Mikä on diffuusiohitsaus?

Viite

Diffuusiohitsaus (DFW) on kiinteän olomuodon hitsaustekniikka, joka tuottaa vahvan sidoksen helpottaen diffuusiota ja koalesenssia kontrolloiduissa olosuhteissa lämmön ja paineen avulla. Koska se voi estää perinteisissä hitsausmenetelmissä havaittavia yleisiä metallurgisia vaikeuksia, tämä erikoisteknologia on elintärkeä metallurgian alalla. Se pitää liitosten korroosionkestävyyden ennallaan ja mahdollistaa tarkkojen mittojen omaavien komponenttien valmistuksen, erityisesti titaanista ja zirkoniumista. DFW sopii erinomaisesti joihinkin korkean suorituskyvyn sovelluksiin, koska se voi tuottaa jämäkkiä osia, joilla on yhdenmukaiset ominaisuudet kauttaaltaan, kuten titaanilaminaatteja. Jotta DFW-liitokset onnistuisivat, komponentit on suunniteltava ja koneistettava huolellisesti.

Diffuusiohitsausprosessi

Diffuusiohitsauksen kiinteän olomuodon prosessissa asianmukaisesti esivalmistellut pinnat yhdistetään tarkkojen paine-, lämpötila- ja aikarajoitusten alaisena. Tasainen pintakosketus varmistetaan käytetyllä paineella, mikä estää makroskooppisen muodonmuutoksen. Pintojen vakavan plastisen muodonmuutoksen estämiseksi käytetty lämpötila on tyypillisesti 50 % metallien sulamispisteestä. Usein käytetään lisäainemetallia, joka voidaan pinnoittaa tai käyttää inserttinä. Tämä lisäainemetalli mahdollistaa hitsauksen edullisemmassa ympäristössä tai alentaa tarvittavaa lämpötilaa, painetta tai hitsausaikaa.

Viite

Paine voidaan aikaansaada omapainokuormituksella, puristimilla, kaasun paine-erolla tai komponenttien tai työkalujen lämpölaajenemisen differentiaalisella vaikutuksella. Diffuusiohitsauksen lämmitysmenetelmiin kuuluvat uunit, retortit ja vastusmenetelmät. Erityisiä työkaluja leikkaavien tasopintojen hitsaukseen ovat korkeapaineautoklaavit ja kaasun paine-eromenetelmät. Kuorman suuntaan kohtisuorien yhdensuuntaisten tasopintojen hitsaukseen sopivat kuitenkin yksiaksiaaliset painemenetelmät. Näihin erittäin mekanisoituihin prosesseihin tarvitaan erikoislaitteita. Muissa menetelmissä kuin paine-eromenetelmissä on edullista käyttää osien kapselointia tai puristamista.

Diffuusiohitsausprosessin vaiheet

• Kohdista levyjen vastakkaiset pinnat varmistaaksesi, että ne ovat samassa tasossa, mikä on diffuusion kannalta kriittinen vaatimus.

• Koneista, kiillota ja puhdista pinnat huolellisesti poistaaksesi kaikki kemialliset epäpuhtaudet, jotka voisivat estää diffuusiota.

• Pinoa levyt yhteen puristimilla pitääksesi ne paikoillaan.

• Käytä kokoonpanoon korkeaa painetta ja lämpöä diffuusioprosessin aloittamiseksi.

• Säilytä näitä olosuhteita pitkään, jotta diffuusio tapahtuu kunnolla.

• Aluksi rajapinnassa voi esiintyä paikallista muodonmuutosta virumis- ja myötöprosessien vuoksi.

• Diffuusion edetessä rajapinta muuttuu ja pinnat sekoittuvat toisiinsa muodostaen vahvan sidoksen.

• Lopulta rajapintaviiva katoaa, jolloin liitoksella on samat ominaisuudet ja lujuus kuin perusmateriaalilla.

Diffuusioperiaatteet ja -mekanismit

Diffuusioon liittyy atomien liikkuminen ja uudelleenjakautuminen, joka tapahtuu nopeudella, joka riippuu siirtyvien atomien nopeudesta.

Viite

Metallien diffuusio luokitellaan usein kolmeen prosessiin: tilavuusdiffuusioon, raerajan diffuusioon ja pintadiffuusioon sen mukaan, miten diffundoituvat atomit kulkevat. Kuhunkin näistä prosesseista sovelletaan eri diffuusiovakioita; pinta- ja raerajan diffuusio tapahtuu nopeammin kuin tilavuusdiffuusio.

Tilavuuden mukaan tapahtuva diffuusio: Tämä tapahtuu suurimmassa osassa ainetta. Koska hilan lähellä olevien atomien aiheuttamat energiaesteet on ylitettävä, atomien kulkeutuminen kidehilan läpi on usein hitaampaa.

Raerajan diffuusio: Tämä tapahtuu polykiteisen materiaalin erillisten kiteiden tai rakeiden rajapinnoilla tai raeravoilla. Tilavuuteen verrattuna atomien järjestyksessä näillä rajoilla on vähemmän tilaa, mikä helpottaa diffuusiota.

Pinnan diffuusio: Tämä tapahtuu materiaalin pinnoilla. Pinnan diffuusio tapahtuu nopeammin, koska atomit ovat siellä vähemmän tiukasti sitoutuneet kuin materiaalin sisällä olevat atomit.

Diffuusio Fickin ensimmäisen lain mukaan

Fickin ensimmäisen lain mukaan metallien diffuusiota säätelevä kaava on seuraava:

Missä:

• dm/dt on metallin virtausnopeus diffuusiosuuntaan kohtisuorassa tasossa (g/s),

• D on diffuusiokerroin (cm²/s), joka vaihtelee metallijärjestelmän, lämpötilan, pitoisuuden ja kiderakenteen mukaan,

• A on diffuusion tason pinta-ala (cm²),

• &x/&x​ on pitoisuusgradientti kyseisessä tasossa (g/cm³).

Negatiivinen merkki osoittaa, että diffuusio tapahtuu korkeamman pitoisuuden alueilta matalamman pitoisuuden alueille.

Diffuusiokerroin ja vaikuttavat tekijät

Seuraavat tekijät vaikuttavat diffuusiokertoimeen D, joka ei ole vakio:

Lämpötila: Diffuusionopeus kasvaa lämpötilan noustessa. Yleissääntönä on, että diffuusiovakio kaksinkertaistuu lämpötilan noustessa 11 °C (20 °F).

Pitoisuus: Pitoisuuden vaihtelut voivat vaikuttaa suuresti diffuusiovakioon. Esimerkiksi 930 °C:ssa (1700 °F) hiilen diffuusiovakio raudassa kolminkertaistuu hiilipitoisuuden kasvaessa 0 prosentista 1.4 prosenttiin.

Kiderakenne: eri kidemuodoilla on vaihtelevat diffuusionopeudet. Esimerkiksi rauta diffundoituu ferriitissä 100 kertaa nopeammin kuin austeniitissa.

Kiteen suunta ja vääristymä: Kiteen suuntautuminen sekä plastisen muodonmuutoksen aiheuttamat vääristymät vaikuttavat diffuusionopeuksiin.

Diffuusiomekanismit

Viite

Kaksi pääasiallista tapaa, joilla atomit dispergoituvat metalleissa, ovat vapaan tilan ja välitilan mekanismit, vaikka on olemassa myös muita mekanismeja.

Pienempien atomien liikkumista kidehilan tyhjien tilojen eli välitilojen läpi kutsutaan välitilamekanismiksi. Nämä atomit pystyvät siirtymään välitilasta toiseen aiheuttamatta merkittäviä häiriöitä matriisiatomeille, koska niillä on pienemmät atomisäteet kuin matriisiatomilla.

Vakanssimekanismi: Tämä mekanismi liittyy suurempiin atomeihin, jotka eivät mahdu välitiloihin, kuten matriisi- tai substituutioatomeihin. Hypähtämällä tyhjiin hila-tiloihin nämä atomit siirtyvät. Vähemmän saatavilla olevia vakansseja kohtia hidastaa nopeutta, vaikka näihin liikkeisiin tarvittava energia on verrattavissa välitilan diffuusioon.

Diffuusiohitsaukseen vaikuttavat muuttujat

Yksi tärkeä tekijä diffuusiohitsauksessa on aika. Lämpötilalla on suuri vaikutus diffuusion kestoon. Pidemmät kestot menettävät tehokkuuttaan ajan myötä. Vaadittava aika on määritettävä empiirisesti, koska sitä ei voida ennustaa etukäteen. Hitsauksen päätyttyä pidempi aika ei paranna liitoksen ominaisuuksia.

Paineella on suora vaikutus diffuusiohitsauksen tuloksiin, erityisesti alkuvaiheissa. Se liittyy hitsauksen ainesosien myötörajaan, vaikkakin tarkan arvon määrittäminen teoriassa on vaikeaa. Parhaan tuloksen saavuttamiseksi paineen on oltava riittävä, vaikka paikallinen muodonmuutos liitoskohdassa on luonnollinen osa prosessia. Vahvojen liitosten muodostamiseksi on ratkaisevan tärkeää tasapainottaa lämpö ja paine, koska korkea puristus korreloi korkeiden laitekustannusten kanssa.

Diffuusiohitsauksessa lämpötila on tärkein muuttuja. Materiaalimuutosten estämiseksi ja vankan, vakaan liitoksen aikaansaamiseksi on valittava ihanteellinen lämpötila. Jotta hitsausprosessi onnistuisi, lämpötilan ylläpito on välttämätöntä.

Diffuusiohitsauksessa käytettävät laitteet ja sopivat materiaalit

Diffuusiohitsaukseen tarvitaan erikoistyökaluja, kuten erityisesti suunniteltuja kiinnittimiä, lämmönlähteitä, puristimia ja autoklaaveja. Ihanteellisen ilmapiirin luomiseksi näitä työkaluja yhdistetään usein keraamisiin komponentteihin. Tämä tekniikka sopii erinomaisesti titaanin, alumiinin ja nikkeliseosten kaltaisten materiaalien liittämiseen, joiden liittäminen perinteisillä tekniikoilla on haastavaa. Vaikka teräksen hitsaukseen on olemassa edullisempia tapoja, diffuusiohitsaus voi olla kustannustehokas menetelmä vähähiilisen teräksen suurten, tasaisten pintojen hitsaukseen ilman lisäainemetallia, kun olosuhteet ovat oikeat.

Diffuusiohitsauksen edut

Diffuusiohitsauksella on useita etuja.

Tuloksena olevan liitoksen kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet ovat verrattavissa perusmetallin ominaisuuksiin. Se takaa tahrattoman hitsin, jossa ei ole huokoisuutta eikä halkeamia. Tämä prosessi sopii erinomaisesti tarkkuuskomponenteille, koska se tarjoaa suuren mittatarkkuuden. Toisin kuin kaarihitsauksessa, sillä voidaan yhdistää samanlaisia ​​tai erilaisia ​​materiaaleja ilman lisäainemateriaalia. Hitsaus on edullinen tekniikka, jota voidaan käyttää monimutkaisten muotojen ja materiaalien tehokkaaseen liittämiseen. Se kiertää sulahitsaukseen liittyvät vaikeudet ja on helppokäyttöinen. Diffuusiohitsaus on myös erittäin tehokasta ja automatisoitua, eikä se vaadi juurikaan asiantuntijatyötä, koska sillä voidaan liittää useita kappaleita yhdellä asetuksella.

Diffuusiohitsauksen haitat ja rajoitukset

Diffuusiohitsauksella on useita etuja, mutta sillä on myös joitakin haittoja. Laitteet ovat kalliita, erityisesti suurille hitsausrakenteille, ja ne vaativat erityisjärjestelyjä sekä tarkkaa puhdistusta ja pinnan esikäsittelyä. Se ei ole ihanteellinen suurille tuotantonopeuksille, koska se vaatii suojakaasua tai alipainetta ja vie aikaa. Kohtuullisista käyttökustannuksista huolimatta alkuasetukset ovat kalliita. Työkappaleen valmistelu on tärkeää, mutta voi olla vaikeaa. Koneet rajoittavat hitsien kokoa, eikä tarkastusmahdollisuuksia ole paljon. Koska prosessi on erittäin riippuvainen tarkoista hitsausparametreista (lämpötila, paine, pinnan viimeistely ja käytetyt materiaalit), se ei sovellu massatuotantoon. Myös materiaalien erilaiset lämpölaajenemiset on otettava erityisesti huomioon.

Diffuusiohitsauksen sovellukset

Diffuusiohitsausta (DFW) käytetään laajalti esimerkiksi ilmailu- ja ydinvoimateollisuudessa lujien ja tulenkestävien metallien liittämiseen. Merkittävä esimerkki DFW:n laajamittaisesta käytöstä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa on avaruussukkulan moottorin kiinnitys, joka koostuu 28 titaanikappaleesta, jotka on diffuusiohitsattu yhteen 1,4 miljoonan paunan työntövoiman hallitsemiseksi. DFW:tä käytetään myös putkien valmistuksessa, joiden enimmäiskoko on 203 mm x 255 cm x 457 cm. Hyödyntämällä DFW:tä ensimmäistä kertaa pyörivässä moottorin osassa kaasuturbiiniteollisuus pystyy luomaan Ti-6%Al-4%V-komponentteja edistyneille suuren työntövoiman moottoreille. Näihin vaikeisiin sovelluksiin DFW mahdollistaa vaadittavat vahvat ja tehokkaat rakenteet.