نشریه علوم و مهندسی سطح

نشریه علوم و مهندسی سطح

بررسی ریزساختاری اتصال نفوذی روکش تنگستن بر زیرلایه مولیبدن به روش سینترینگ پلاسمای جرقه‌‌ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شیراز
2 هیات علمی / دانشکده مهندسی و علم مواد-دانشگاه صنعتی شیراز
چکیده
در بسیاری از لامپ‌های تولید پرتو ایکس استفاده‌شده در صنعت پزشکی، مانند تجهیزات رادیولوژی و سی تی اسکن، برای ساخت قطعات حساس آند چرخان از روکش ضخیم تنگستن بر مولیبدن بهره‌گیری می‌شود. یکی از روش‌های اعمال این پوشش، فرایند جوشکاری سطحی است که در صورت کنترل ریزساختار فصل مشترک با فرایندهای پیشرفته نظیر سینترینگ پلاسمای جرقه‌ای (SPS) می‌تواند پاسخگوی نیازهای مهندسی برای کاربرد آند باشد. این روش با اعمال جریان مستقیم پالسی، نرخ‌های بالای حرارت‌دهی و نفوذ اتمی را ممکن می‌سازد و بهبود چشمگیری در بازده فرآیند اتصال ایجاد می‌کند. در این پژوهش، برای نخستین بار، مقاطع مدور تنگستن و مولیبدن خالص با استفاده از SPS به طور موفقیت‌آمیز جوشکاری شدند. تأثیر پارامترهایی مانند دمای جوشکاری، نسبت طول به قطر (L/D) و عملیات حرارتی پس از جوشکاری بر ریزساختار و عمق نفوذ جوش بررسی شد. افزایش دما از 1500 به C 1600 موجب افزایش پهنای فصل مشترک جوش از 2/1 به 8/1 میکرومتر شد. با این حال، در دمای C 1600 ناپیوستگی‌هایی در فصل مشترک مشاهده شد. در مقابل، جوشکاری در دمای C 1550 با پهنای فصل مشترک 7/1 میکرومتر (بیش از 4 برابر روش‌های نفوذی معمولی تحت شرایط دمایی و زمانی مشابه)، بهترین نتایج را ارائه داد. همچنین، عملیات حرارتی در دمای C 1450 در هیدروژن باعث بهبود کیفیت اتصال و رفع عیوب جوش شد. نتایج نشان داد تکنیک SPS می‌تواند پوشش تنگستن بر مولیبدن با کیفیت بالا و ریزساختار مطلوب ایجاد نموده و به پیشبرد فناوری‌های پوشش‌دهی و اتصال برای قطعات حساس کمک کند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]         C. Han, X. Yang, B. Nong, Z. Zhu, J. Zhang, One-step preparation, microstructure and properties of WRe/TZM gradient material for X-ray tube of CT scanner, J. Mater. Res. Technol. 15(2021)2646–2657. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.09.109.
[2]         S. Webb, The Physics of Medical Imaging, CRC Press,1988. https://doi.org/10.1201/9780367805838.
[3]         C.C. Lin, C.H. Shu, C. Chen, R.K. Shiue, H.J. Shy, Brazing porous tungsten and molybdenum using palladium and titanium foils, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 31 (2012) 284–287. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2011.10.007.
[4]         P. Liu, K. Feng, G. Zhang, A novel study on laser lap welding of refractory alloy 50Mo–50Re of small-scale thin sheet, Vacuum. 136 (2017) 10–13. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2016.11.001.
[5]         J. Long, L.-J. Zhang, J. Ning, S.-J. Na, Effect of ambient pressure change on pure tungsten laser spot welding, Weld. World. 66 (2022) 2133–2141. https://doi.org/10.1007/s40194-022-01372-8.
[6]         A. Chatterjee, S. Kumar, R. Tewari, G.K. Dey, Welding of Mo-Based Alloy Using Electron Beam and Laser-GTAW Hybrid Welding Techniques, Metall. Mater. Trans. A. 47 (2016) 1143–1152. https://doi.org/10.1007/s11661-015-3267-8.
[7]         G. Chen, Q. Yin, X. Shu, Y. Bi, B. Zhang, J. Feng, Microstructure and properties of electron beam welded joints of tantalum and tungsten, Weld.World.62(2018)775–782. https://doi.org/10.1007/s40194-018-0600-z.
[8]         J. Ning, L.-J. Zhang, B.-Y. Yang, R.-Y. Ma, Y.-J. Sun, Improved quality of resistance spot welded joints for molybdenum sheets in lap configuration by adding titanium interlayer, Mater. Res. Express.8(2021)066522. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ac083d.
[9]         J. Xu, X. Jiang, Q. Zeng, T. Zhai, T. Leonhardt, J. Farrell, W. Umstead, M.P. Effgen, Optimization of resistance spot welding on the assembly of refractory alloy 50Mo–50Re thin sheet, J. Nucl. Mater.366 (2007) 417–425. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2007.03.030.
[10]       H. Fujii, Y. Sun, H. Kato, Microstructure and mechanical properties of friction stir welded pure Mo joints, Scr. Mater. 64 (2011) 657–660. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.12.014.
[11]       Q. Yao, H. Cheng, J. Fan, H. Yan, C. Zhang, High strength Mo/Ti6Al4V diffusion bonding joints: Interfacial microstructure and mechanical properties, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 82 (2019),159–166. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2019.04.009.
[12]       J. Zhang, Y. Huang, Y. Liu, Z. Wang, Direct diffusion bonding of immiscible tungsten and copper at temperature close to Copper’s melting point, Mater. Des. 137 (2018) 473–480. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.10.052.
[13]       T. Aravinda, H.B. Niranjan, B. Satish Babu, M. Udaya Ravi, Solid State Diffusion Bonding Process-A Review, IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng.1013(2021)012011. https://doi.org/10.1088/1757-899X/1013/1/012011.
[14]       V.R. Saranam, B. Mullany, A. Tabei, S. Srenevas, C. Evans, B.K. Paul, Surface topographical effects in the diffusion bonding of 316 stainless steel, J. Mater. Process. Technol. 296(2021)117173. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117173.
[15]       M.-T. Chiang, K.-Y. Chiu, P.-C. Wu, S.-Y. Chang, Y.-K. Sun, T.-H. Chuang, Improvement of the Mechanical Properties of the Diffusion-Bonded 2024 Aluminum Alloy through Post-Weld Heat Treatments, Metals (Basel). 12 (2022) 1738. https://doi.org/10.3390/met12101738.
[16]       Z. Yang, K. Hu, D. Hu, C. Han, Y. Tong, X. Yang, F. Wei, J. Zhang, Y. Shen, J. Chen, X. Wu, Diffusion bonding between TZM alloy and WRe alloy by spark plasma sintering, J. Alloys Compd. 764(2018)582–590. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.06.111.
[17]       P. Dong, Z. Wang, W. Wang, S. Chen, J. Zhou, Understanding the spark plasma sintering from the view of materials joining, Scr. Mater. 123 (2016)118–121. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2016.06.014.
[18]       D.-G. Liu, H.-R. Ma, C.-F. Ruan, L.-M. Luo, X. Zan, Z.-M. Wang, Y.-C. Wu, Effective joining between oxide dispersion strengthened tungsten-based material (ODS-W) and TZM alloy via spark plasma sintering technology, Results Mater. 9(2021)100175. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2021.100175.
[19]       Y. DING, J. WANG, M. ZHAO, D. JU, Effect of annealing temperature on joints of diffusion bonded Mg/Al alloys, Trans. Nonferrous Met. Soc. China. 28 (2018) 251–258. https://doi.org/10.1016/S1003-6326(18)64658-8.
[20]       W. Erley, H. Wagner, Volume interdiffusion in the molybdenum–tungsten system, Phys. Status Solidi. 6 (1971) 543–550. https://doi.org/10.1002/pssa.2210060223.
[21]       S. V. Nagender-Naidu, A.M. Sriramamurthy, P.R. Rao, The Mo−W (Molybdenum-Tungsten) system, Bull. Alloy Phase Diagrams. 5 (1984) 177–180. https://doi.org/10.1007/BF02868956.
[22]       S. Deng, T. Yuan, R. Li, M. Zhang, S. Xie, M. Wang, L. Li, J. Yuan, Q. Weng, Influence of electric current on interdiffusion kinetics of W-Ti system during spark plasma sintering, Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 75 (2018) 184–190. https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2018.04.014.
[23]       P.D. Desai, T.K. Chu, H.M. James, C.Y. Ho, Electrical Resistivity of Selected Elements, J. Phys. Chem. Ref. Data. 13 (1984) 1069–1096. https://doi.org/10.1063/1.555723.
[24]       P. Shewmon, Diffusion in Solids, Springer International Publishing, Cham, 2016. https://doi.org/10.1007/978-3-319-48206-4.
[25]       H. Mehrer, Diffusion in Solids, Springer Berlin Heidelberg, Berlin, Heidelberg, 2007. https://doi.org/10.1007/978-3-540-71488-0.
[26]       G. Neumann, C. Tuijn, Self-Diffusion and Impurity Diffusion in Group VI Metals, in: 2008: pp. 239–257. https://doi.org/10.1016/S1470-1804(08)00006-0.
 [27]      S. Rudinsky, R. Gauvin, M. Brochu, The effects of applied current on one-dimensional interdiffusion between copper and nickel in spark plasma sintering, J. Appl. Phys. 116 (2014) 1–7. https://doi.org/10.1063/1.4898158.