WikiDer > 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:

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:

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:

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:

куда Qd 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. ^ а б «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.CS1 maint: другие (связь)
  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. ^ а б Шредер, Джордж Ф .; Эльшеннуэй, Ахмад К. Производственные процессы и материалы (4-е иллюстрированное издание). С. 319–320. ISBN 0872635171.
  7. ^ а б Чавла, Кришан К. Композиционные материалы: наука и техника. Материаловедение и инженерия (2-е иллюстрированное изд.). п. 174. ISBN 0387984097.
  8. ^ а б 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.CS1 maint: другие (связь)
  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