Вольфрам і його сплави можуть бути успішно з'єднані газовим вольфрамовим дуговим зварюванням,
зварювання вольфрамовим припоєм, зварювання електронним променем і хімічне осадження з газової фази.

Була оцінена зварюваність вольфраму та ряду його сплавів, консолідованих за допомогою дугового лиття, порошкової металургії або методів хімічного осадження з газової фази (CVD). Більшість використовуваних матеріалів номінально становили лист товщиною 0,060 дюйма. Використані процеси з’єднання: (1) дугове газове зварювання вольфрамом, (2) газове дугове зварювання вольфрамом, (3) зварювання електронним променем і (4) з’єднання за допомогою CVD.
Вольфрам успішно зварювався всіма цими методами, але міцність зварних швів значною мірою залежала від типу основного та присадного металів (тобто порошкових або дугових литих виробів). Наприклад, зварні шви в дуговому литому матеріалі були відносно вільними від пористості, тоді як зварні шви в продуктах порошкової металургії зазвичай були пористими, особливо вздовж лінії плавлення. Для зварних швів із газовою вольфрамовою дугою (GTA) у нелегованому вольфрамовому листі розміром 1/1 дюйма мінімальний попередній нагрів 150° C (що було встановлено як температура переходу пластично-крихкого основного металу) дозволив отримати зварні шви без тріщин. Як основні метали, вольфрам-ренієві сплави можна було зварювати без попереднього нагрівання, але пористість також була проблемою порошкових виробів із вольфрамового сплаву. Виявилося, що попередній нагрів не впливає на пористість зварного шва, яка в основному залежить від типу основного металу.
Температури переходу від пластичної до крихкої (DBIT) для дугового зварювання з газовим вольфрамом у різних типах вольфраму порошкової металургії становили від 325 до 475 °C порівняно зі 150 °C для основного металу та 425 °C для електронно-променевого зварювання. литий вольфрам.
Зварювання вольфраму твердим припоєм з різнорідними припоями, очевидно, не давало кращих властивостей з’єднання, ніж інші методи з’єднання. Ми використовували Nb, Ta, W-26% Re, Mo і Re як наповнювачі у зварних швах. Nb і Mo спричинили серйозні розтріскування.

З'єднання за допомогою CVD при 510-560°C

усунула всю пористість, крім невеликої кількості, а також усунула проблеми, пов’язані з високими температурами, необхідними для зварювання (наприклад, великі зерна в зварному шві та в зонах термічного впливу).
вступ
Вольфрам і сплави на основі вольфраму розглядаються для ряду передових ядерних і космічних застосувань, включаючи пристрої термоелектронного перетворення, апарати, що повертаються, високотемпературні паливні елементи та інші компоненти реактора. Перевагами цих матеріалів є їх поєднання дуже високих температур плавлення, хорошої міцності при підвищених температурах, високої тепло- та електропровідності та достатньої стійкості до корозії в певних середовищах. Оскільки крихкість обмежує їх технологічність, корисність цих матеріалів у конструкційних компонентах у суворих умовах експлуатації значною мірою залежить від розробки процедур зварювання для забезпечення з’єднань, які за властивостями можна порівняти з основним металом. Таким чином, завдання цих досліджень полягали в тому, щоб (1) визначити механічні властивості з'єднань, отриманих різними методами з'єднання в декількох типах нелегованого і легованого вольфраму; (2) оцінювати вплив різних модифікацій термічної обробки та техніки з’єднання; і (3) продемонструвати можливість виготовлення тестових компонентів, придатних для конкретних застосувань.
Матеріали
Нелегований вольфрам m叮10 m. Найбільший інтерес викликав товстий лист. Нелегований вольфрам у цьому дослідженні був отриманий за допомогою порошкової металургії, дугового лиття та методів хімічного осадження з парової фази. У таблиці 1 наведені рівні домішок у отриманих продуктах порошкової металургії, CVD та дугового лиття з вольфраму. Більшість потрапляє в діапазони, номінально знайдені у вольфраму

але слід зазначити, що CVD матеріал містив більше ніж норму] кількості фтору.
Для порівняння були з’єднані різні розміри та форми вольфраму та вольфрамових сплавів. Більшість із них були продуктами порошкової металургії, хоча деякі матеріали, виготовлені за допомогою дугового лиття, також зварювалися. Конкретні конфігурації використовувалися для визначення доцільності будівельних конструкцій і компонентів. Усі матеріали були отримані в повністю холоднообробленому стані, за винятком вольфраму CVD, який був отриманий у стані депонування. Через підвищену крихкість рекристалізованого та крупнозернистого вольфраму матеріал зварювали в спрацьованому стані, щоб мінімізувати ріст зерна в зоні теплового впливу. З огляду на високу вартість матеріалу та відносно невелику кількість, ми розробили тестові зразки, у яких використовувалася мінімальна кількість матеріалу, що відповідає бажаній інформації.
Процедура
Оскільки температура переходу від пластичної до крихкої (DBTT) вольфраму вища за кімнатну температуру, необхідно бути особливо обережним під час транспортування та механічної обробки, щоб уникнути розтріскування1. Зсув спричиняє розтріскування країв, і ми виявили, що шліфування та електророзрядна обробка залишають на поверхні теплові плями. Якщо їх не видалити за допомогою притирки, ці тріщини можуть поширюватися під час зварювання та подальшого використання.
Вольфрам, як і всі тугоплавкі метали, необхідно зварювати в дуже чистій атмосфері інертного газу (газовий вольфрамово-дуговий процес) або вакууму (промінь електронів)2, щоб уникнути забруднення зварного шва проміжними елементами. Оскільки вольфрам має найвищу температуру плавлення з усіх металів (3410 °C), зварювальне обладнання має бути здатним витримувати високі робочі температури.

Таблиця 1

Використовувалися три різні процеси зварювання: газове дугове зварювання, газове зварювання вольфрамовим припоєм і зварювання електронним променем. Для кожного матеріалу визначено умови зварювання, необхідні для повного зварювання при мінімальному енерговитраті. Перед зварюванням листовий матеріал піддавався механічній обробці. широкі заготовки і знежирюють етиловим спиртом. Конструкція суглоба була квадратною канавкою без кореневого отвору.
Газова вольфрамодугова зварка
Усі автоматичні та ручні газові дугові зварювання вольфрамом були виконані в електромеханічному апараті, який підтримувався нижче 5 x I або. Торр протягом приблизно 1 години, а потім заповнений дуже чистим аргоном. Як показано на рис. 1A, камера була оснащена механізмом переміщення та головкою пальника для автоматичного зварювання. Заготівлю тримали в мідному пристосуванні, забезпеченому вольфрамовими вставками в усіх точках контакту, щоб запобігти її припаюванню до роботи під час зварювання. Основа цього пристосування містила електричні патронні нагрівачі, які попередньо нагрівали виріб до бажаної температури, рис. 1 B. Усі зварні шви виконувалися зі швидкістю переміщення 10 обертів за хвилину, струмом близько 350 ампер і напругою від 10 до 15 В. .
Зварювання припоєм газового вольфраму A『c
Зварні шви газового вольфраму та припою виконувалися в камері з інертною атмосферою за методами, подібними до

описані вище. Зварні шви валика на пластині, зроблені з використанням вольфраму та W-26% Re, були зроблені вручну; однак стикові зварні шви зварювалися автоматично після того, як присадковий метал був розміщений у стиковому з’єднанні.
Електронно-променеве зварювання
Електронно-променеві зварні шви виконано в апараті 150 кВ 20 мА. Під час зварювання підтримувався вакуум приблизно 5 x I o-6 торр. Електронно-променеве зварювання забезпечує дуже високе співвідношення глибини до ширини та вузьку зону теплового впливу.
』пофарбування хімічною парою
Вольфрамові з’єднання були виготовлені шляхом осадження нелегованого вольфрамового наповнювача за допомогою процесу хімічного осадження з парової фази3. Вольфрам осаджували відновленням воднем гексафториду вольфраму за реакцією-т
тепло
WFs(г) + 3H,(г)一–+W(s) + 6HF(г).
Використання цієї техніки для з’єднання вимагало лише незначних змін у пристосуваннях і розподілі потоку реагентів. Основна перевага цього процесу перед більш звичайними методами з’єднання полягає в тому, що, оскільки використовувані низькі температури (від 510 до 650 °C) набагато нижчі за температуру плавлення

вольфраму (3410 ° C), рекристалізація та можлива подальша крихкість обробленого основного металу вольфраму домішками або зростанням зерна зведені до мінімуму.
Було виготовлено кілька конструкцій з’єднань, включаючи стикові та торцеві заглушки. Осадження виконувалося за допомогою мідної оправки, яка використовувалася як кріплення, деталь вирівнювання та підкладка. Після завершення осадження оправку Еопера видаляли травленням. Оскільки інша робота» показала, що CVD-вольфрам має складні залишкові напруги під час осадження, ці з’єднання були відновлені напругою протягом 1 години при 1000 °C до 1600 °C перед механічною обробкою або випробуванням.
Перевірка та тестування
Перед випробуванням з’єднання перевіряли візуально, за допомогою рідкого пенетранту та рентгенографії. Типові зварні шви були хімічно проаналізовані на вміст кисню та азоту (табл. 2), а протягом усього дослідження проводилися широкі металографічні дослідження.
Через притаманну йому простоту та можливість адаптації до невеликих зразків випробування на вигин було використано як основний критерій цілісності з’єднання та порівняння процесів. Температури переходу від пластичної до крихкої визначали за допомогою пристрою для триточкового згину для з’єднань як після зварювання, так і після старіння. Основним зразком для випробувань на вигин був поздовжній

лицьовий вигин, 24t завдовжки і 12t завширшки, де t – товщина зразка. Зразки підтримувалися на прольоті 15 т і згиналися плунжером радіусом 4 т зі швидкістю 0,5 дюйма за хвилину. Ця геометрія прагнула нормалізувати дані, отримані на матеріалах різної товщини. Зразки зазвичай згинали впоперек зварного шва (зразок поздовжнього згину) для забезпечення рівномірної деформації шва, зони термічного впливу і основного металу; однак кілька зразків було зігнуто вздовж зварного шва (зразок поперечного згину) для порівняння. Вигини обличчя використовувалися на початкових етапах дослідження; однак, через невелику виїмку, виявлену на фасах більшості зварних швів через вагу розплавленого металу, кореневі вигини були замінені в наступних випробуваннях. Рекомендації Консультативної ради з матеріалів6 щодо випробування листових зразків на згин виконувалися якомога точніше. Через обмеженість матеріалу були обрані найменші рекомендовані зразки.
Щоб визначити температуру переходу згинання, пристрій для згинання поміщали в піч, здатну швидко підняти температуру до 500 °C. Згин від 90 до 105 градусів вважався повним згином. DBTT визначався як найнижча температура, при якій speeimen повністю згинається без скрипу. Незважаючи на те, що випробування проводилися на повітрі, зміна кольору зразків не спостерігалася, поки температура випробування не досягла 400 °C.

малюнок 1

Результати для нелегованого вольфраму
Загальна зварюваність
Газове дугове зварювання Turzgstea — дугове зварювання газом вольфраму 1 дюйм. Для товстого нелегованого листа заготовка повинна бути значно попередньо нагріта, щоб запобігти крихкому руйнуванню під напругою, викликаною термічним ударом. На рисунку 2 показано типове зламування, утворене зварюванням без належного попереднього нагрівання. Велика зернистість і форма зварного шва і зони теплового впливу помітні в зламі. Дослідження температур попереднього нагріву від кімнатної температури до 540°C показало, що попередній нагрів до мінімуму 150°C необхідний для стабільного виробництва однопрохідних стикових швів без тріщин. Ця температура відповідає DBTI основного металу. Попереднє нагрівання до більш високих температур у цих випробуваннях не було необхідним, але матеріал з вищим DBTI або конфігураціями, які передбачають більшу концентрацію напруги або більш масивні частини, може потребувати попереднього нагрівання до більш високих температур.
Якість зварювання значною мірою залежить від процедур, які використовуються для виготовлення основних металів. Автогенні зварні шви литого вольфраму практично не мають пористості, рис.
3A, але зварні шви в порошковій металургії вольфраму характеризуються великою пористістю, рис. 3 (b), особливо вздовж лінії плавлення. Величина цієї пористості, рис. 3B, особливо вздовж 3C, у зварювальних швах, виготовлених у запатентованому продукті з низькою пористістю (GE-15 виробництва General Electric Co., Клівленд).
Дугове зварювання газового вольфраму у вольфрамі CVD має незвичайні зони термічного впливу через зернисту структуру 0£основного метаF. На малюнку 4 показана поверхня та відповідний поперечний переріз такого стикового шва газової вольфрамової дуги. Зауважте, що дрібні зерна на поверхні підкладки виросли через тепло зварювання. Також кидається в очі відсутність росту великого колоновида

зерна. Стовпчасті зерна мають газ
bubb_les на границях зерен, спричинені домішками флуору8. Отже, якщо
дрібнозерниста поверхня підкладки видаляється перед зварюванням, зварювання не містить металографічно виявленої зони термічного впливу. Звичайно, у обробленому CVD матеріалі (такому як екструдовані або тягнуті труби) зона зварного шва, піддана термічному впливу, має нормальну рекристалізовану зернисту структуру.
Тріщини були виявлені на стовпчастих границях зерен у RAZ кількох зварних швів у CVD-вольфрамі. Це розтріскування, показане на рис. 5, було викликане швидким утворенням і зростанням бульбашок на границях зерен при високих температурах9. При високих температурах, пов’язаних із зварюванням, бульбашки змогли поглинути більшу частину межі зерен; це, у поєднанні з напругою, що виникла під час охолодження, розтягнуло межі зерен, утворивши тріщину. Дослідження утворення бульбашок у вольфрамі та інших металевих відкладеннях під час термічної обробки показує, що бульбашки виникають у металах, нанесених нижче 0,3 Тм (температура гомологічного плавлення). Це спостереження свідчить про те, що газові бульбашки утворюються шляхом злиття захоплених вакансій і газів під час відпалу. У випадку CVD-вольфраму газ, ймовірно, є фтором або фторидною сполукою
Електронно-променеве зварювання — нелегований вольфрам був зварений електронним променем з попереднім нагріванням і без нього. Потреба в попередньому нагріванні змінювалася в залежності від зразка. Щоб забезпечити зварювання без тріщин, рекомендується попередній нагрів принаймні до DBTT основного металу. Електронно-променеві зварювальні шви в продуктах порошкової металургії також мають пористість швів, згадану раніше.

Дугове зварювання газовою вольфрамовою дугою一 Щоб визначити, чи можна використати зварювання твердим припоєм, ми експериментували з процесом газової вольфрамової дуги для створення зварювальних швів на вольфрамовому листі порошкової металургії、 Зварювальні шви було виконано шляхом попереднього розміщення присадного металу вздовж стик перед зварюванням. Зварні шви твердим припоєм вироблялися з нелегованим Nb, Ta, Mo, Re та W-26% Re як наповнювач. Як і очікувалося, спостерігалася пористість на лінії сплавлення на металографічних розрізах усіх з’єднань (рис. 6), оскільки основними металами були продукти порошкової металургії. Зварні шви, зроблені з ніобієвим і молібденовим наповнювачем, потріскалися.
Твердість зварних швів і зварних швів твердим припоєм порівнювали за допомогою дослідження зварних швів валика на пластині, виготовлених з використанням нелегованого вольфраму та W一26% Re як наповнювача. Зварні шви газової вольфрамової дуги та зварювання твердим припоєм виконувалися вручну на продуктах порошкової металургії з нелегованого вольфраму (низькопористий, запатентований (GE-15) сорт і типовий комерційний сорт). Зварні шви та шви твердого припою в кожному матеріалі витримали при 900, 1200, 1600 і 2000 °C протягом 1, 10, 100 і 1000 годин. Зразки досліджували металографічно, і проводили вимірювання твердості вздовж зварного шва, зони теплового впливу та основного металу як після зварювання, так і після термічної обробки.

Таблиця 2

Малюнок 2

Оскільки матеріали, використані в цьому дослідженні, були продуктами порошкової металургії, у зварювальних швах і зварювальних відкладеннях була присутня різна кількість пористості. Знову ж таки, з’єднання, виготовлені з використанням типового для порошкової металургії основного металу вольфраму, мали більшу пористість, ніж з’єднання, виготовлені з низькопористого запатентованого вольфраму. Зварні шви, зроблені з W-26% Re наповнювачем, мали меншу пористість, ніж зварні шви, виконані з нелегованим вольфрамовим наповнювачем.
Не було помічено впливу часу або температури на твердість зварних швів, виготовлених з використанням нелегованого вольфраму як наповнювача. Під час зварювання показники твердості зварного шва та основного металу були практично постійними та не змінювалися після старіння. Однак зварні шви, виготовлені з W—26% Re, були значно твердішими, ніж основний метал (рис. 7). Ймовірно, вища твердість наплавленого шва W-Re br立e була зумовлена ​​твердінням у твердому розчині та/або наявністю тонко розподіленої фази в затверділій структурі. Фазова діаграма вольфрам-ренію11 показує, що локалізовані області з високим вмістом ренію можуть виникнути під час швидкого охолодження та призвести до утворення твердої, крихкої фази er у сильно розділеній субструктурі. Можливо, фаза er була тонко диспергована в зернах або на межах зерен, хоча жодна з них не була настільки великою, щоб її можна було ідентифікувати за допомогою металографічного дослідження або рентгенівської дифракції.
Твердість зображена на графіку як функція відстані від центральної лінії пайки та зварювання для різних температур старіння на рис. 7A. Зверніть увагу на різку зміну

у твердості на лінії сплавлення. Зі збільшенням температури старіння твердість зварного шва паяного припою зменшувалася, доки після 100 годин при J 600°C твердість не була такою ж, як у нелегованого основного металу вольфраму. Ця тенденція до зменшення твердості з підвищенням температури збереглася протягом усіх періодів старіння. Збільшення часу при постійній температурі також викликало аналогічне зниження твердості, як показано для температури старіння 1200°C на рис. 7B.
З’єднання за допомогою хімічного осадження з парової фази — з’єднання вольфраму за допомогою методів CVD було досліджено як метод для отримання зварних швів у різних конструкціях зразків. Використовуючи відповідні пристосування та маски для обмеження осадження на бажаних ділянках, вольфрамові листи з CVD та порошкової металургії були з’єднані та виготовлені торцеві заглушки на трубах. Осадження в скосі з кутом близько 90 градусів викликало розтріскування, рис. 8A, на перетинах стовпчастих зерен, що ростуть з однієї поверхні скосу та підкладки (яка була витравлена). Проте, були отримані з’єднання високої цілісності без розтріскування або значного накопичення домішок, рис. 8B, коли конфігурація з’єднання була змінена шляхом шліфування поверхні основного металу до радіуса ³ дюймів. по дотичній до кореня зварного шва. Щоб продемонструвати типове застосування цього процесу у виготовленні тепловиділяючих елементів, у вольфрамових трубках було зроблено кілька торцевих заглушок. Ці з’єднання були герметичними під час випробувань гелієвим мас-спектрометричним течедетектором.

малюнок 3

малюнок 4

малюнок 5

Механічні властивості
Випробування на згин зварювання плавленням 一Криві переходу від пластичного до крихкого були визначені для різних з’єднань у нелегованому вольфрамі. Криві на рис. 9 показують, що DBTT двох недорогоцінних металів порошкової металургії становила близько 150°C. Як правило, DBTT (найнижча температура, за якої можна було б виконати вигин від 90 до 105 градусів) обох матеріалів значно збільшилася після зварювання. . Температури переходу зросли приблизно на 175°C до значення 325°C для типового вольфраму порошкової металургії та збільшилися приблизно на 235°C до значення 385°C для низькопористого запатентованого матеріалу. Різниця в DBTT зварного і незвареного матеріалу пояснюється великим розміром зерен і можливим перерозподілом домішок зварних швів і зон термічного впливу. Результати випробувань показують, що DBTT типових зварних швів з вольфраму порошкової металургії був нижчим, ніж у запатентованого матеріалу, навіть якщо останній мав меншу пористість. Вищий DBTT зварного шва у вольфраму з низькою пористістю, можливо, був наслідком його дещо більшого розміру зерна, рис. 3A та 3C.
Результати досліджень для визначення DBTT для ряду з'єднань з нелегованого вольфраму підсумовані в таблиці 3. Випробування на згин були досить чутливими до змін у процедурі випробувань. Корінні вигини виявилися більш пластичними, ніж лицьові. Правильно підібране зняття напруги після зварювання значно знизило DBTT. Вольфрам CVD у зварюваному стані мав найвищий DBTT (560 ℃)； однак, коли після зварювання його було знято на 1000 ℃ протягом 1 години, його DBTT впав до 350 ℃. Зняття напруги 1000° C після зварювання, його DBTT впав до 350° C. Зняття напруги вольфраму, звареного дуговим методом порошкової металургії, протягом 1 години при 18000 C зменшило DBTT цього матеріалу приблизно на 100° C від значення, визначеного для нього як- зварні. Зняття напруги протягом 1 години при 1000 ° C на з'єднанні, виготовленому методами CVD, дало найнижчий DBTT (200 ° C). Слід зазначити, що хоча ця температура переходу була значно нижчою, ніж будь-яка інша температура переходу, визначена в цьому дослідженні, на покращення, ймовірно, вплинула нижча швидкість деформації (0,1 проти 0,5 дюймів на хвилину), яка використовувалася в тестах на CVD-суглобах.

Випробування на згинання зварювальних швів паяним припоєм, газом вольфраму та дугової пайки, виготовлених з Nb. Ta, Mo, Re і W-26% Re як наповнювачі також були випробувані на вигин, і результати підсумовані в таблиці 4. Найбільшу пластичність було отримано за допомогою зварювання ренієвим припоєм.

Хоча результати цього побіжного дослідження вказують на те, що різнорідний присадний метал може створювати з’єднання з механічними властивостями, внутрішніми до однорідних зварних швів у вольфрамі, деякі з цих присадних металів можуть бути корисними на практиці.

Результати для вольфрамових сплавів.