ما هو لحام الانتشار؟

الرقم المرجعي

لحام الانتشار (DFW) هو تقنية لحام بالحالة الصلبة تنتج رابطة قوية من خلال تسهيل الانتشار والالتحام تحت ظروف خاضعة للرقابة باستخدام الحرارة والضغط. نظرًا لأنها قد تمنع الصعوبات المعدنية الشائعة التي يتم ملاحظتها في إجراءات اللحام التقليدية، فإن هذه التكنولوجيا المتخصصة تعتبر حيوية في مجال علم المعادن. فهو يحافظ على مقاومة تآكل المفاصل سليمة ويجعل من الممكن تصنيع المكونات بأبعاد دقيقة، خاصة في التيتانيوم والزركونيوم. يعد DFW رائعًا لبعض التطبيقات عالية الأداء لأنه يمكن أن ينتج مقاطع ضخمة ذات صفات متسقة في جميع الأنحاء، مثل شرائح التيتانيوم. لكي تكون مفاصل DFW ناجحة، يجب تصميم المكونات وتشكيلها بعناية.

عملية لحام الانتشار

في عملية اللحام بالانتشار في الحالة الصلبة، يتم تجميع الأسطح التي تم إعدادها بشكل صحيح معًا تحت ضغط دقيق ودرجة حرارة وقيود زمنية. يتم ضمان الاتصال السطحي بالضغط المطبق، مما يمنع التشوه العياني. من أجل منع تشوه البلاستيك الشديد على الأسطح، تكون درجة الحرارة المستخدمة عادة 50٪ من نقطة انصهار المعادن. يتم استخدام معدن الحشو بشكل متكرر، والذي يمكن طلاءه أو استخدامه كإدراج. يسمح معدن الحشو هذا باللحام في بيئة أقل تكلفة أو يقلل من درجة الحرارة أو الضغط أو وقت اللحام اللازم.

الرقم المرجعي

يمكن توفير الضغط عن طريق تحميل الوزن الساكن، أو المكابس، أو ضغط الغاز التفاضلي، أو التمدد الحراري التفاضلي للمكونات أو الأدوات. تشمل طرق التسخين للحام الانتشاري الأفران والمعوجات وأساليب المقاومة. مجموعة خاصة من الأدوات لمجموعات اللحام ذات الأسطح المسطحة المتقاطعة هي الأوتوكلاف عالي الضغط وطرق ضغط الغاز التفاضلي. ومع ذلك، بالنسبة للحام الأسطح المستوية المتوازية المتعامدة مع اتجاه الحمل، تكون طرق الضغط أحادية المحور مناسبة. هناك حاجة إلى معدات متخصصة لهذه العمليات الآلية للغاية. من المفيد استخدام تعليب أو تغليف الأجزاء بطرق أخرى غير طرق الضغط التفاضلي.

خطوات في عملية اللحام الانتشاري

• قم بمحاذاة أسطح التزاوج للوحات للتأكد من أنها على نفس المستوى، وهو مطلب بالغ الأهمية للنشر.

• قم بآلة وتلميع وتنظيف الأسطح جيدًا لإزالة أي شوائب كيميائية قد تعيق الانتشار.

• قم بتكديس الألواح معًا باستخدام المشابك لتثبيتها في مكانها.

• قم بتطبيق الضغط العالي والحرارة على التجميع لبدء عملية الانتشار.

• الحفاظ على هذه الشروط لفترة ممتدة للسماح بالانتشار المناسب.

• في البداية، قد يحدث تشوه محلي في الواجهة بسبب عمليات الزحف والإنتاج.

• مع تقدم الانتشار، تتحول الواجهة وتندمج الأسطح معًا لتشكل رابطة قوية.

• في النهاية، يختفي خط الواجهة، مما يؤدي إلى وجود وصلة لها نفس خصائص وقوة المادة الأساسية.

مبادئ وآليات الانتشار

يتضمن الانتشار حركة الذرات وإعادة توزيعها، وهو ما يحدث بمعدلات تعتمد على سرعة هجرة الذرات.

الرقم المرجعي

غالبًا ما يتم تصنيف الانتشار في الأنظمة المعدنية إلى ثلاث عمليات: الانتشار الحجمي، والانتشار الحدودي للحبيبات، والانتشار السطحي، وفقًا للمسار الذي تنتقل إليه الذرات المنتشرة. تنطبق ثوابت الانتشار المختلفة على كل من هذه العمليات؛ يحدث الانتشار على الحدود السطحية والحبيبية بسرعة أكبر من الانتشار الحجمي.

الانتشار حسب الحجم: يحدث هذا في غالبية المادة. نظرًا لمتطلبات تجاوز حواجز الطاقة التي تفرضها الذرات المتقاربة في الشبكة، فإن انتقال الذرة عبر الشبكة البلورية غالبًا ما يكون عملية أبطأ.

انتشار حدود الحبوب: يحدث هذا عند الواجهات بين البلورات أو الحبوب المميزة في مادة متعددة البلورات أو على طول حدود الحبوب. بالمقارنة مع الحجم، هناك ترتيب أقل في الترتيب الذري عند هذه الحدود، مما يسهل الانتشار بشكل أسرع.

الانتشار السطحي: يحدث هذا على أسطح المواد. ويحدث الانتشار السطحي بسرعة أكبر لأن الذرات هناك أقل ارتباطًا بقوة من تلك الموجودة داخل الكتلة.

الانتشار وفقًا لقانون فيك الأول

وفقًا لقانون فيك الأول، فإن الصيغة الأساسية التي تتحكم في الانتشار في المعادن هي كما يلي:

أين:

• dm/dt هو معدل تدفق المعدن عبر مستوى متعامد مع اتجاه الانتشار (g/s)،

• D هو معامل الانتشار (cm²/s)، والذي يختلف باختلاف النظام المعدني ودرجة الحرارة والتركيز والتركيب البلوري.

• A هي مساحة المستوى الذي يحدث فيه الانتشار (سم²)،

• &x/&x​ هو تدرج التركيز في المستوى المعني (جم/سم³).

تشير الإشارة السلبية إلى أن الانتشار يحدث من المناطق ذات التركيز الأعلى إلى التركيز الأقل.

معامل الانتشار والعوامل المؤثرة

تؤثر العوامل التالية على معامل الانتشار D، وهو غير ثابت:

درجة الحرارة: يزداد معدل الانتشار مع زيادة درجة الحرارة. كقاعدة عامة، يتضاعف ثابت الانتشار مع زيادة درجة الحرارة بمقدار 11 درجة مئوية (20 درجة فهرنهايت).

التركيز: يمكن أن يتأثر ثابت الانتشار بشكل كبير بالتغيرات في التركيز. على سبيل المثال، عند 930 درجة مئوية (1700 درجة فهرنهايت)، يتضاعف ثابت انتشار الكربون في الحديد ثلاث مرات مع زيادة تركيز الكربون من 0 إلى 1.4%.

البنية البلورية: الأشكال البلورية المتنوعة لها معدلات انتشار متنوعة. على سبيل المثال، ينتشر الحديد بسرعة أكبر 100 مرة في الفريت مما ينتشر في الأوستينيت.

اتجاهية الكريستال وتشويهها: إن اتجاه البلورة وأي تشوهات ناتجة عن تشوه البلاستيك لها تأثير على معدلات الانتشار.

آليات الانتشار

الرقم المرجعي

الطريقتان الرئيسيتان لانتشار الذرات في المعادن هما من خلال آليات الشغور والخلالي، على الرغم من وجود آليات أخرى أيضًا.

تُعرف حركة الذرات الصغيرة عبر الفراغات، أو الفجوات، في الشبكة البلورية بالآلية الخلالية. هذه الذرات قادرة على الانتقال من فجوة إلى أخرى دون التسبب في اضطرابات كبيرة لذرات المصفوفة لأنها تحتوي على نصف قطر ذري أصغر من ذرات المصفوفة.

آلية الشغور: تتعلق هذه الآلية بالذرات الأكبر حجمًا التي لا تستطيع أن تتناسب مع الفراغات الخلالية، مثل المصفوفة أو الذرات الاستبدالية. ومن خلال القفز إلى مساحات شبكية غير مشغولة، تهاجر هذه الذرات. يؤدي انخفاض عدد المواقع الشاغرة المتاحة إلى تباطؤ المعدل، على الرغم من أن الطاقة اللازمة لهذه الحركات مماثلة لتلك الخاصة بالانتشار الخلالي.

المتغيرات المؤثرة على لحام الانتشار

يعد الوقت أحد العوامل المهمة في اللحام بالانتشار. تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على المدة التي يستغرقها اللحام بالانتشار. تفقد الفترات الأطول فعاليتها بمرور الوقت. يجب التأكد من الفترة المطلوبة تجريبياً، حيث لا يمكن التنبؤ بها مسبقًا. بعد الانتهاء من اللحام، لا يؤدي الوقت الإضافي إلى تحسين خصائص الرابطة.

للضغط تأثير مباشر على نتائج اللحام بالانتشار خاصة في المراحل المبكرة. ويرتبط بنقطة الخضوع للمكونات المكونة، على الرغم من صعوبة معرفة قيمة دقيقة من الناحية النظرية. للحصول على أفضل النتائج، يجب ممارسة الضغط بشكل كافٍ على الرغم من أن التشوه المحلي في مكان الترابط هو جزء طبيعي من العملية. من أجل تكوين روابط قوية بنجاح، من الضروري تحقيق التوازن بين الحرارة والضغط لأن الضغط العالي يرتبط بارتفاع تكاليف المعدات.

في لحام الانتشار، درجة الحرارة هي المتغير الأكثر أهمية. لمنع حدوث تغييرات في المواد وتوفير رابط قوي ومستقر، يجب اختيار درجة الحرارة المثالية. لكي تكون عملية اللحام ناجحة، من الضروري الحفاظ على درجة الحرارة المناسبة.

المعدات والمواد المناسبة المستخدمة في اللحام الانتشاري

هناك حاجة إلى أدوات متخصصة للحام الانتشار، بما في ذلك التركيبات المصممة خصيصًا ومصادر الحرارة والمكابس والأوتوكلاف. ولتهيئة الجو المثالي، كثيرًا ما يتم دمج هذه الأدوات مع مكونات السيراميك. تعتبر هذه التقنية مثالية لربط المواد مثل سبائك التيتانيوم والألومنيوم والنيكل، والتي يصعب ربطها باستخدام التقنيات التقليدية. على الرغم من وجود طرق أقل تكلفة للحام الفولاذ، إلا أن اللحام بالانتشار يمكن أن يكون أسلوبًا فعالاً من حيث التكلفة لحام الأسطح الكبيرة والمسطحة من الفولاذ منخفض الكربون دون الحاجة إلى معدن حشو عند استيفاء الظروف المناسبة.

مزايا اللحام الانتشاري

لحام الانتشار له مزايا مختلفة.

إن الخصائص الكيميائية والفيزيائية للمفصل الناتج مماثلة لتلك الخاصة بالمعدن الأصلي. كما تضمن لحامًا خاليًا من المسامية والكسور. هذه العملية مثالية للمكونات الدقيقة لأنها توفر دقة عالية في الأبعاد. وعلى عكس اللحام القوسي، يمكن أن تجمع بين مواد متشابهة أو غير متشابهة دون الحاجة إلى مادة حشو. اللحام هو تقنية منخفضة التكلفة يمكن استخدامها لربط الأشكال والمواد المعقدة بشكل فعال. إنه يتجنب الصعوبات المرتبطة باللحام بالاندماج وسهل الاستخدام. كما أن اللحام الانتشاري فعال للغاية وآلي، ولا يتطلب عملًا خبيرًا لأنه يمكنه ربط عدة قطع في إعداد واحد.

عيوب وقيود لحام الانتشار

توفر اللحام بالانتشار العديد من المزايا، ولكن لها أيضًا بعض العيوب. المعدات مكلفة، وخاصة بالنسبة لعمليات اللحام الكبيرة، وتتطلب إعدادًا محددًا مع تنظيف دقيق وإعداد السطح. إنها ليست مثالية لمعدلات الإنتاج العالية لأنها تتطلب جوًا محميًا أو فراغًا وتستغرق وقتًا. على الرغم من تكاليف التشغيل المتواضعة، فإن الإعداد الأولي مكلف. يعد تحضير قطعة العمل مهمًا ولكنه قد يكون صعبًا. تقيد الآلات حجم اللحامات، ولا توجد العديد من الخيارات للتفتيش. نظرًا لاعتمادها الكبير على معلمات اللحام الدقيقة (درجة الحرارة والضغط واللمسة النهائية للسطح والمواد المستخدمة)، فإن العملية ليست مناسبة للتصنيع بكميات كبيرة. يجب أيضًا إعطاء اعتبار خاص للتمدد الحراري المتنوع للمواد.

تطبيقات لحام الانتشار

يستخدم اللحام المنتشر (DFW) على نطاق واسع في صناعات مثل الفضاء الجوي والنووي لربط المعادن عالية القوة والحرارية. من الأمثلة البارزة على الاستخدام الواسع النطاق لـ DFW في صناعة الطيران هو محرك المكوك الفضائي، والذي يتكون من 28 قطعة تيتانيوم ملحومة معًا لإدارة ثلاثة ملايين رطل من الدفع. يستخدم DFW أيضًا في تصنيع الأنابيب ذات الحجم الأقصى 203 مم × 255 سم × 457 سم. باستخدام DFW لأول مرة في مكون محرك دوار، أصبحت صناعة توربينات الغاز قادرة على إنشاء مكونات Ti-6%Al-4%V للمحركات المتقدمة عالية الدفع. بالنسبة لهذه التطبيقات الصعبة، يتيح DFW إنشاء الهياكل القوية عالية الأداء المطلوبة.