостью. Паяные сварные швы, выполненные с присадочным металлом W—26% Re, имели меньшую пористость, чем сварные швы, выполненные с нелегированным вольфрамовым присадочным материалом.
Никакого влияния времени и температуры на твердость сварных швов, выполненных с использованием нелегированного вольфрама в качестве присадочного металла, не обнаружено. При сварке измерения твердости сварного шва и основного металла были практически постоянными и не менялись после старения. Однако паяные швы, выполненные с присадочным металлом W—26% Re, были значительно тверже в изготовлении, чем основной металл (рис. 7). Вероятно, более высокая твердость наплавленного шва W-Re bröte была обусловлена ​​упрочнением твердого раствора и/или наличием эр-фазы, тонко распределенной в затвердевшей структуре. Фазовая диаграмма вольфрама11 показывает, что локализованные области с высоким содержанием рения могут возникать во время быстрого охлаждения и приводить к образованию твердой, хрупкой фазы в сильно сегрегированной субструктуре. Возможно, фаза er была мелкодисперсной в зернах или границах зерен, хотя ни одна из них не была достаточно крупной, чтобы ее можно было идентифицировать ни металлографическим исследованием, ни рентгеновской дифракцией.
На рис. 7А показана зависимость твердости от расстояния от центральной линии паяного сварного шва для различных температур старения. Обратите внимание на резкую перемену

по твердости по линии сплавления. С увеличением температуры старения твердость паяного шва уменьшалась до тех пор, пока через 100 часов при температуре J 600°C она не стала такой же, как твердость нелегированного основного металла вольфрама. Эта тенденция снижения твердости с повышением температуры сохранялась на протяжении всех периодов старения. Увеличение времени выдержки при постоянной температуре также вызывало аналогичное снижение твердости, как показано для температуры старения 1200°С на рис. 7В.
Соединение методом химического осаждения из паровой фазы. Соединение вольфрама методом CVD исследовалось как метод получения сварных швов в образцах различной конструкции. С помощью соответствующих приспособлений и масок для ограничения осаждения на нужных участках были соединены вольфрамовые листы, полученные методом CVD и порошковой металлургии, и изготовлены торцевые затворы на трубках. Нанесение на фаску с углом прилежания около 90 градусов привело к растрескиванию (рис. 8А) в местах пересечения столбчатых зерен, растущих с одной стороны фаски и подложки (которая была вытравлена). Однако соединения с высокой целостностью без растрескивания или значительного накопления примесей были получены (рис. 8В), когда конфигурация соединения была изменена путем шлифования поверхности основного металла до радиуса 0 дюймов. касательная к основанию сварного шва. Чтобы продемонстрировать типичное применение этого процесса при изготовлении топливных элементов, в вольфрамовых трубках было сделано несколько торцевых затворов. Эти соединения оказались герметичными при испытаниях с помощью течеискателя гелиевого масс-спектрометра.

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Механические свойства
Испытания на изгиб сварных швов плавлением: кривые перехода от вязкого к хрупкому были определены для различных соединений нелегированного вольфрама. Кривые на рис. 9 показывают, что DBTT двух основных металлов, полученных порошковой металлургией, составляла около 150°C. Обычно DBTT (самая низкая температура, при которой возможен изгиб от 90 до 105 градусов) обоих материалов значительно увеличивалась после сварки. . Температуры перехода увеличились примерно на 175°C до значения 325°C для типичного вольфрама, используемого в порошковой металлургии, и увеличились примерно на 235°C до значения 385°C для запатентованного материала с низкой пористостью. Разницу в ДБТТ сварного и несварного материала объясняют большим размером зерен и возможным перераспределением примесей сварных швов и зон термического влияния. Результаты испытаний показывают, что DBTT типичных вольфрамовых сварных швов порошковой металлургии был ниже, чем у запатентованного материала, даже несмотря на то, что последний имел меньшую пористость. Более высокая DBTT сварного шва из вольфрама с низкой пористостью могла быть связана с его немного большим размером зерна, рис. 3A и 3C.
Результаты исследований по определению DBTT для ряда соединений нелегированного вольфрама сведены в табл. 3. Испытания на изгиб были весьма чувствительны к изменению методики испытаний. Корневые изгибы оказались более пластичными, чем лицевые. Правильно выбранное снятие напряжений после сварки существенно снизило DBTT. Вольфрам, полученный CVD-сваркой, имел самый высокий показатель DBTT (560 ℃); однако, когда после сварки ему дали снять напряжение в течение 1 часа при температуре 1000 ℃, его DBTT упал до 350 ℃. Снятие напряжений вольфрама, сваренного дуговой порошковой металлургией, в течение 1 ч при 18000 С снизило DBTT этого материала примерно на 100°С от значения, определенного для него как сварной. Снятие напряжения в течение 1 часа при температуре 1000°С на соединении, выполненном методами CVD, привело к наименьшему значению DBTT (200°С). Следует отметить, что, хотя эта температура перехода была значительно ниже, чем любая другая температура перехода, определенная в этом исследовании, на улучшение, вероятно, повлияла более низкая скорость деформации (0,1 против 0,5 дюймов в минуту), использованная в испытаниях CVD-соединений.

Испытание на изгиб сварных швов, паяных газовой вольфрамовой дугой, выполненных с использованием Nb. Ta, Mo, Re и W-26% Re в качестве присадочных металлов также были испытаны на изгиб, и результаты суммированы в таблице 4. Наибольшая пластичность была получена при сварке рениевой пайкой.

Хотя результаты этого поверхностного исследования показывают, что разнородный присадочный металл может создавать соединения с механическими свойствами, отличными от однородных сварных швов вольфрама, некоторые из этих присадочных металлов могут быть полезны на практике.

Результаты для вольфрамовых сплавов.