Volfram och dess legeringar kan framgångsrikt sammanfogas genom gasvolframbågsvetsning,
gasvolfram-bågsvetsning, elektronstrålesvetsning och genom kemisk ångavsättning.

Svetsbarheten hos volfram och ett antal av dess legeringar konsoliderade genom båggjutning, pulvermetallurgi eller tekniker för kemisk ångavsättning (CVD) utvärderades. De flesta av de använda materialen var nominellt 0,060 tum tjock plåt. Sammanfogningsprocesserna som användes var (1) gasvolfram-bågsvetsning, (2) gasvolfram-bågsvetsning, (3) elektronstrålesvetsning och (4) sammanfogning med CVD.
Volfram svetsades med framgång med alla dessa metoder men sundheten hos svetsarna påverkades i hög grad av typerna av bas- och tillsatsmetaller (dvs. pulver eller båggjutna produkter). Till exempel var svetsar i båggjutna material relativt fria från porositet medan svetsar i pulvermetallurgiska produkter vanligtvis var porösa, särskilt längs smältlinjen. För gasvolfram-bågsvetsar (GTA) i 1/1r, in. olegerad volframplåt, gav en minsta förvärmning på 150°C (vilket visade sig vara den sega till spröda övergångstemperaturen för basmetallen) svetsar fria från sprickor. Som basmetaller var volfram-rheniumlegeringar svetsbara utan förvärmning, men porositet var också ett problem med volframlegeringspulverprodukter. Förvärmning verkade inte påverka svetsporositeten, vilket i första hand var en funktion av typen av basmetall.
De duktila-till-spröda övergångstemperaturerna (DBIT) för gasvolfram-bågsvetsar i olika typer av pulvermetallurgisk volfram var 325 till 475°C, jämfört med 150°C för basmetallen och den för 425°C för elektronstrålesvetsad båggjuten volfram.
Lödsvetsning av volfram med olika tillsatsmetaller gav uppenbarligen inte bättre fogegenskaper än andra fogmetoder. Vi använde Nb, Ta, W-26% Re, Mo och Re som tillsatsmetaller i lödsvetsarna. Nb och Mo orsakade allvarliga sprickor.

Sammanfogning med CVD vid 510 till 560°C

eliminerade allt utom en liten mängd porositet och eliminerade även problemen i samband med de höga temperaturer som krävs för svetsning (såsom stora korn i svetsen och värmepåverkade zoner).
Introduktion
Volfram och volframbaserade legeringar övervägs för ett antal avancerade kärnkrafts- och rymdtillämpningar, inklusive termionomvandlingsanordningar, återinträdesfordon, högtemperaturbränsleelement och andra reaktorkomponenter. Fördelarna med dessa material är deras kombinationer av mycket höga smälttemperaturer, goda hållfastheter vid förhöjda temperaturer, höga termiska och elektriska ledningsförmåga och tillräcklig motståndskraft mot korrosion i vissa miljöer. Eftersom sprödhet begränsar deras tillverkningsbarhet beror användbarheten av dessa material i konstruktionskomponenter under rigorösa serviceförhållanden i hög grad på utvecklingen av svetsprocedurer för att tillhandahålla fogar som är jämförbara i egenskaper med basmetallen. Därför var syftet med dessa studier att (1) bestämma de mekaniska egenskaperna hos fogar framställda med olika sammanfogningsmetoder i flera typer av olegerat och legerat volfram; (2) utvärdera effekterna av olika modifieringar i värmebehandlingar och sammanfogningsteknik; och (3) demonstrera genomförbarheten av att tillverka testkomponenter som är lämpliga för specifika tillämpningar.
Material
Olegerat volfram m叮10 m. tjocka plåtar var det material som var mest intressant. Den olegerade volframen i denna studie producerades med pulvermetallurgi, båggjutning och kemiska ångavsättningstekniker. Tabell 1 visar föroreningsnivåerna i pulvermetallurgiska, CVD- och båggjutna volframprodukter som de mottagits. De flesta faller inom de intervall som nominellt finns i volfram

men det bör noteras att CVD-materialet innehöll mer än de normala mängderna fluor.
Olika storlekar och former av volfram och volframlegeringar sammanfogades för jämförelse. De flesta av dem var pulvermetallurgiska produkter även om vissa båggjutna material också svetsades. Specifika konfigurationer användes för att fastställa genomförbarheten av byggnadsstrukturer och komponenter. Alla matenals togs emot i ett helt kallbearbetat skick med undantag av CVD volfram, som togs emot som deponerat. På grund av den ökade sprödheten hos omkristalliserad och storkornig volfram svetsades materialet i bearbetat tillstånd för att minimera korntillväxt i den värmepåverkade zonen. På grund av de höga kostnaderna för materialet och de relativt små tillgängliga mängderna, designade vi testexemplar som använde den minsta mängden material som överensstämmer med att erhålla den önskade informationen.
Förfarande
Eftersom den sega-till-spröda övergångstemperaturen (DBTT) för volfram är över rumstemperatur, måste särskild försiktighet iakttas vid hantering och bearbetning för att undvika sprickbildning1. Skjuvning orsakar kantsprickor och vi har funnit att slipning och elektrourladdningsbearbetning lämnar värmekontroller på ytan. Såvida de inte avlägsnas genom lappning, kan dessa sprickor fortplanta sig under svetsning och efterföljande användning.
Volfram, som alla eldfasta metaller, måste svetsas i en mycket ren atmosfär av antingen inert gas (gas volfram-bågeprocess) eller vakuum (elektronstråle pro:::ess)2 för att undvika kontaminering av svetsen av mellanliggande material. Eftersom volfram har den högsta smältpunkten av alla metaller (3410°C) måste svetsutrustningen klara de höga driftstemperaturerna.

Tabell 1

Tre olika svetsprocesser användes: gasvolframbågsvetsning, gasvolframbågsvetsning och elektronstrålesvetsning. Svetsförhållanden som var nödvändiga för fullständig pcnetrering vid en minimal energitillförsel bestämdes för varje material. Innan svetsningen maskinbearbetades plåtmaterialet in. breda ämnen och avfettade med etylalkohol. Fogdesignen var ett fyrkantigt spår utan rotöppning.
Gas volfram-bågsvetsning
Alla automatiska och manuella gas volfram-bågsvetsar gjordes i en ehamher som hölls under 5 x I eller. torr i cirka 1 timme och sedan återfylld med mycket ren argon. Såsom visas i Fig. lA var kammaren försedd med en traversmekanism och brännarhuvud för automatisk svetsning. Arbetsstycket hölls i en kopparfixtur försedd med volframinsatser vid alla kontaktpunkter för att förhindra att det löds fast vid arbetsstycket av svetsslaget. Basen av denna fixtur inrymde de elektriska patronvärmarna som förvärmde arbetet till önskad temperatur, Fig. 1 B. Alla svetsar gjordes med en färdhastighet av 10 ipm, en eurrent på cirka 350 amp och en spänning på 10 till 15 V .
Gas Tungsten-A『c lödsvetsning
Gasvolfram-are lödsvetsar gjordes i en ehamber med en inert atmosfär med tekniker liknande

de som beskrivs ovan. Pärl-på-plåt lödsvetsar gjorda med volfram och W—26% Re tillsatsmetall gjordes manuellt; dock svetsades stumlödsvetsarna automatiskt efter att tillsatsmetallen placerats i stumfogen.
Elektronstrålesvetsning
Eleetronstrålesvetsarna gjordes i en 150 kV 20 mA maskin. Ett vakuum av ca 5 x 10-6 torr upprätthölls under svetsning. Elektronstrålesvetsning resulterar i ett mycket högt förhållande mellan djup och bredd och en smal värmepåverkad zon.
』tillförsel av kemisk ångdisposition
Volframfogar gjordes genom att deponera olegerad volframfyllnadsmetall via den kemiska ångavsättningsprocessen3. Volfram avsattes genom vätereduktion av volframhexafluorid enligt reaktionen-t
värme
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Användningen av denna teknik för sammanfogning krävde endast mindre förändringar i fixturer och reaktantflödesfördelning. Den främsta fördelen med denna process jämfört med mer konventionella metoder för sammanfogning är att eftersom de låga temperaturer som används (510 till 650 ° C) är mycket lägre än smältpunkten för

volfram (3410 ° C), omkristallisation och eventuell ytterligare försprödning av den bearbetade volframbasmetallen genom föroreningar eller korntillväxt minimeras.
Flera fogdesigner inklusive stum- och rörändförslutningar tillverkades. Deponering utfördes med hjälp av en koppardorn som användes som fixtur, inriktningsstycke och substrat. Efter att avsättningen avslutats avlägsnades den övre dornen genom etsning. Eftersom annat arbete” har visat att CVD volfram har komplexa restspänningar när de avsatts, var dessa fogar spänningsrelicvcd I tim vid 1000 ° till 1600 ° C före bearbetning eller testning.
Inspektion och provning
Fogarna inspekterades visuellt och med vätskepenetrant och radiografi innan de testades. Typiska svetsar analyserades kemiskt för syre och kväve (tabell 2) och omfattande metallografiska undersökningar utfördes under hela studien.
På grund av dess inneboende enkelhet och anpassningsförmåga till små prover, användes böjtestet som det primära kriteriet för fogintegritet och jämförande av processerna. Duktil-spröda övergångstemperaturer bestämdes med en trepunktsböjningsapparat för fogar både som svetsade och efter åldring. Grundprovet för böjtesterna var det längsgående

ansiktsböjning, 24 t lång och 12 t bred, där t är provets tjocklek. Prover stöddes på ett 15 t spann och böjdes med en kolv med radie 4 t med en hastighet av 0,5 ipm. Denna geometri tenderade att normalisera data erhållna om olika materialtjocklekar. Prover böjdes vanligtvis tvärs svetssömmen (längsböjningsprov) för att ge enhetlig deformation av svetsen, värmepåverkad zon och basmetall; dock böjdes några exemplar längs svetssömmen (tvärböjprov) för jämförelse. Ansiktsböjningar användes i de första delarna av undersökningen; Men på grund av den lilla skåran som hittats på svetsarna på de flesta svetsar på grund av vikten av den smälta metallen, ersattes rotböjar i senare tester. Rekommendationerna från Materials Advisory Board6 rörande böjprovning av plåtprover följdes så noga som möjligt. På grund av begränsat material valdes de minsta lämpliga exemplaren ut.
För att bestämma böjningsövergångstemperaturen inneslutes bockningsapparaten i en ugn med förmåga att snabbt höja temperaturen till 500°C. En böjning på 90 till 105° ansågs vara en hel böjning. DBTT definierades som den lägsta temperatur vid vilken speeimen böjde sig helt utan att knaka. Även om testerna utfördes i luft, var missfärgning av proverna inte uppenbar förrän testtemperaturerna nådde 400 °C.

Figur 1

Resultat för Olegerat volfram
Allmän svetsbarhet
Gas Turzgstea-bågsvetsning—I gas volfram-bågsvetsning på 1 tum. tjock olegerad plåt, måste arbetsstycket vara väsentligt förvärmt för att förhindra spröda brott under påkänning inducerad av termisk chock. Figur 2 visar ett typiskt brott framställt genom svetsning utan ordentlig förvärmning. Svetsens stora kornstorlek och form och värmepåverkade zon är tydliga i brottet. Undersökning av förvärmningstemperaturer från rumstemperatur till 540°C visade att förvärmning till ett minimum av 150°C var nödvändig för konsekvent produktion av engångsstumsvetsar som var fria från sprickor. Denna temperatur motsvarar basmetallens DBTI. Förvärmning till högre temperaturer verkade inte vara nödvändig i dessa tester men material med högre DBTI, eller konfigurationer som involverar svårare spänningskoncentrationer eller mer massiva delar, kan kräva förvärmning till högre temperaturer.
Kvaliteten på en svetsning beror mycket på de förfaranden som används vid tillverkning av basmetallerna. Autogena svetsar i båggjuten volfram är väsentligen fria från porositet, Fig.
3A, men svetsar i pulvermetallurgisk volfram kännetecknas av grov porositet, Fig. 3 (b), speciellt längs smältlinjen. Mängden av denna porositet, fig. 3B, särskilt längs 3C, i svetsar gjorda i en patenterad produkt med låg porositet (GE-15 tillverkad av General Electric Co., Cleveland).
Gasvolfram-bågsvetsar i CVD-volfram har ovanliga värmepåverkade zoner på grund av kornstrukturen 0£basmetaF. Figur 4 visar ytan och motsvarande tvärsnitt av en sådan gasvolframbågsstumsvets. Observera att de fina kornen vid substratytan har vuxit på grund av svetsvärmen. Också uppenbart är bristen på tillväxt hos den stora kolumnen

korn. Kolonnkornen har gas
bubblor vid korngränser orsakade av fluorföroreningar8. Följaktligen, om
den finkorniga substratytan avlägsnas före svetsning, svetsen innehåller ingen metallografiskt detekterbar värmepåverkad zon. Naturligtvis, i bearbetat CVD-material (såsom extruderade eller dragna rör) har den värmepåverkade zonen av svetsen den normala omkristalliserade kornstrukturen.
Sprickor hittades i de kolumnära korngränserna i RAZ av flera svetsar i CVD-volfram. Denna sprickbildning, som visas i fig. 5, orsakades av snabb bildning och tillväxt av bubblor i korngränserna vid höga temperaturer9. Vid de höga temperaturerna vid svetsning kunde bubblorna konsumera mycket av korngränsområdet; detta, i kombination med den spänning som uppstod under kylningen, drog isär korngränserna för att bilda en spricka. En studie av bubbelbildning i volfram och andra metallavlagringar under värmebehandling visar att bubblor förekommer i metaller avsatta under 0,3 Tm (den homologa smälttemperaturen). Denna observation antyder att gasbubblor bildas genom sammansmältning av inneslutna vakanser och gaser under glödgning. När det gäller CVD-volfram är gasen troligen fluor eller en fluorförening
Elektronstrålesvetsning—Olegerat volfram svetsades med elektronstråle med och utan förvärmning. Behovet av förvärmning varierade med provet. För att säkerställa en svets fri från sprickor, rekommenderas förvärmning åtminstone till DBTT för basmetallen. Elektronstrålesvetsar i pulvermetallurgiska produkter har också den svetsporositet som nämnts tidigare.

Gas Tungsten-Arc Braze Welding一I ett försök att fastställa om lödsvetsning kunde användas med fördel, experimenterade vi med gasvolframarc-processen för att göra lödsvetsar på pulvermetallurgisk volframplåt、 Hårdlödningssvetsarna gjordes genom att förplacera tillsatsmetallen längs med stumfog före svetsning. Hårdlödsvetsar tillverkades med olegerade Nb, Ta, Mo, Re och W-26% Re som tillsatsmetaller. Som förväntat var det porositet vid smältlinjen i metallografiska sektioner av alla leder (fig. 6) eftersom basmetallerna var pulvermetallurgiska produkter. Svetsar gjorda med niob och molybden tillsatsmetaller spruckna.
Hårdheterna för svetsar och lödsvetsar jämfördes med hjälp av en studie av sträng-på-plåt-svetsar gjorda med olegerat volfram och W一26% Re som tillsatsmetaller. Gas-volframarc-svetsarna och lödsvetsarna gjordes manuellt på olegerade volframpulvermetallurgiska produkter (den lågporositet, proprietära (GE-15) kvaliteten och en typisk kommersiell kvalitet). Svetsar och lödsvetsar i varje material åldrades vid 900, 1200, 1600 och 2000°C i 1, 10, 100 och 1000 timmar. Proverna undersöktes metallografiskt och hårdhetsövergångar togs över svetsen, värmepåverkad zon och basmetall både svetsad och efter värmebehandling.

Tabell 2

Figur 2

Eftersom materialen som användes i denna studie var pulvermetallurgiska produkter, fanns olika mängder porositet i svets- och lödsvetsavlagringarna. Återigen, lederna gjorda med typisk pulvermetallurgisk volframbasmetall hade mer porositet än de som gjordes med lågporositet, proprietär volfram. Hårdlödningssvetsarna gjorda med W—26% Re tillsatsmetall hade mindre porositet än svetsarna gjorda med den olegerade volframtillsatsmetallen.
Ingen effekt av tid eller temperatur kunde skönjas på hårdheten hos svetsarna gjorda med olegerad volfram som tillsatsmetall. Vid svetsning var hårdhetsmätningarna för svetsen och basmetallerna väsentligen konstanta och ändrades inte efter åldring. Men lödsvetsarna gjorda med W—26% Re tillsatsmetall var betydligt hårdare än basmetallen (fig. 7). Förmodligen berodde den högre hårdheten på W-Re br立e-svetsavlagringen på härdning av fast lösning och/eller närvaron av erfas finfördelad i den stelnade strukturen. Volframrheniumfasdiagrammet11 visar att lokaliserade områden med högt rheniuminnehåll kan uppstå under snabb kylning och resultera i bildandet av den hårda, spröda fasen i den mycket segregerade understrukturen. Möjligen var er-fasen fint dispergerad i kornen eller korngränserna, även om ingen var tillräckligt stor för att identifieras genom antingen metallografisk undersökning eller röntgendiffraktion.
Hårdhet är avsatt som en funktion av avståndet från lödsvetscentrumlinjen för olika åldringstemperaturer i fig. 7A. Observera den plötsliga förändringen

i hårdhet vid fusionslinjen. Med ökande åldringstemperatur minskade hårdheten hos lödsvetsen tills hårdheten efter 100 timmar vid J 600°C var densamma som för den olegerade volframbasmetallen. Denna trend med minskande hårdhet med ökande temperatur gällde för alla åldringstider. Ökande tid vid en konstant temperatur orsakade också en liknande minskning i hårdhet, som visas för en åldringstemperatur på 1200°C i fig. 7B.
Sammanfogning genom kemisk ångavsättning – Sammanfogning av volfram med CVD-tekniker undersöktes som en metod för att producera svetsar i olika provkonstruktioner. Genom att använda lämpliga fixturer och masker för att begränsa avsättningen till de önskade områdena, sammanfogades CVD- och pulvermetallurgiska volframplåtar och ändförslutningar på rör tillverkades. Avsättning i en avfasning med en inkluderad vinkel på cirka 90 grader producerade sprickbildning, fig. 8A, vid skärningspunkterna mellan kolumnformiga korn som växer från en sida av avfasningen och substratet (som etsades bort). Emellertid erhölls fogar med hög integritet utan sprickbildning eller kraftig uppbyggnad av föroreningar, fig. 8B, när fogens konfiguration ändrades genom slipning av basmetallens yta till en radie av 6 in. tangent till svetsroten. För att demonstrera en typisk tillämpning av denna process vid tillverkning av bränsleelement gjordes några ändförslutningar i volframrör. Dessa skarvar var täta när de testades med en heliummasspektrorr:eter läckdetektor.

Figur 3

Figur 4

Bild 5

Mekaniska egenskaper
Böjtester av fusionssvetsar 一 Duktila-till-spröda övergångskurvor bestämdes för olika fogar i olegerat volfram. Kurvorna i fig. 9 visar att DBTT för två pulvermetallurgiska basmetaller var cirka 1 50°C. Typiskt ökade DBTT (den lägsta temperaturen vid vilken en 90 till 105 graders böjning kunde göras) för båda materialen kraftigt efter svetsning . Övergångstemperaturerna ökade ca 175°C till ett värde av 325°C för typisk pulvermetallurgisk volfram och ökade ca 235°C till ett värde av 385°C för det patenterade materialet med låg porositet. Skillnaden i DBTT för svetsade och osvetsade material tillskrevs den stora kornstorleken och eventuell omfördelning av föroreningar i svetsarna och värmepåverkade zoner. Testresultaten visar att DBTT för typiska pulvermetallurgiska volframsvetsar var lägre än för det patenterade materialet, även om det senare hade mindre porositet. Svetsens högre DBTT i volfram med låg porositet kan ha berott på dess något större kornstorlek, fig. 3A och 3C.
Resultaten av undersökningar för att bestämma DBTT för ett antal fogar i olegerat volfram sammanfattas i tabell 3. Böjtesterna var ganska känsliga för förändringar i provningsförfarandet. Rotböjar verkade vara mer formbara än ansiktsböjar. En korrekt vald spänningsavlastning efter svetsning verkade sänka DBTT avsevärt. CVD-volframen hade, som svetsad, den högsta DBTT (560 ℃), men när den fick en 1 timmes avspänningsavlastning på 1000 ℃ efter svetsning, sjönk dess DBTT till 350 ℃. spänningsavlastning på 1000°C efter svetsning, sjönk dess DBTT till 350°C. Spänningsavlastning av bågsvetsad pulvermetallurgisk volfram under 1 timme vid 18000 C minskade DBTT för detta material med cirka 100°C från det värde som fastställts för det som- svetsade. En spänningsavlastning på 1 timme vid 1000°C på en fog gjord med CVD-metoder gav den lägsta DBTT (200°C). Det bör noteras att även om denna övergångstemperatur var avsevärt lägre än någon annan övergångstemperatur som bestämdes i denna studie, påverkades förbättringen troligen av den lägre töjningshastigheten (0,1 vs 0,5 ipm) som användes i tester på CVD-leder.

Böjtest av lödsvetsar-gas volfram-bågsvetsar gjorda med Nb. Ta, Mo, Re och W-26% Re som tillsatsmetaller böjtestades också och resultaten sammanfattas i tabell 4. Den största formbarheten erhölls med en rheniumlödsvets.

Även om resultaten av denna översiktliga studie indikerar att en olik tillsatsmetall kan producera fogar med mekaniska egenskaper inuti ett hus av homogena svetsar i volfram, kan vissa av dessa tillsatsmetaller vara användbara i praktiken.

Resultat för Tungsten Alloys.