Difüzyon bağlama - Diffusion bonding

Difüzyon Kaynak işleminin animasyonu

Difüzyon bağlama veya difüzyon kaynağı benzer ve farklı metalleri birleştirebilen, metal işlemede kullanılan katı hal kaynak tekniğidir. Katı hal difüzyon prensibine göre çalışır, burada iki katı, metalik yüzeyin atomları zamanla kendi aralarında karışır. Bu, tipik olarak yüksek bir sıcaklıkta, malzemelerin mutlak erime sıcaklığının yaklaşık% 50-75'inde gerçekleştirilir.[1][2] Difüzyon bağlama genellikle kaynak yapılacak malzemelere zorunlu olarak yüksek sıcaklıkla birlikte yüksek basınç uygulanarak gerçekleştirilir; teknik, en yaygın olarak, ince metal folyodan oluşan alternatif katmanların ve metal tellerin veya filamanların "sandviçlerini" kaynaklamak için kullanılır.[3] Şu anda, difüzyon bağlama yöntemi, havacılıkta yüksek mukavemetli ve refrakter metallerin birleştirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır.[1] ve nükleer endüstriler.[kaynak belirtilmeli ]

Tarih

Difüzyon kaynağı eylemi asırlardır. Bu, yapıştırmak için kullanılan bir teknik olan "altınla doldurulmuş" şeklinde bulunabilir. altın ve bakır takı ve diğer uygulamalarda kullanım için. Doldurulmuş altın oluşturmak için, demirciler bir miktar katı altını ince bir altın folyo tabakasına döverek başlarlardı. Bu film daha sonra bir bakır substratın üstüne yerleştirildi ve ağırlıklandırıldı. Son olarak, "sıcak basınçlı kaynak" veya HPW olarak bilinen bir işlem kullanılarak, ağırlık / bakır / altın film düzeneği bir fırının içine yerleştirildi ve altın film bakır substrata yeterince bağlanana kadar ısıtıldı.[4]

Modern yöntemler, Sovyet bilim adamı N.F. Kazakov, 1953.[5]

Özellikler

Difüzyon bağlama, sıvı füzyonu ve genellikle dolgu metali içermez. Toplam değere ağırlık eklenmez ve bağlantı, baz metal (ler) in hem mukavemetini hem de sıcaklık direncini sergileme eğilimindedir. Malzemeler hiç dayanmıyor veya çok az plastik bozulma. Çok az kalıntı stres oluşur ve yapıştırma işleminden herhangi bir kirlenme olmaz. İşlem süresinde herhangi bir artış olmaksızın teorik olarak herhangi bir boyuttaki bir birleştirme yüzeyinde gerçekleştirilebilir; pratik olarak konuşursak, yüzey, gerekli basınç ve fiziksel sınırlamalarla sınırlanma eğilimindedir. Benzer ve farklı metaller, reaktif ve refrakter metaller veya farklı kalınlıktaki parçalar ile yapılabilir.

Difüzyon bağlama, nispeten yüksek maliyeti nedeniyle, genellikle başka yollarla kaynaklanması zor veya imkansız işler için kullanılır. Örnekler, normalde sıvı füzyon yoluyla birleştirilmesi imkansız olan kaynak malzemelerini içerir. zirkonyum ve berilyum; gibi çok yüksek erime noktalarına sahip malzemeler tungsten; yüksek sıcaklıklarda mukavemeti muhafaza etmesi gereken alternatif farklı metal tabakaları; ve çok ince, petekli metal folyo yapılar.[6][7][8] 850 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ince oksit tabakası çözülebilmesine ve bağlanma yüzeylerinden uzağa yayılabilmesine rağmen, titanyum alaşımları genellikle difüzyonla bağlanacaktır.

Sıcaklık bağımlılığı

Kararlı durum difüzyonu, difüzyon miktarı ile belirlenir akı çiftleşme yüzeylerinin enine kesit alanından geçer. Fick'in ilk difüzyon yasası:

nerede J difüzyon akısıdır, D bir difüzyon katsayısıdır ve dC/dx söz konusu malzemelerden geçen konsantrasyon gradyanıdır. Negatif işaret, gradyanın bir ürünüdür. Fick yasasının başka bir biçimi şu şekildedir:

nerede M difüze edilen atomların kütlesi veya miktarı olarak tanımlanır, Bir kesit alanıdır ve t gerekli zamandır. İki denklemi eşitleyerek ve yeniden düzenleyerek aşağıdaki sonucu elde ederiz:

Belirli bir eklem için kütle ve alan sabit olduğundan, gereken süre büyük ölçüde, eklem boyunca sadece artan miktarlarda değişen konsantrasyon gradyanına ve difüzyon katsayısına bağlıdır. Difüzyon katsayısı aşağıdaki denklemle belirlenir:

nerede Qd ... aktivasyon enerjisi difüzyon için R evrensel mi Gaz sabiti, T ... termodinamik sıcaklık süreç boyunca deneyimlenen ve D0 , birleştirilen malzemelere bağlı olan, sıcaklıktan bağımsız bir ön eksponansiyel faktördür. Belirli bir eklem için, bu denklemdeki kontrol içindeki tek terim sıcaklıktır.[9]

Süreçler

Difüzyon Birleştirme İşleminin Animasyonu

Benzer kristal yapıya sahip iki malzeme birleştirilirken, kaynak yapılacak iki parça birbirine bitişik yüzeyleri ile kenetlenerek difüzyon bağlama yapılır. Kaynak işleminden önce, bu yüzeyler pürüzsüz bir şekilde işlenmelidir. bitiş ekonomik olarak uygun ve kimyasal kirleticilerden veya diğer kalıntılardan mümkün olduğunca uzak tutulur. İki metal yüzey arasında araya giren herhangi bir malzeme, malzemenin yeterli difüzyonunu engelleyebilir. Özel alet kaynakçıyı iş parçalarıyla eşleştirmek için her kaynak uygulaması için yapılır.[10] Sıkıştırıldıktan sonra, bileşenlere genellikle saatlerce basınç ve ısı uygulanır. Yüzeyler ya bir fırında ya da elektrik direnci ile ısıtılır. Basınç, sıcaklıkta bir hidrolik pres kullanılarak uygulanabilir; bu yöntem, parçalar üzerindeki yükün kesin ölçümlerine izin verir. Parçaların sıcaklık gradyanına sahip olmaması gereken durumlarda, yük uygulamak için diferansiyel termal genleşme kullanılabilir. Düşük genleşmeli bir metal kullanarak parçaları fikstürle bağlayarak (ör. molibden ) parçalar, sıcaklıkta armatür metalinden daha fazla genleşerek kendi yüklerini karşılayacaktır. Basınç uygulamak için alternatif yöntemler, ölü ağırlıkların, iki yüzey arasındaki fark gaz basıncının ve yüksek basınçlı otoklavların kullanımını içerir. Difüzyon bağlama, güçlü oksit tabakalarına (yani bakır) sahip metaller kullanıldığında vakum veya inert gaz ortamında yapılmalıdır. Parlatma, dağlama ve temizleme gibi yüzey işlemlerinin yanı sıra difüzyon basıncı ve sıcaklığı difüzyon bağlama işlemiyle ilgili önemli faktörlerdir.[6][7][8]

Mikroskobik düzeyde, difüzyon bağlanması üç basitleştirilmiş aşamada gerçekleşir: [11]

  • Mikroasperite deformasyonu - yüzeyler tamamen temas etmeden önce, sertlikler (çok küçük yüzey kusurları) iki yüzeyde temas eder ve plastik olarak deforme olur. Bu pürüzler deforme olurken birbirine bağlanarak iki yüzey arasında arayüzler oluştururlar.
  • Difüzyon kontrollü kütle taşıma - yüksek sıcaklık ve basınç hızlanmasına neden olur sürünme malzemelerde; tane sınırları ve hammadde göç eder ve iki yüzey arasındaki boşluklar izole gözeneklere indirgenir.
  • Arayüz geçişi - malzeme yaymak bitişik yüzeylerin sınırı boyunca, bu malzeme sınırını karıştırarak ve bir bağ oluşturarak.

Faydaları

  • Yapıştırılan yüzey, temel malzeme ile aynı fiziksel ve mekanik özelliklere sahiptir. Yapıştırma tamamlandıktan sonra, bağlantı kullanılarak test edilebilir. çekme testi Örneğin.
  • Difüzyonla yapıştırma işlemi, arayüzde herhangi bir süreksizlik veya gözeneklilik olmadığı yerlerde yüksek kaliteli bağlantılar üretebilir.[12] Başka bir deyişle, malzemeyi zımparalayabiliyor, üretebiliyor ve ısıtabiliyoruz.
  • Difüzyon bağlama, karmaşık şekillere sahip yüksek hassasiyetli bileşenlerin üretimini sağlar. Ayrıca difüzyon esnektir.
  • Difüzyon bağlama yöntemi, benzer veya farklı malzemeleri birleştirerek yaygın olarak kullanılabilir ve ayrıca kompozit malzemelerin işlenmesinde de önemlidir.
  • Sürece yaklaşmak çok zor değildir ve difüzyon bağlamayı gerçekleştirmenin maliyeti yüksek değildir.[13]
  • Difüzyon altındaki malzeme plastik deformasyonu azaltabilir.

Uygulanabilirlik

Difüzyon kaynağı kullanılarak sac şekillendirme işleminin animasyonu

Difüzyon bağlama, öncelikle elektronik, havacılık ve nükleer endüstriler için karmaşık formlar oluşturmak için kullanılır. Bu tür bir yapıştırma, diğer birleştirme tekniklerine kıyasla önemli miktarda zaman aldığından patlama kaynağı parçalar küçük miktarlarda üretilir ve genellikle imalat çoğunlukla otomatikleştirilir. Ancak farklı gereksinimler nedeniyle gerekli süre kısaltılabilir. Bağlantı elemanı sayısını, işçilik maliyetlerini ve parça sayısını, difüzyonla birleştirmeyi azaltma girişiminde, süperplastik şekillendirme, karmaşık sac levha formları oluştururken de kullanılır. Birden fazla tabaka üst üste istiflenir ve belirli bölümlere yapıştırılır. Yığın daha sonra bir kalıba yerleştirilir ve gaz basıncı, kalıbı doldurmak için tabakaları genişletir. Bu genellikle havacılık endüstrisinde ihtiyaç duyulan parçalar için titanyum veya alüminyum alaşımları kullanılarak yapılır.[14]

Kaynaklı tipik malzemeler şunları içerir: titanyum, berilyum, ve zirkonyum. Çoğunda askeri uçak difüzyon bağlama, pahalı malzemelerin korunmasına izin vermeye yardımcı olacaktır. stratejik malzemeler ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi. Bazı uçakların 100'den fazla difüzyona bağlı parçası vardır; gövdeler, dıştan takmalı ve içten takmalı aktüatör bağlantı parçaları, iniş takımı muylular ve nacelle çerçeveler.

Referanslar

  1. ^ a b "Difüzyon Bağlantısı". Kaynak Temelleri ve İşlemleri. 06A. Materials Park, Ohio: ASM International. El Kitabı Komitesi. 2011. s. 682–689. ISBN  978-0-87170-377-4. OCLC  21034891.
  2. ^ Difüzyon bağlama 2. Stephenson, D.J. (David J.). Londra: Elsevier Uygulamalı Bilimler. 1991. ISBN  1-85166-591-9. OCLC  22908137.CS1 Maint: diğerleri (bağlantı)
  3. ^ VanDyke, Kevin; Streeter, Gigi; Dreher, Jon; Leyrer, Larry (4 Eyl 2012), Difüzyon bağlama, alındı 2016-02-17
  4. ^ Kalpakjian, Serope (2007). Mühendislik Malzemeleri için Üretim Süreçleri (5th Ed.). Prentice Hall. ISBN  0-13-227271-7.
  5. ^ Kazakov, N.F (1985). "Malzemelerin Difüzyonla Bağlanması". Pergamon Basın.
  6. ^ a b Schrader, George F .; Elshennway, Ahmad K. Üretim Süreçleri ve Malzemeler (4. resimli ed.). sayfa 319–320. ISBN  0872635171.
  7. ^ a b Chawla, Krishan K. Kompozit Malzemeler: Bilim ve Mühendislik. Malzeme araştırması ve mühendisliği (2. resimli ed.). s. 174. ISBN  0387984097.
  8. ^ a b Jacobson, David M. Lehimleme Prensipleri (resimli ed.). sayfa 11–14. ISBN  0871708124.
  9. ^ Callister, William D. Jr .; Rethwisch, David G. (2014). Malzeme Bilimi ve Mühendisliği: Giriş, 9th ed. John Wiley and Sons Inc. s. 143–151. ISBN  978-1-118-32457-8.
  10. ^ http://www.welding-advisers.com/Diffusion-welding.html
  11. ^ "Difüzyon Bağlamanın Temelleri". Kaynak temelleri ve işlemleri. ASM Uluslararası. Handbook Committee., American Society for Metalals. Bölüme katılıyor. Materials Park, Ohio: ASM International. 2011. s. 217–221. ISBN  978-1-61344-660-7. OCLC  780242244.CS1 Maint: diğerleri (bağlantı)
  12. ^ "Difüzyon Bağlantısı". www.msm.cam.ac.uk. Alındı 2016-02-17.
  13. ^ "Katı Hal Kaynağı". www.totalmateria.com. Alındı 2016-02-17.
  14. ^ "DİFÜZYON YAPIŞTIRMA - HAVACILIK TEKNOLOJİSİ İÇİN GELİŞMİŞ MALZEME SÜRECİ". www.vacets.org. Alındı 2016-02-17.


daha fazla okuma

  • Kalpakjian, Serope, Schmid, Steven R. "İmalat Mühendisliği ve Teknolojisi, Beşinci Baskı", s. 771-772

Dış bağlantılar