Диффузионная сварка или диффузионная сварка — это метод сварки в твердом состоянии, используемый в металлообработке, позволяющий соединять похожие и разнородные металлы. Он работает по принципу твердотельной диффузии, при которой атомы двух твердых металлических поверхностей со временем перемежаются. Обычно это достигается при повышенной температуре, приблизительно 50-75% от абсолютной температуры плавления материалов. Слабая связь может быть достигнута и при комнатной температуре. Диффузионная сварка обычно реализуется путем приложения высокого давления в сочетании с обязательно высокой температурой к свариваемым материалам; этот метод чаще всего используется для сварки «сэндвичей» из чередующихся слоев тонкой металлической фольги и металлических проволок или нитей. В настоящее время метод диффузионной сварки широко используется для соединения высокопрочных и тугоплавких металлов в аэрокосмической и ядерной промышленности.
История
Процесс диффузионной сварки существует уже много веков. Его можно встретить в форме «золотого наполнения» — техники, используемой для соединения золота и меди для использования в ювелирных изделиях и других приложениях. Чтобы создать наполненное золото, кузнецы начинали с выбивания некоторого количества чистого золота в тонкий лист золотой фольги. Затем эта пленка помещалась на медную подложку и придавливалась. Наконец, используя процесс, известный как «горячая сварка давлением» или HPW, сборка груз/медь/золотая пленка помещалась в печь и нагревалась до тех пор, пока золотая пленка не была достаточно связана с медной подложкой.
Современные методы были описаны советским ученым Н.Ф. Казаковым в 1953 году.
Характеристики
Диффузионная сварка не подразумевает расплавления жидкости и часто не использует присадочный металл. Вес не добавляется к общему результату, и соединение имеет тенденцию демонстрировать как прочность, так и термостойкость основного металла(ов). Материалы не выдерживают или выдерживают очень малую пластическую деформацию. Вводится очень малое остаточное напряжение, и нет загрязнения от процесса сварки. Теоретически его можно выполнять на поверхности соединения любого размера без увеличения времени обработки, однако, на практике, поверхность имеет тенденцию быть ограничена требуемым давлением и физическими ограничениями. Диффузионная сварка может выполняться с похожими и разнородными металлами, реактивными и тугоплавкими металлами или деталями различной толщины.
Из-за своей относительно высокой стоимости диффузионная сварка чаще всего используется для работ, которые трудно или невозможно сварить другими способами. Примерами служат сварные материалы, которые обычно невозможно соединить с помощью жидкого сплава, такие как цирконий и бериллий; материалы с очень высокой температурой плавления, такие как вольфрам; чередующиеся слои разных металлов, которые должны сохранять прочность при высоких температурах; и очень тонкие, ячеистые структуры металлической фольги. Титановые сплавы часто подвергаются диффузионной сварке, несмотря на то, что тонкий оксидный слой может растворяться и диффундировать от соединяемых поверхностей при температурах свыше 850 °C.
Температурная зависимость
Стационарная диффузия определяется величиной диффузионного потока, проходящего через поперечное сечение сопрягаемых поверхностей. Первый закон диффузии Фика гласит:
где J — поток диффузии, D — коэффициент диффузии, а dC/dx — градиент концентрации через рассматриваемые материалы. Отрицательный знак — это произведение градиента. Другая форма закона Фика гласит:
где M определяется как масса или количество диффундирующих атомов, A — площадь поперечного сечения, а t — необходимое время. Приравнивая два уравнения и переставляя, мы получаем следующий результат:
Поскольку масса и площадь постоянны для данного сустава, требуемое время во многом зависит от градиента концентрации, который меняется лишь на небольшую величину через сустав, и коэффициента диффузии. Коэффициент диффузии определяется уравнением:
где Qd — энергия активации диффузии, R — универсальная газовая постоянная, T — термодинамическая температура, испытываемая в ходе процесса, а D0 — независимый от температуры предэкспоненциальный множитель, зависящий от соединяемых материалов. Для данного соединения единственным членом в этом уравнении в пределах контроля является температура.
Процессы
При соединении двух материалов с похожей кристаллической структурой диффузионная сварка выполняется путем зажима двух свариваемых деталей, при этом их поверхности должны прилегать друг к другу. Перед сваркой эти поверхности должны быть обработаны до максимально возможной экономически выгодной гладкости и содержаться в максимально возможной степени свободными от химических загрязнителей или других загрязнений. Любой промежуточный материал между двумя металлическими поверхностями может помешать адекватной диффузии материала. Для каждого сварочного применения изготавливается специальная оснастка, чтобы соединить сварщика с заготовками. После зажима к компонентам прикладываются давление и тепло, обычно в течение многих часов. Поверхности нагреваются либо в печи, либо с помощью электрического сопротивления. Давление можно прикладывать с помощью гидравлического пресса при температуре; этот метод позволяет точно измерять нагрузку на детали. В случаях, когда детали не должны иметь температурного градиента, для приложения нагрузки можно использовать дифференциальное тепловое расширение. При закреплении деталей с помощью металла с низким коэффициентом расширения (например, молибдена) детали будут обеспечивать собственную нагрузку, расширяясь больше, чем металл крепления при температуре. Альтернативные методы приложения давления включают использование мертвых грузов, дифференциальное давление газа между двумя поверхностями и автоклавы высокого давления. Диффузионная сварка должна выполняться в вакууме или среде инертного газа при использовании металлов с прочными оксидными слоями (например, меди). Обработка поверхности, включая полировку, травление и очистку, а также диффузионное давление и температура являются важными факторами, касающимися процесса диффузионного связывания.
На микроскопическом уровне диффузионная связь происходит в три упрощенных этапа:
Преимущества
Применимость
Диффузионная сварка в основном используется для создания сложных форм для электронной, аэрокосмической, ядерной и микрофлюидной промышленности. Поскольку эта форма соединения занимает значительное количество времени по сравнению с другими методами соединения, такими как сварка взрывом, детали изготавливаются в небольших количествах, и часто изготовление в основном автоматизировано. Однако из-за различных требований требуемое время может быть сокращено. В попытке сократить количество крепежей, трудозатраты и количество деталей диффузионная сварка в сочетании со сверхпластичной формовкой также используется при создании сложных форм из листового металла. Несколько листов укладываются друг на друга и склеиваются в определенных секциях. Затем стопка помещается в форму, и давление газа расширяет листы, чтобы заполнить форму. Это часто делается с использованием титановых или алюминиевых сплавов для деталей, необходимых в аэрокосмической промышленности.
Типичные свариваемые материалы включают титан, бериллий и цирконий. Во многих военных самолетах диффузионная сварка поможет сохранить дорогостоящие стратегические материалы и сократить производственные затраты. Некоторые самолеты имеют более 100 деталей, соединенных диффузионной сваркой, включая фюзеляжи, внешние и внутренние фитинги приводов, цапфы шасси и рамы гондол.
