Диффузионное соединение - Diffusion bonding

Анимация процесса диффузионной сварки

Диффузионное соединение или же диффузионная сварка это метод сварки в твердом состоянии, используемый в металлообработке, позволяющий соединять похожие и разнородные металлы. Он работает по принципу твердотельной диффузии, когда атомы двух твердых металлических поверхностей со временем пересекаются друг с другом. Обычно это достигается при повышенной температуре, примерно 50-75% от абсолютной температуры плавления материалов.^[1][2] Диффузионное соединение обычно осуществляется путем приложения высокого давления в сочетании с обязательно высокой температурой к свариваемым материалам; эта техника чаще всего используется для сварки «сэндвичей» из чередующихся слоев тонкой металлической фольги и металлических проволок или нитей.^[3] В настоящее время метод диффузионной сварки широко используется при соединении высокопрочных и тугоплавких металлов в аэрокосмической отрасли.^[1] и атомная промышленность.^{[нужна цитата ]}

История

Акт диффузионной сварки насчитывает несколько веков. Это можно найти в форме "наполнения золотом", техники, используемой для связывания золото и медь для использования в ювелирных изделиях и других областях. Чтобы создать заполненное золото, кузнецы должны были начать с того, что выковырили некоторое количество чистого золота в тонком листе золотой фольги. Затем эта пленка была помещена на медную подложку и утяжелена. Наконец, с использованием процесса, известного как «сварка горячим давлением» или HPW, сборку «вес / медь / золотая пленка» помещали в печь и нагревали до тех пор, пока золотая пленка не была в достаточной степени связана с медной подложкой.^[4]

Современные методы описаны советским ученым Н.Ф. Казакова в 1953 году.^[5]

Характеристики

Диффузионное связывание не предполагает жидкого плавления и часто без присадочного металла. Вес не добавляется к общей сумме, и соединение имеет тенденцию демонстрировать как прочность, так и термостойкость основного металла (ов). Материалы не выдерживают или очень мало Пластическая деформация. При этом возникает очень небольшое остаточное напряжение, и в процессе склеивания отсутствует загрязнение. Это может быть выполнено на соединяемой поверхности теоретически любого размера без увеличения времени обработки; практически говоря, поверхность имеет тенденцию быть ограничена необходимым давлением и физическими ограничениями. Он может быть выполнен с одинаковыми и разнородными металлами, химически активными и тугоплавкими металлами или кусками различной толщины.

Диффузионная сварка чаще всего используется для работ, которые сложно или невозможно сварить другими способами из-за ее относительно высокой стоимости. Примеры включают сварочные материалы, которые обычно невозможно соединить с помощью плавления жидкости, такие как цирконий и бериллий; материалы с очень высокими температурами плавления, такие как вольфрам; чередование слоев разных металлов, которые должны сохранять прочность при высоких температурах; и очень тонкие, сотовые конструкции из металлической фольги.^[6][7][8] Титановые сплавы часто имеют диффузионную связь, несмотря на то, что тонкий оксидный слой может растворяться и диффундировать от поверхностей соединения при температурах выше 850 ° C.

Температурная зависимость

Стационарная диффузия определяется степенью диффузии поток который проходит через площадь поперечного сечения сопрягаемых поверхностей. Первый закон диффузии Фика гласит:

${\displaystyle J=-D(dC/dx),}$

куда J - диффузионный поток, D - коэффициент диффузии, а Округ Колумбия/dx - градиент концентрации в рассматриваемых материалах. Отрицательный знак - это продукт градиента. Другая форма закона Фика гласит:

${\displaystyle J=M/(At),}$

куда M определяется как масса или количество рассеиваемых атомов, А - площадь поперечного сечения, а т время требуется. Приравнивая два уравнения и переставляя, получаем следующий результат:

${\displaystyle t=-(1/D)(M/A)(dC/dx)^{-1}.}$

Поскольку масса и площадь постоянны для данного соединения, необходимое время в значительной степени зависит от градиента концентрации, который изменяется только на постепенные величины через соединение, и коэффициента диффузии. Коэффициент диффузии определяется уравнением:

${\displaystyle D=D_{0}e^{-Q_{\text{d}}/RT},}$

куда Q_d это энергия активации для распространения, р универсальный газовая постоянная, Т это термодинамическая температура испытанный во время процесса, и D₀ - это не зависящий от температуры предэкспоненциальный множитель, который зависит от соединяемых материалов. Для данного соединения единственным членом в этом уравнении в рамках контроля является температура.^[9]

Процессы

Анимация процесса диффузионного связывания

При соединении двух материалов с одинаковой кристаллической структурой диффузионное соединение выполняется путем зажима двух свариваемых деталей так, чтобы их поверхности прилегали друг к другу. Перед сваркой эти поверхности необходимо обработать, чтобы они стали гладкими. Конец как экономически выгодные и по возможности свободными от химических загрязнителей или другого детрита. Любой промежуточный материал между двумя металлическими поверхностями может препятствовать адекватной диффузии материала. Специфический инструменты выполняется для каждого вида сварки, чтобы сварщик сопрягался с деталями.^[10] После зажима к компонентам прилагается давление и тепло, обычно в течение многих часов. Поверхности нагреваются либо в печи, либо за счет электрического сопротивления. Давление может быть приложено с помощью гидравлического пресса при температуре; этот метод позволяет точно измерить нагрузку на детали. В случаях, когда детали не должны иметь температурного градиента, для приложения нагрузки можно использовать дифференциальное тепловое расширение. За счет фиксации деталей с помощью металла с низким коэффициентом расширения (т.е. молибден ) детали будут обеспечивать свою собственную нагрузку, расширяясь при температуре больше, чем металл крепления. Альтернативные методы приложения давления включают использование мертвых грузов, дифференциального давления газа между двумя поверхностями и автоклавов высокого давления. При использовании металлов с прочными оксидными слоями (например, меди) диффузионное соединение должно выполняться в вакууме или в среде инертного газа. Обработка поверхности, включая полировку, травление и очистку, а также давление и температура диффузии являются важными факторами, влияющими на процесс ограничения диффузии.^[6][7][8]

На микроскопическом уровне диффузионное связывание происходит в три упрощенных этапа: ^[11]

• Деформация микровыступов - до полного контакта поверхностей, неровности (очень маленькие поверхностные дефекты) на двух поверхностях контактируют и пластически деформируются. Когда эти выступы деформируются, они соединяются между собой, образуя границы раздела между двумя поверхностями.
• Контролируемый диффузией массоперенос - повышенная температура и давление вызывают ускоренное слизняк в материалах; границы зерен и сырье перемещается, и промежутки между двумя поверхностями уменьшаются до изолированных пор.
• Миграция интерфейса - материал начинает размытый через границу прилегающих поверхностей, смешивая эту границу материала и создавая связь.

Преимущества

• Склеиваемая поверхность имеет те же физические и механические свойства, что и основной материал. После завершения склеивания соединение можно проверить с помощью испытание на растяжение Например.
• Процесс диффузионного склеивания позволяет создавать соединения высокого качества, где на границе раздела отсутствуют неоднородности или пористость.^[12] Другими словами, мы можем шлифовать, производить и нагревать материал.
• Диффузионное соединение позволяет изготавливать высокоточные компоненты сложной формы. Кроме того, диффузия гибка.
• Метод диффузионного скрепления может широко использоваться для соединения как похожих, так и разнородных материалов, а также важен при обработке композитных материалов.
• Подойти к этому процессу нетрудно, а стоимость выполнения диффузионного связывания невысока.^[13]
• Распространяющийся материал способен уменьшить пластическую деформацию.

Применимость

Анимация процесса формования листа с помощью диффузионной сварки

Диффузионное соединение в основном используется для создания сложных форм для электронной, аэрокосмической и ядерной промышленности. Поскольку эта форма соединения требует значительного времени по сравнению с другими методами соединения, такими как сварка взрывом, детали производятся в небольших количествах, и зачастую производство в основном автоматизировано. Однако из-за различных требований необходимое время можно было сократить. В попытке сократить количество крепежных элементов, затраты на рабочую силу и количество деталей, диффузионное соединение в сочетании с сверхпластическая формовка, также используется при создании сложных форм из листового металла. Несколько листов укладываются друг на друга и склеиваются на определенных участках. Затем стопку помещают в форму, и давление газа расширяет листы, чтобы заполнить форму. Это часто делается с использованием титана или алюминиевых сплавов для деталей, необходимых в аэрокосмической промышленности.^[14]

Типичные свариваемые материалы включают: титан, бериллий, и цирконий. Во многих военный самолет диффузионное соединение поможет сохранить дорогостоящие стратегические материалы и снижение производственных затрат. Некоторые самолеты имеют более 100 деталей, скрепленных диффузией, в том числе; фюзеляжи, детали внешнего и внутреннего привода, шасси цапфы и гондола кадры.

Рекомендации

1. «Диффузионное соединение». Основы и процессы сварки. 06A. Парк материалов, Огайо: ASM International. Справочник комитета. 2011. С. 682–689. ISBN  978-0-87170-377-4. OCLC  21034891.
2. Диффузионное соединение 2. Стивенсон Д. Дж. (Дэвид Дж.). Лондон: Прикладная наука Эльзевьера. 1991 г. ISBN  1-85166-591-9. OCLC  22908137.
3. ВанДайк, Кевин; Стритер, Джиджи; Дреэр, Джон; Лейрер, Ларри (4 сентября 2012 г.), Диффузионное соединение, получено 2016-02-17
4. Калпакджян, Сероп (2007). Процессы производства технических материалов (5-е изд.). Прентис Холл. ISBN  0-13-227271-7.
5. Казаков, Н. Ф. (1985). «Диффузионное соединение материалов». Pergamon Press.
6. Шредер, Джордж Ф .; Эльшеннуэй, Ахмад К. Производственные процессы и материалы (4-е иллюстрированное издание). С. 319–320. ISBN  0872635171.
7. Чавла, Кришан К. Композиционные материалы: наука и техника. Материаловедение и инженерия (2-е иллюстрированное изд.). п. 174. ISBN  0387984097.
8. Джейкобсон, Дэвид М. Принципы пайки (иллюстрировано под ред.). С. 11–14. ISBN  0871708124.
9. Каллистер, Уильям Д. Младший; Ретвиш, Дэвид Г. (2014). Материаловедение и инженерия: введение, 9-е изд.. John Wiley and Sons Inc., стр. 143–151. ISBN  978-1-118-32457-8.
10. http://www.welding-advisers.com/Diffusion-welding.html
11. «Основы диффузионного склеивания». Основы и процессы сварки. ASM International. Справочник комитета. Американского общества металлов. Присоединение к Дивизиону. Парк материалов, Огайо: ASM International. 2011. С. 217–221. ISBN  978-1-61344-660-7. OCLC  780242244.
12. «Диффузионная связь». www.msm.cam.ac.uk. Получено 2016-02-17.
13. «Сварка твердого тела». www.totalmateria.com. Получено 2016-02-17.
14. «ДИФФУЗИОННАЯ СВЯЗКА - УЛУЧШЕННЫЙ МАТЕРИАЛЬНЫЙ ПРОЦЕСС ДЛЯ АЭРОКОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ». www.vacets.org. Получено 2016-02-17.

дальнейшее чтение

• Калпакджян, Сероп, Шмид, Стивен Р. «Производство и технология, пятое издание», стр. 771-772

внешняя ссылка

• «Литые цветные металлы: сварка в твердом состоянии». в Ключ к металлам
• Отличное обсуждение диффузионного связывания Амиром Ширзади для Британского центра материаловедения.