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EMI1.1
igBg!g!¯!-!!:!-U!.r!r!g!!!!¯i!±¯!!!!2!-E!.!!!.f!8-!gS à-l'état-solide.
La présente invention concerne un procédé pour la jonction des métaux réfractaires. les métaux réfractaires tels que le tungstène, le tantale. le molybdène et le niobium et leurs alliages sont utiles pour de nombreuses applications aux hautes tem- pératurea dans les domaines de l'énergie nucléaire et de* études spatiales. Différents problèmes sont apparue pour la jonction de ces métaux.
Avec les procédés par fusion tels que la soudure et la brasure, l'utilisation des al- liages de brasure ou des matières de charge n'est fréquem- ment traduite par un abaissement du point de fusion du métal de base à la jonction, en réduisant les possibilités
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d'utilisation du métal aux température élevées, De plus, les joint* obtenu* par ces procédé.
ont souvent tendance à être cassants* Dans le cas de la fabrication d'ensembles complexes tels que les structures gaufres* ou en nid d'abeilles étudiée* pour avoir une résistance élevée et un poids faible, ces procédés sont impratica- bles en raison du positionnement et de la manutention compliquée nécessaires* Pour établir la jonction de feuilles mince.
de métal avec des pièces épais..., les techniques par fusion produisent une déformation parée que la pièce épaisse se comporte en dissipateur de cha- leur et que la feuille mince fond et n'écoule avant que la pièce épaisse atteigne la température de fusion* Il est facile de voir qu'un procédé perfectionné pour éta- blir la jonction facilitera l'utilisation de ces métaux.
La présente invention a par * suite pour but d'établir un procédé pour la jonction de...;taux rétrao- taires.
Un autre but de 1'invention est d'établir un procède pour la jonction du tungstène, du tantale, du molybdène, du niobium, du rhénium et du vanadium et de leurs alliacée.
Un autre but de l'invention est d'établir un procédé pour établir la jonction de ces métaux sans fusion de la surface de la jonction.
D'autre. buts et avantagea de l'invention res- sortiront de la description détaillée qui suit.
Conformément à l'invention, les métaux réfractaires sont joints à eux-mêmes et l'un à l'autre en amenant des surfaces pratiquement exemptes d'oxydes de ces métaux en contact dans une atmosphère protectrice à une température d'au oins 1350*0 et **-dessous du
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point de fusion du métal ayant le point de fusion le plus bas. Une liaison métallurgique solide ayant * en. tiellement les propriétés du métal de base est obtenue par une liaison par diffusion à l'état solide.
Une pression minimale *et seulement nécessaire à travers l'interface, et des structures complexes peurent être fabriquées facilement en maintenant légèrement en posi- tion les constituante de la strueture pendant la liai- son. Ce procédé ne nécessite pas la fusion à la surface de jonction de sorte que la formation d'un composé cas- saut ou fragile et la déformation sont évitée*.
Il a été constaté conformément à l'inven- tien que la liaison par diffusion à l'état solide des métaux réfractaire* est obtenue facilement en amenant simplement des surfaces du métal exemptée d'oxyde en contact dans une atmosphère protectrice à une tempéra- ture supérieure à environ 1350 C, cependant du métal particulier et de l'état de surface. Bien que l'inven- tion ne doit pas être considérée comme limitée par une théorie particulière, il est considéré qur la migration aux frontières des grains à travers le plan de contact des métaux est le mécanisme principal dans 1* établisse- ment de la liaison.
De plue, la liaison résulte par- tiellement du changement du plan de contact à une fron- tière des grains normaux nana migration appréciable.
Dans les conditions de vide préférées, les oxydes de ces métaux sont relativement volatils ou solubles dans le métal de base à la température de liaison et par suite ne sont pas présente à 1'interface pour Influer sur la liaison.
Le procédé selon l'invention trouve princi- palement son application dans le cas des métaux réfrac-
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ta1ree du groupe constitué peur le tungstène, le tantalt, le molybdène, le niobium, le rhénium et le vanadium et
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les alliage. constitués par une combinai son de ose ad. taux, De$ alliages présentant un intérêt part1oul1. pour l'utilisation aux température$ élevée* sont 1'&1- liage ttug'stbrie.2i en poids de rhénium, 1'&111.", tmtale-10% en polde de tungstène et l'alliage wolylt- dn'-5 en poids de rhénium.
D'autres êta= et ailla Ses à points de fusion plus bas sont aussi susceptibles de liaison par diffusion,, pourra que des carsotériati- ques convenable de surface soient établie*. Cependant,
EMI4.3
du fait de facteurs tels que la formation de oompoude inte=étallîquen et la structure granulaire défavorable, l'application du présent procédé à un xtetal partioulier ou à une combinaison de métaux en dehors de ce groupe ne peut pas être considérée avec certitude, En général, les alliages renfermant un total d'au moins 25% d'un ou plu-
EMI4.4
sieurs des métaux oi-dessus, le reste étant forme de té- taux en dehora de ce groupe, peuvent être jointe par le procédé selon l'invention.
EMI4.5
La température réconnaire pour la liaison varie avec le métal ou la combinaison de métaux particu- liera et avec l'état de surfaces La température diminue
EMI4.6
pour les finis de surface plus lianes et avec une atrue- ture granulaire plus fine. Dans les conditions les plus favorables, par exemple pour la jonction d'une feuille de tungstène à grain très fin, très lisser aux autres métaux, une température minimale d'environ 1350 C à
EMI4.7
z00*0 peut être utilisée. Pour une matière en feuille disponible couramment obtenue par laminage à froid, une température d'au moins 1600*0 environ cet néceteaire.
Sauf pour un matériau très lisse, les températures né-
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cessaires pour la fonction Au tungstène et du tantale à eux-mêmes et aux autres métaux sont plus élevée$ que celles nécessaires pour les autres métaux ou leurs com- binai son ,
La température exacte nécessaire pour la liai. son avec un choix donné de métaux et d'états de surface peut être déterminée empiriquement en augmentant progres- si-vexent le chauffage de l'assemblage des métaux jusqu'à ce qu'une liaison commence à se former* Une température jusqu'au point de fusion du métal en cours de liaison ayant le point de fusion le plue bas peut tire utilisée* L'assemblage de métaux est maintenu à cette température pour obtenir de la liaison complète,
une durée d'environ une heure étant normalement suffisante* De* durée* plus prolongées sont normalement nécessaires lorsque la tempé- rature est abaissée* l'utilisation d'une atmosphère protectrice et d'une surface de métal pratiquement exemple d'oxyde sont critiques pour le procédé selon l'invention.
Une atmosphère de gaz inerte, tel que l'hélium, ou le vide, peut être utilisée. Le travail tous vide est préféré parce que les oxydes de ces métaux sont relativement volatils ou solubles dans le métal de base aux tempéra- tures utilisées, et l'obtention d'une surface exempte d'oxyde est facilitée. Une pression de vide ne dépassent pas environ 1 x 10-5 millimètre de mercure convient dans ce but.
Les oxydes peuvent aussi tire éliminée de la surface du métal par des moyens mécaniques tolu qu'un jet de vapeur ou par traitement chimique en uti- lisant des solutions d'acides par exemple une solu- tion d'acides lactique-fluorhydrique-nitrique avec des proportions en volume de 3:1:1, respectivement Sauf en ce qui concerne l'absence pratique d'oxydes l'état
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de surface du métal atout pas critique* Cependant, le poli maximal cet préfère, en même temps qu'une etruc- ture à grain fin, ainsi qu'on l'obtient par travail à froid, par exemple par laminage à froid.
La pression utilisée pour mener les sur- face* des métaux en contact n'est pas oritique, les pièces métalliques peuvent simplement être empilées l'une sur l'autre suivant la disposition géométrique relative désirée. Cependant, pour assurer l'existence d'un bon contact, il est préférable de serrer ou de forcer les pièces l'une contre l'autre à une pression faible, par exemple 0,35 kg/cm2.
Suivant un autre mode de mine en oeuvre de l'invention le tungstène, le tantale, le molybdène et le niobium et les alliages renfermant une partie majeure de ces métaux peuvent tire jointe à eux-mêmes et l'un à l'autre en plaçant une couche de vanadium ou de titane entre les surfaces des métaux La liaison de l'assemblage résultant peut être effectuée par chauf- fage à une température d'environ 1400*0 à 1650*0. Ce mode d'opérer est avantageux du fait que la liaison est effectuée à une température plue basse que cella qui serait nécessaire autrement, saut avec une matière à grain fin,
très lien*. La couche interposée peut avoir la forme d'un clinquant ou d'une feuille de métal, de préférence d'une épaisseur de 25 à 125 nierons environ ou d'une poudre du métal ou de l'hydrure du métal fine- ment divisée* dispersé** la mise en place de la poudre de métal ou de l'hydrure peut tira améliorée en utili- sant une/pâte volatile ou un liant tel que du oollo- dion.
Suivant un autre mode de aise en oeuvra
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de l'invention, les métaux et le allia ou indiqués ci-dessus peuvent être joints à eux-mêmes en plaçait une couche mince du même métal entre les surfaces à joindre de la état façon, qu'avec la couche interposée de vanadium ou de titane* Un clinquant de métal de 25 à 150 microns d'épaisseur de la poudre finement di- vinée du métal ou l'hydrure du métal peuvent être uti- liée*. Pour la matière en poudre, la dispersion dans une pâte volatil@ est préférée.
Le contact des surfa- ces eat amélioré par le matériau interposé et la tem- pérature nécessaire pour la liaison est abaissées Cette variante est préférée quand les surfaces des métaux devant être jointe sont relativement rugueuses, de sorte que la liaison aurait lieu autrement sur un nom- bre limité de points de contact seulement* EXEMPLE I
Cinq métaux réfractaires ont été liée à eux-mêmes et les una aux autres en procédant de la façon suivante t
Des fouille* de métal de 12,7 mm par 12,7 mm et d'une épaisseur de 0,25 mm, ayant un fini lisse ob- tenu par laminage à froid sont passées en contact nous une pression de 0,35 kg/cm2.
Les assemblages résultante sont chauffé* dans un four nous un ride de 1 x 10-5 millimètres de mercure, chacun pendant une heure à 1400*0 et ensuit, successivement à des températures plus élevées jusqu'à ce que les feuille* soient liées, les températures nécessaires pour la liaison des cou- ples des métaux sont données par le tableau suivants
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TABLEAU I
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<tb> températures <SEP> de <SEP> liaison <SEP> peur <SEP> .'taux <SEP> réfractaires.
<SEP> ( C)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Métal <SEP> du <SEP> couple <SEP> W <SEP> Ta <SEP> Mo <SEP> Nb <SEP> V
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tungstène <SEP> 1950 <SEP> 1950 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tantale <SEP> 1950 <SEP> 1950 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdène <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Niobium <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400
<tb>
Ces températures sont typiques pour la liaison de matériaux en feuilles ayant un fini type classique* EXEMPLE II
Un clinquant de tungstène et deux types de feuille* de tungstène sont soudés à eux-mêmes, l'un à. l'autre et au tantale,
au molybdène, au niobium, au vanadium, à un alliage tungstène-26% en poids de rhénium et à un alliage tantale-10% en poids de tunge- tène. Le clinquant de tungstène utilisé est d'une épaisseur de 38 microns avec une surface très lisse et une structure granulaire fragmentée fine obtenue par travail à froid et traitements de suppression des tensions internes. Un type de feuille de tungstène utilisé est une feuille d'une épaisseur de 0,76 mm avec une caractéristique de surface classique appelée -fini normal", c'est-à-dire le fini par le laminage à chaud de la poudre frittée.
L'autre type de feuille de tungstène utilisé est une feuille de 0,127 mm d'épaisseur ayant un -fini brillant* c'est-à-dire un fini produit par laminage à basse température dans un laminoir équipé de cylindres de laminage en carbure dur à poli poussé* Lee autres métaux et alliages uti- lisée sont des feuilles d'une épaisseur de 0,25 mm
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ayant une surface donne lien* obtenue par laminage froid.
Pour chaque couple des métaux, les fouilles de 12,7 mm par 12,7 mm sont placées en contact sous une pression d'environ 0,07 kg/cm2 et mont chauffé*@ de la façon indiquée pour l'exemple I. les résultat* obtenue sont donnée par le tableau suivants
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TABLEAU II
EMI10.1
<tb> Températures <SEP> nécessaires <SEP> pour <SEP> la <SEP> liaison <SEP> du <SEP> clinquant <SEP> de <SEP> tungstène
<tb> et <SEP> de <SEP> la <SEP> feuille <SEP> de <SEP> matière <SEP> ( C)
<tb> Matières <SEP> liées <SEP> Climuant <SEP> W <SEP> W <SEP> 0.76 <SEP> W <SEP> 0.125 <SEP> Ta <SEP> Mo <SEP> Cb <SEP> V <SEP> W-26Re <SEP> Ta-10W
<tb> Clinquant <SEP> tungstène <SEP> 1365 <SEP> 1365* <SEP> 1365* <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365
<tb> Feuille <SEP> tungstène
<tb> (0,76 <SEP> mm, <SEP> fini <SEP> noraal) <SEP> 1365 <SEP> 2480 <SEP> 2200 <SEP> 2200 <SEP> 2200 <SEP> 1955 <SEP> 1365 <SEP> 2480 <SEP> 2200
<tb> Feuille <SEP> tungstène
<tb> (0,127 <SEP> mm, <SEP> fini <SEP> brillant)1365 <SEP> 2200 <SEP> 1955 <SEP> 1955 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1365 <SEP> 2480 <SEP> 1955
<tb> * <SEP> Liaison <SEP> locale <SEP> ou <SEP> par <SEP> point <SEP> aux <SEP> points <SEP> de <SEP> contact.
<tb>
Il <SEP> ressort <SEP> du <SEP> tableau <SEP> ci-dessus <SEP> que <SEP> la <SEP> température <SEP> de <SEP> liaison <SEP> est <SEP> sensiblement <SEP> abaissée <SEP> pour <SEP> la
<tb> matière <SEP> en <SEP> clinquant <SEP> très <SEP> lisse.
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
EXEMPLE III
Deux fouilles de molybdène de 12,7 x 12,7 mm et 4 'une épaisseur de 51 nierons sont liée* par chauf- tale nous vida de 1 x 10-5 mm Hg pendant une heure à 1650 C Boue une pression de 0,35 kg/cm2. Le joint résultant, après mime à nu par attaque avec une solu- tion d'acides lactique-nitrique-fluorhydrique (rapport 6-2-1 en volume) eat photographié avec agrandissement de 250 foin* L'examen de la photographie révèle que l'interface initiale est impossible à distinguer du métal de base, les graine des deux fouilles ayant subi une croissance complète les uns dans les autres pour produire une structure continue.
EXEMPLEIV Ses essais de résistance à la rupture ont été effectuée sur un alliage tantale-10% en poids de tungstène comportant une jonction obtenue par le pro- cédé selon l'invention pour déterminer la résistance du joint liée Des éprouvettes d'essais formées de ma- tiers en feuille d'une épaisseur de 5 mm, et une lar- geur de la partie d'essais de 6,35 ma sont préparées avec un recouvrement lié de 6,35 mm. La. liaison est obtenue par chauffage des fouilles à recouvrement dans un four Boue un vide de 1 x 10-5 mm Hg à 2200*0 pendant quatre heures.
les éprouvettes liées en mené temps que des éprouvettes témoin sans joint et des éprouvettes obtenues par soudure au faisceau électronique mont essayées en exerçant une traction constante de 0,42 kg/mm2 ou 0,70 kg/mm2 parallèlement au sens de laminage à 2600*0 en atmosphère d'hydrogène sont essayées, et le temps après lequel la rupture de l'éprouvette a lieu est observé. L'allongement de l'éprouvette sur une
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EMI12.1
longueur d'essai âe 25 4 au est aussi *06='d- les ré- eultate des essai appara:1ee'!1i sur le tableau 8uiTU--.
TABLEAU III
EMI12.2
Essai. de résistance à la rupture d'un alliste ta 10V à 2600*0.
3prOuTette Procédé Chargeât temps de J.llo..tJ1t Ne de kg/1D11I!- rupture jet
EMI12.3
<tb> liaison <SEP> heures
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> témoin <SEP> 0,70 <SEP> 1,35 <SEP> 110,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sans
<tb>
<tb>
<tb> jonction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> témoin <SEP> 0,70 <SEP> 1,58 <SEP> 129,0
<tb>
<tb>
<tb> sans
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> jonction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> soudé <SEP> 0,70 <SEP> 1,38 <SEP> 84,0
<tb>
<tb>
<tb> faisceau
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> électrons
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,70 <SEP> 1,53 <SEP> 88,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> témoin <SEP> 0,42 <SEP> 9,20 <SEP> 136,
0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> sans
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> jonction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> témoin <SEP> 0,42 <SEP> $,Il <SEP> 109,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Bans
<tb>
<tb>
<tb> fonction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> soudé <SEP> 0,42 <SEP> 9,1
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> faisceau
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> électron$
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> @ <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,42 <SEP> 7,87 <SEP> 98,3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
Il ressort du tableau qui précède qu'une jonction d'une résistance élevée est obtenue par la liaison par diffusion* Dans chaque cas, la rupture de l'éprouvette liée atout produite en un point autre que l'interface de jonction* EXEMPLE V
Des éprouvette en feuille de tantale .'un.
épaisseur de 0,254 mm avec une jonction obtenue par liaison par diffusion sont soumisse aux essaie de char- ge à la rupture de la façon décrite dans l'exemple IV.
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les éprouvette* sont liées par chauffage des fouilles à recouvrement pendant une heure à 2200*0 sous vide de 1 x 10-5 mm Hg, les feuille* étant mines en contact nous une pression de 0,14 kg/cm2. Des éprouvettes té- moin nana jonction et des éprouvettes soudée* au fais- oeau d'électrons sont aussi essayé*** Les essaie sont conduite en atmosphère d'hydrogène à 2600 C.
Les ré- sultats obtenue sont donnés par le tableau ei-après; TABLEAU IV
EMI13.1
<tb> Basai <SEP> de <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> de <SEP> tantale <SEP> lié <SEP> par
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Eprouvette <SEP> Procédé <SEP> de <SEP> Charge <SEP> Temps <SEP> de <SEP> Allongement
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> liaison <SEP> Kg/mm2 <SEP> rupture
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> heures
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> témoin <SEP> 0,21 <SEP> 0,27 <SEP> 75,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> témoin <SEP> 0,175 <SEP> 0,53 <SEP> 67,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> témoin <SEP> 0,14 <SEP> 1,35 <SEP> 48,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,14 <SEP> 1,1 <SEP> 75,
0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> Boudé <SEP> 0,14 <SEP> 1,24
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> faisceau
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> électrons
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> témoin <SEP> 0,105 <SEP> 8,13 <SEP> 66,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,105 <SEP> 6,75 <SEP> 66,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> soudé <SEP> 0,105 <SEP> 7,2 <SEP> 46,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> faisceau
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> électrons
<tb>
EXEMPLE VI
Des éprouvettes en feuille de molybdène de 0,
254 mm d'épaisseur sont liée* par diffusion et les jonctions résultantes sont essayées coma dans l'exemple IV. les échantillons sont liée par chauf- fage pendant une heure à 1955*0 tous un ride de 1 x 10-5 ma Hg. Les surfaces à recouvrement sont tenue$ pendant la soudure sous une pression de 0,14 kg/cm2. Lassai de charge à la rupture est ef-
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EMI14.1
taatu , 220040 en atmosphère 4. '1q4roCb...
leu 1"4s\\1- tata obtenue sont donnée par 1< tableau lulrantt TABLEAU V
EMI14.2
<tb> Essais <SEP> de <SEP> résistance <SEP> à <SEP> la <SEP> rupture <SEP> de <SEP> molybdène <SEP> lié
<tb>
<tb> par <SEP> diffusion
<tb>
EMI14.3
Eprourette Procéda de Charge Tempe de Allongement X. liaison kg'JJUR± rupture "
EMI14.4
<tb> heures
<tb>
<tb> témoin <SEP> 0,70 <SEP> 1,73 <SEP> 19,0
<tb>
EMI14.5
2 lié* par 0,70 1,33 lits
EMI14.6
<tb> diffusion <SEP> .
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
3 <SEP> témoin <SEP> 0,525 <SEP> 3,83 <SEP> 19,0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,525 <SEP> 3,20 <SEP> c <SEP> 17,0
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> témoin <SEP> 0,42 <SEP> 5,05 <SEP> 30,5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> lié <SEP> par <SEP> 0,42 <SEP> 4,46 <SEP> 6,5
<tb>
<tb>
<tb> diffusion
<tb>
EMI14.7
1:DKPL1!:",.:
r,t Trois feuilles de tungstène d'une épais-*
EMI14.8
seur de 0,127 mm et de 25,4 x 44 45 ayant un fiai type clinquant lise* bout empilées entre deux bloc* de molybdène pesant au total 2,270 kg. h'araemblage résultant est chauffé pendant une heure à 1950*0 moue un vide de S x 10"5 nmn Rge les constituants se trouver complètement liée par ce processus et la feuille de tungstène se brise sans séparation des joints par
EMI14.9
application d'une force sur 1' ensemble à la température ambiante. les exemples qui précèdent sont donne* seulement pour Illustrer l'invention et Ils ne doivent pas être considérés comme limitant le cadre de l'inven- tien.
Il est entendu aussi que d'autres appareil* et processus peuvent être utilisée ne que l'on aorte du cadre de l'invention.
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EMI1.1
igBg! g! ¯! - !!:! - U! .r! r! g !!!! ¯i! ± ¯ !!!! 2! -E!. !!!. f! 8-! gS to -the solid-state.
The present invention relates to a process for joining refractory metals. refractory metals such as tungsten, tantalum. molybdenum and niobium and their alloys are useful for many high temperature applications in nuclear energy and space studies. Different problems have arisen for the junction of these metals.
With fusion processes such as soldering and soldering, the use of solder alloys or fillers does not often result in a lowering of the melting point of the base metal at the junction, in fact. reducing the possibilities
<Desc / Clms Page number 2>
use of metal at high temperatures, In addition, the joints * obtained * by these processes.
often tend to be brittle * In the case of the manufacture of complex assemblies such as waffle * or honeycomb structures designed * to have high strength and low weight, these processes are impracticable due to the complicated positioning and handling required * To establish the junction of thin sheets.
of metal with thick pieces ..., fusion techniques produce a deformation whereby the thick piece behaves as a heat sink and the thin sheet melts and flows before the thick piece reaches the melting temperature * It is easy to see that an improved process for establishing the junction will facilitate the use of these metals.
It is therefore an object of the present invention to establish a process for the joining of ... back rates.
Another object of the invention is to establish a process for the junction of tungsten, tantalum, molybdenum, niobium, rhenium and vanadium and their alliaceae.
Another object of the invention is to establish a method for establishing the junction of these metals without melting the surface of the junction.
Else. objects and advantages of the invention will emerge from the detailed description which follows.
In accordance with the invention, the refractory metals are joined to themselves and to each other by bringing surfaces substantially free of oxides of these metals into contact in a protective atmosphere at a temperature of at least 1350 * 0 and ** - below
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melting point of the metal with the lowest melting point. A solid metallurgical bond having * en. Most of the properties of the base metal are obtained by diffusion bonding in the solid state.
Minimal and only pressure required across the interface, and complex structures can be easily fabricated by lightly holding the structural components in position during bonding. This process does not require fusion at the junction surface so that formation of a breakable or brittle compound and deformation is avoided *.
It has been found in accordance with the invention that the solid state diffusion bonding of refractory metals is easily obtained by simply bringing oxide-free metal surfaces into contact in a protective atmosphere at a temperature. greater than about 1350 C, however the particular metal and the surface condition. Although the invention is not to be regarded as limited by any particular theory, it is believed that migration at grain boundaries through the plane of contact of metals is the primary mechanism in the establishment of the bond. .
Further, the bond results in part from the change of the contact plane at a normal grain boundary without appreciable migration.
Under preferred vacuum conditions, the oxides of these metals are relatively volatile or soluble in the base metal at the bonding temperature and therefore are not present at the interface to influence bonding.
The method according to the invention mainly finds its application in the case of refractory metals.
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EMI4.1
size of the group consisting of tungsten, tantalt, molybdenum, niobium, rhenium and vanadium and
EMI4.2
alloys. constituted by a combination of ose ad. rate, De $ alloys of interest part1oul1. for use at elevated temperatures * are 1 '& 1- ttug'stbrie.2i by weight rhenium, 1' & 111. ", tmtale-10% tungsten polde and the wolylt-dn'-5 alloy. rhenium weight.
Other eta = et ailla Ses with lower melting points are also susceptible to diffusion bonding, although suitable surface carsoteriatics are established *. However,
EMI4.3
Due to factors such as the formation of inte = étallîquen and the unfavorable granular structure, the application of the present process to a partial xtetal or to a combination of metals outside this group cannot be considered with certainty. , alloys containing a total of 25% or more of one or more
EMI4.4
Any of the above metals, the remainder being the dehora tetra of this group, can be joined by the process according to the invention.
EMI4.5
The recommended temperature for bonding varies with the particular metal or combination of metals and with the condition of the surfaces.
EMI4.6
for surface finishes with more lianas and with a finer granular surface finish. Under the most favorable conditions, eg for joining a very fine-grained tungsten sheet, very smooth to other metals, a minimum temperature of about 1350 C to
EMI4.7
z00 * 0 can be used. For commonly available sheet material obtained by cold rolling, a temperature of at least about 1600 ° 0 is required.
Except for a very smooth material, temperatures ne-
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tungsten and tantalum required for themselves and other metals are higher than those required for other metals or their combinations,
The exact temperature required for the binding. sound with a given choice of metals and surface states can be determined empirically by progressively increasing the heating of the metal assembly until a bond begins to form * A temperature up to melting point of the metal being bonded having the lowest melting point can be used * The assembly of metals is maintained at this temperature to achieve complete bonding,
a period of about one hour is normally sufficient * Longer * duration * are normally required when the temperature is lowered * the use of a protective atmosphere and a practically oxidized metal surface are critical for the method according to the invention.
An inert gas atmosphere, such as helium, or vacuum, can be used. All vacuum work is preferred because the oxides of these metals are relatively volatile or soluble in the base metal at the temperatures used, and obtaining an oxide free surface is facilitated. A vacuum pressure of no more than approximately 1 x 10-5 millimeters of mercury is suitable for this purpose.
Oxides can also be removed from the metal surface by mechanical means such as a steam jet or by chemical treatment using acid solutions, for example a lactic-hydrofluoric-nitric acid solution with proportions by volume of 3: 1: 1, respectively Except for the practical absence of oxides the state
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metal surface not critical asset * However, maximum polish is preferred, along with fine-grained structure, as obtained by cold working, for example by cold rolling.
The pressure used to bring the surfaces * of the metals into contact is not oritic, the metal parts can simply be stacked one on top of the other according to the desired relative geometric arrangement. However, to ensure the existence of good contact, it is preferable to clamp or force the parts against each other at a low pressure, for example 0.35 kg / cm2.
According to another mine embodiment of the invention, tungsten, tantalum, molybdenum and niobium and the alloys containing a major part of these metals can pull together with themselves and with one another by placing a layer of vanadium or titanium between the surfaces of the metals Bonding of the resulting assembly can be effected by heating to a temperature of about 1400 ° 0 to 1650 ° 0. This mode of operation is advantageous because the bond is carried out at a lower temperature than that which would otherwise be necessary, even with a fine-grained material,
very link *. The interposed layer may be in the form of a foil or foil, preferably about 25 to 125 nierons in thickness, or a powder of the metal or finely divided metal hydride * Dispersed ** The placement of the metal powder or hydride can be improved by using a volatile paste or a binder such as oollodion.
According to another mode of ease in working
<Desc / Clms Page number 7>
of the invention, the metals and the alloy or indicated above can be joined to themselves by placing a thin layer of the same metal between the surfaces to be joined in the manner, as with the interposed layer of vanadium or titanium * A metal foil 25 to 150 microns thick of the finely divided powder of the metal or the hydride of the metal can be used *. For the powder material, dispersion in a volatile paste is preferred.
The contact of the surfaces is improved by the interposed material and the temperature required for the bond is lowered This variant is preferred when the surfaces of the metals to be joined are relatively rough, so that the bond would otherwise take place on a name. - limited contact points only * EXAMPLE I
Five refractory metals have been linked to themselves and una to each other by doing the following t
Metal holes of 12.7 mm by 12.7 mm and a thickness of 0.25 mm, having a smooth finish obtained by cold rolling were passed in contact with us at a pressure of 0.35 kg / cm2.
The resulting assemblies are heated * in an oven we wrinkle 1 x 10-5 millimeters of mercury, each for one hour at 1400 * 0 and then successively at higher temperatures until the sheets * are bonded, the temperatures necessary for the bonding of the couples of metals are given in the following table
<Desc / Clms Page number 8>
TABLE I
EMI8.1
<tb> temperatures <SEP> of <SEP> link <SEP> for <SEP>. refractory <SEP> rates.
<SEP> (C)
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Metal <SEP> of the <SEP> couple <SEP> W <SEP> Ta <SEP> Mo <SEP> Nb <SEP> V
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> tungsten <SEP> 1950 <SEP> 1950 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Tantalum <SEP> 1950 <SEP> 1950 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Molybdenum <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Niobium <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1400
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Vanadium <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400 <SEP> 1400
<tb>
These temperatures are typical for bonding sheet materials having a conventional typical finish * EXAMPLE II
A tungsten foil and two types of tungsten foil * are welded to themselves, one to. the other and tantalum,
molybdenum, niobium, vanadium, tungsten-26 wt% rhenium alloy and tantalum-10 wt% tungeten alloy. The tungsten foil used is 38 micron thick with a very smooth surface and a fine fragmented grain structure obtained by cold working and internal stress relieving treatments. One type of tungsten sheet used is a 0.76mm thick sheet with a conventional surface characteristic referred to as "normal finish", i.e. the hot-rolling finish of the sintered powder.
The other type of tungsten sheet used is a 0.127mm thick sheet having a bright finish * that is, a finish produced by rolling at low temperature in a rolling mill equipped with hard carbide rolling rolls. high polish * Other metals and alloys used are 0.25mm thick foils
<Desc / Clms Page number 9>
having a bond surface * obtained by cold rolling.
For each pair of metals, the 12.7 mm by 12.7 mm excavations are placed in contact under a pressure of approximately 0.07 kg / cm2 and mounted heated * @ as indicated for example I. result * obtained are given by the following table
<Desc / Clms Page number 10>
TABLE II
EMI10.1
<tb> Temperatures <SEP> required <SEP> for <SEP> the <SEP> connection <SEP> of the <SEP> foil <SEP> of <SEP> tungsten
<tb> and <SEP> of <SEP> the <SEP> sheet <SEP> of <SEP> material <SEP> (C)
<tb> Related <SEP> materials <SEP> Climulant <SEP> W <SEP> W <SEP> 0.76 <SEP> W <SEP> 0.125 <SEP> Ta <SEP> Mo <SEP> Cb <SEP> V <SEP > W-26Re <SEP> Ta-10W
<tb> Foil <SEP> tungsten <SEP> 1365 <SEP> 1365 * <SEP> 1365 * <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365 <SEP> 1365
<tb> Tungsten <SEP> sheet
<tb> (0.76 <SEP> mm, <SEP> finished <SEP> noraal) <SEP> 1365 <SEP> 2480 <SEP> 2200 <SEP> 2200 <SEP> 2200 <SEP> 1955 <SEP> 1365 < SEP> 2480 <SEP> 2200
<tb> Tungsten <SEP> sheet
<tb> (0.127 <SEP> mm, <SEP> finished <SEP> gloss) 1365 <SEP> 2200 <SEP> 1955 <SEP> 1955 <SEP> 1600 <SEP> 1600 <SEP> 1365 <SEP> 2480 <SEP > 1955
<tb> * <SEP> Local <SEP> link <SEP> or <SEP> by <SEP> point <SEP> to <SEP> points <SEP> of <SEP> contact.
<tb>
It <SEP> emerges <SEP> from <SEP> table <SEP> above <SEP> that <SEP> the <SEP> temperature <SEP> of <SEP> link <SEP> is <SEP> substantially <SEP> lowered <SEP> for <SEP> the
<tb> material <SEP> in <SEP> tinsel <SEP> very <SEP> smooth.
<tb>
<Desc / Clms Page number 11>
EXAMPLE III
Two molybdenum excavations of 12.7 x 12.7 mm and 4 'a thickness of 51 nierons are linked * by chauf- tale emptied us of 1 x 10-5 mm Hg for one hour at 1650 C. Mud at a pressure of 0, 35 kg / cm2. The resulting joint, after miming bare by attack with a solution of lactic-nitric-hydrofluoric acids (ratio 6-2-1 by volume) is photographed with magnification of 250 hay * Examination of the photograph reveals that the The initial interface is indistinguishable from the parent metal, as the seeds from both excavations have fully grown into each other to produce a continuous structure.
EXAMPLE IV Its breaking strength tests were carried out on a tantalum-10% by weight tungsten alloy comprising a junction obtained by the process according to the invention to determine the strength of the bonded joint Test specimens formed from ma - sheet third with a thickness of 5 mm, and a width of the test part of 6.35 ma are prepared with a bonded overlap of 6.35 mm. Binding is achieved by heating the overlap digs in a mud oven at a vacuum of 1 x 10-5 mm Hg at 2200 * 0 for four hours.
the test pieces bonded in led time that the witness test pieces without joint and the test pieces obtained by welding with the mounted electron beam tested by exerting a constant traction of 0.42 kg / mm2 or 0.70 kg / mm2 parallel to the rolling direction at 2600 * 0 in a hydrogen atmosphere are tested, and the time after which the rupture of the specimen takes place is observed. The elongation of the test piece on a
<Desc / Clms Page number 12>
EMI12.1
test length âe 25 4 au is also * 06 = 'd- the results of the tests appear: 1ee'! 1i in table 8uiTU--.
TABLE III
EMI12.2
Test. breaking strength of an allist ta 10V at 2600 * 0.
3prOuT this Process Chargeât time of J.llo..tJ1t Ne of kg / 1D11I! - jet break
EMI12.3
<tb> link <SEP> hours
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 1 <SEP> indicator <SEP> 0.70 <SEP> 1.35 <SEP> 110.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> without
<tb>
<tb>
<tb> junction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> indicator <SEP> 0.70 <SEP> 1.58 <SEP> 129.0
<tb>
<tb>
<tb> without
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> junction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> welded <SEP> 0.70 <SEP> 1.38 <SEP> 84.0
<tb>
<tb>
<tb> beam
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> electrons
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.70 <SEP> 1.53 <SEP> 88.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> indicator <SEP> 0.42 <SEP> 9.20 <SEP> 136,
0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> without
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> junction
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> witness <SEP> 0.42 $ <SEP>, Il <SEP> 109.0
<tb>
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<tb> Bans
<tb>
<tb>
<tb> function
<tb>
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<tb> 7 <SEP> welded <SEP> 0.42 <SEP> 9.1
<tb>
<tb>
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<tb> beam
<tb>
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<tb>
<tb> electron $
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> @ <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.42 <SEP> 7.87 <SEP> 98.3
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
From the above table it can be seen that a high strength junction is obtained by diffusion bonding * In each case, the breakage of the bonded trump specimen produced at a point other than the junction interface * EXAMPLE V
Tantalum sheet test tubes .'a.
0.254 mm thick with a seam obtained by diffusion bonding were subjected to breaking load tests as described in Example IV.
<Desc / Clms Page number 13>
the specimens * are bonded by heating the overlap excavations for one hour at 2200 * 0 under vacuum of 1 x 10-5 mm Hg, the sheets * being mines in contact with us at a pressure of 0.14 kg / cm2. Witness test tubes nana junction and test tubes welded * to the electron beam are also tested *** The tests are carried out in a hydrogen atmosphere at 2600 C.
The results obtained are given in the table below; TABLE IV
EMI13.1
<tb> Basai <SEP> of <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> rupture <SEP> of <SEP> tantalum <SEP> linked <SEP> by
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> Test tube <SEP> Process <SEP> of <SEP> Load <SEP> Time <SEP> of <SEP> Elongation
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> N <SEP> link <SEP> Kg / mm2 <SEP> break
<tb>
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<tb> hours
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
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<tb> indicator <SEP> 0.21 <SEP> 0.27 <SEP> 75.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 2 <SEP> indicator <SEP> 0.175 <SEP> 0.53 <SEP> 67.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 3 <SEP> indicator <SEP> 0.14 <SEP> 1.35 <SEP> 48.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.14 <SEP> 1.1 <SEP> 75,
0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 5 <SEP> Shunned <SEP> 0.14 <SEP> 1.24
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> beam
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> electrons
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> indicator <SEP> 0.105 <SEP> 8.13 <SEP> 66.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 7 <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.105 <SEP> 6.75 <SEP> 66.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 8 <SEP> welded <SEP> 0.105 <SEP> 7.2 <SEP> 46.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> beam
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> electrons
<tb>
EXAMPLE VI
0 molybdenum foil test pieces,
254 mm thick are diffusion bonded and the resulting junctions are tested coma in Example IV. the samples are heat bonded for one hour at 1955 * 0 all at a wrinkle of 1 x 10-5 ma Hg. The overlapped surfaces are held during soldering at a pressure of 0.14 kg / cm 2. The breaking load test is ef-
<Desc / Clms Page number 14>
EMI14.1
taatu, 220040 in atmosphere 4. '1q4roCb ...
leu 1 "4s \\ 1- tata obtained are given by 1 <table lulrantt TABLE V
EMI14.2
<tb> Tests <SEP> of <SEP> resistance <SEP> to <SEP> the <SEP> rupture <SEP> of <SEP> molybdenum <SEP> bound
<tb>
<tb> by <SEP> broadcast
<tb>
EMI14.3
Prourette Procedure of Load Tempe of Elongation X. bond kg'JJUR ± rupture "
EMI14.4
<tb> hours
<tb>
<tb> indicator <SEP> 0.70 <SEP> 1.73 <SEP> 19.0
<tb>
EMI14.5
2 linked * by 0.70 1.33 beds
EMI14.6
<tb> broadcast <SEP>.
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
3 <SEP> indicator <SEP> 0.525 <SEP> 3.83 <SEP> 19.0
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 4 <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.525 <SEP> 3.20 <SEP> c <SEP> 17.0
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> indicator <SEP> 0.42 <SEP> 5.05 <SEP> 30.5
<tb>
<tb>
<tb>
<tb>
<tb> 6 <SEP> linked <SEP> by <SEP> 0.42 <SEP> 4.46 <SEP> 6.5
<tb>
<tb>
<tb> broadcast
<tb>
EMI14.7
1: DKPL1!: ",.:
r, t Three thick tungsten sheets - *
EMI14.8
0.127 mm and 25.4 x 44.45 mm thickness having a foil-like thread * end stacked between two blocks * of molybdenum weighing a total of 2.270 kg. The resulting assembly is heated for one hour at 1950 * 0 foams a vacuum of S x 10 "5 nmn Rge the components become completely bonded by this process and the tungsten sheet breaks without separation of the seals by
EMI14.9
applying a force to the assembly at room temperature. the foregoing examples are given only to illustrate the invention and should not be construed as limiting the scope of the invention.
It is also understood that other apparatus and processes may be used beyond the scope of the invention.