Kas yra difuzinis suvirinimas?

Nuoroda

Difuzinis suvirinimas (DFW) yra kietojo kūno suvirinimo technika, kuri sukuria tvirtą sujungimą skatinant difuziją ir koalescenciją kontroliuojamomis sąlygomis, naudojant šilumą ir slėgį. Kadangi tai gali padėti išvengti įprastų metalurginių sunkumų, pastebimų atliekant įprastines suvirinimo procedūras, ši specializuota technologija yra gyvybiškai svarbi metalurgijos srityje. Ji išlaiko jungčių atsparumą korozijai ir leidžia gaminti tikslių matmenų komponentus, ypač iš titano ir cirkonio. DFW puikiai tinka kai kuriems didelio našumo pritaikymams, nes gali gaminti stambius profilius, pasižyminčius vienodomis savybėmis, pavyzdžiui, titano laminatus. Kad DFW jungtys būtų sėkmingos, komponentus reikia kruopščiai suprojektuoti ir apdirbti.

Difuzinio suvirinimo procesas

Difuzinio suvirinimo kietojo kūno procese tinkamai paruošti paviršiai sujungiami esant tiksliam slėgiui, temperatūrai ir laikui. Lygus paviršiaus kontaktas užtikrinamas taikomu slėgiu, kuris apsaugo nuo makroskopinės deformacijos. Siekiant išvengti didelės plastinės deformacijos paviršiuose, naudojama temperatūra paprastai yra 50 % metalų lydymosi temperatūros. Dažnai naudojamas užpildas, kuris gali būti padengtas galvanize arba naudojamas kaip įdėklas. Šis užpildas leidžia suvirinti pigesnėje aplinkoje arba sumažina reikiamą temperatūrą, slėgį ar suvirinimo laiką.

Nuoroda

Slėgis gali būti tiekiamas naudojant svorio apkrovą, presus, diferencinį dujų slėgį arba diferencinį komponentų ar įrankių šiluminį plėtimąsi. Difuzinio suvirinimo kaitinimo metodai apima krosnis, retortus ir varžinius metodus. Specialus įrankių rinkinys, skirtas suvirinti mazgus su susikertančiais plokščiais paviršiais, yra aukšto slėgio autoklavai ir diferencinio dujų slėgio metodai. Tačiau lygiagrečių plokščių paviršių, statmenų apkrovos krypčiai, suvirinimui tinka vienaašio slėgio metodai. Šiems labai mechanizuotiems procesams reikalinga specializuota įranga. Taikant kitus metodus nei diferencinio slėgio metodai, pranašumas yra naudoti dalių konservavimą arba kapsuliavimą.

Difuzinio suvirinimo proceso etapai

• Sulygiuokite plokščių sujungimo paviršius, kad jie būtų toje pačioje plokštumoje – tai labai svarbus difuzijos reikalavimas.

• Kruopščiai nušlifuokite, nupoliruokite ir nuvalykite paviršius, kad pašalintumėte visas chemines priemaišas, kurios galėtų trukdyti difuzijai.

• Sudėkite plokštes kartu naudodami spaustukus, kad jos laikytųsi vietoje.

• Norėdami pradėti difuzijos procesą, mazgą veikiate aukštu slėgiu ir kaitinkite.

• Šias sąlygas palaikykite ilgesnį laiką, kad vyktų tinkama difuzija.

• Iš pradžių dėl valkšnumo ir takumo procesų sąsajoje gali atsirasti vietinė deformacija.

• Difuzijai progresuojant, sąsaja transformuojasi ir paviršiai susilieja, sudarydami tvirtą ryšį.

• Galiausiai sąsajos linija išnyksta, todėl jungtis pasižymi tokiomis pačiomis savybėmis ir stiprumu kaip ir pagrindinė medžiaga.

Difuzijos principai ir mechanizmai

Difuzija apima atomų judėjimą ir persiskirstymą, kuris vyksta greičiu, priklausančiu nuo migruojančių atomų greičio.

Nuoroda

Difuzija metalų sistemose dažnai skirstoma į tris procesus: tūrinę difuziją, grūdelių ribos difuziją ir paviršiaus difuziją, atsižvelgiant į tai, kuriuo keliauja difunduojantys atomai. Kiekvienam iš šių procesų taikomos skirtingos difuzijos konstantos; paviršiaus ir grūdelių ribos difuzija vyksta greičiau nei tūrinė difuzija.

Difuzija pagal tūrį: tai vyksta daugumoje medžiagos. Dėl reikalavimo įveikti energijos barjerus, kuriuos sukuria glaudžiai išsidėstę atomai kristalinėje gardelėje, atomų migracija per kristalinę gardelę dažnai yra lėtesnis procesas.

Grūdelių ribų difuzija: tai vyksta ties skirtingų kristalų arba grūdelių sąsajomis polikristalinėje medžiagoje arba išilgai grūdelių ribų. Palyginti su tūriu, atomų išsidėstymas šiose ribose yra mažiau tvarkingas, o tai palengvina greitesnę difuziją.

Paviršiaus difuzija: Tai vyksta medžiagos paviršiuose. Paviršiaus difuzija vyksta greičiau, nes atomai ten yra mažiau tvirtai sujungti nei medžiagos viduje.

Difuzija pagal pirmąjį Ficko dėsnį

Pagal pirmąjį Ficko dėsnį, pagrindinė formulė, reguliuojanti difuziją metaluose, yra tokia:

kur:

• dm/dt yra metalo tekėjimo greitis plokštumoje, statmenoje difuzijos krypčiai (g/s),

• D yra difuzijos koeficientas (cm²/s), kuris kinta priklausomai nuo metalinės sistemos, temperatūros, koncentracijos ir kristalinės struktūros,

• A yra plokštumos, per kurią vyksta difuzija, plotas (cm²),

• &x/&x​ yra koncentracijos gradientas atitinkamoje plokštumoje (g/cm³).

Neigiamas ženklas rodo, kad difuzija vyksta iš didesnės koncentracijos sričių į mažesnę.

Difuzijos koeficientas ir jį įtakojantys veiksniai

Šie veiksniai turi įtakos difuzijos koeficientui D, kuris nėra pastovus:

Temperatūra: difuzijos greitis didėja kylant temperatūrai. Paprastai difuzijos konstanta padvigubėja, kai temperatūra padidėja 11 °C (20 °F).

Koncentracija: Difuzijos konstantai didelę įtaką gali turėti koncentracijos pokyčiai. Pavyzdžiui, esant 930 °C (1700 °F) temperatūrai, anglies difuzijos konstanta geležyje patrigubėja, kai anglies koncentracija padidėja nuo 0 iki 1.4 %.

Kristalinė struktūra: įvairios kristalinės formos turi skirtingą difuzijos greitį. Pavyzdžiui, geležis difunduoja 100 kartų greičiau ferite nei austenite.

Kristalo kryptingumas ir iškraipymas: Kristalo orientacija, taip pat bet kokie iškraipymai, atsirandantys dėl plastinės deformacijos, turi įtakos difuzijos greičiui.

Difuzijos mechanizmai

Nuoroda

Du pagrindiniai atomų išsisklaidymo metaluose būdai yra vakansijos ir intersticiniai mechanizmai, nors yra ir kitų mechanizmų.

Mažesnių atomų judėjimas per kristalinės gardelės tuštumas arba tarpus vadinamas tarpiniu mechanizmu. Šie atomai gali migruoti iš vienos tarpinės erdvės į kitą nesukeldami didelių trikdžių matricos atomams, nes jų atominiai spinduliai yra mažesni nei matricos atomų.

Vakansijos mechanizmas: šis mechanizmas susijęs su didesniais atomais, kurie negali tilpti į tarpines erdves, tokias kaip matricos ar pakaitiniai atomai. Šie atomai, įšokdami į neužimtas gardelės erdves, migruoja. Kuo mažiau laisvų vietų, tuo lėtesnis greitis, nors šiems judėjimams reikalinga energija yra panaši į tarpinės difuzijos energiją.

Difuzinį suvirinimą įtakojantys kintamieji

Vienas svarbus difuzinio suvirinimo veiksnys yra laikas. Temperatūra daro didelę įtaką difuzijos trukmei. Ilgesnė trukmė laikui bėgant praranda savo efektyvumą. Reikalingą laikotarpį reikia nustatyti empiriškai, nes jo negalima iš anksto numatyti. Baigus suvirinimą, ilgesnis laikas nepagerina jungties savybių.

Slėgis turi tiesioginės įtakos difuzinio suvirinimo rezultatams, ypač ankstyvosiose fazėse. Jis susijęs su sudedamųjų komponentų takumo riba, nors teoriškai tikslią vertę nustatyti sunku. Norint pasiekti geriausių rezultatų, slėgis turi būti pakankamas, net jei vietinė deformacija sujungimo vietoje yra natūrali proceso dalis. Norint sėkmingai suformuoti tvirtus sujungimus, labai svarbu subalansuoti šilumą ir slėgį, nes didelis suspaudimas yra susijęs su didelėmis įrangos sąnaudomis.

Difuzinio suvirinimo metu temperatūra yra svarbiausias kintamasis. Norint išvengti medžiagos pakitimų ir užtikrinti tvirtą, stabilų sukibimą, reikia pasirinkti idealią temperatūrą. Kad suvirinimo procesas būtų sėkmingas, būtina tinkamai palaikyti temperatūrą.

Įranga ir tinkamos medžiagos, naudojamos difuziniam suvirinimui

Difuziniam suvirinimui reikalingi specialūs įrankiai, įskaitant specialiai suprojektuotus įtaisus, šilumos šaltinius, presus ir autoklavus. Siekiant sukurti idealią atmosferą, šie įrankiai dažnai derinami su keraminiais komponentais. Ši technika puikiai tinka jungti tokias medžiagas kaip titanas, aliuminis ir nikelio lydiniai, kuriuos sudėtinga sujungti naudojant tradicinius metodus. Nors yra pigesnių plieno suvirinimo būdų, difuzinis suvirinimas gali būti ekonomiškas būdas suvirinti didelius, plokščius mažai anglies turinčio plieno paviršius be papildomo metalo, kai tenkinamos tinkamos sąlygos.

Difuzinio suvirinimo privalumai

Difuzinis suvirinimas turi įvairių privalumų.

Gautos jungties cheminės ir fizinės savybės yra panašios į pagrindinio metalo savybes. Tai garantuoja nepriekaištingą suvirinimą be poringumo ir įtrūkimų. Šis procesas puikiai tinka tiksliems komponentams, nes pasižymi dideliu matmenų tikslumu. Skirtingai nuo lankinio suvirinimo, juo galima sujungti panašias arba skirtingas medžiagas be užpildo. Suvirinimas yra nebrangi technologija, kurią galima naudoti norint efektyviai sujungti sudėtingas formas ir medžiagas. Jis apeina su lydomuoju suvirinimu susijusius sunkumus ir yra paprastas naudoti. Difuzinis suvirinimas taip pat yra labai efektyvus ir automatizuotas, nereikalaujantis daug specialistų darbo, nes vienu metu galima sujungti kelias dalis.

Difuzinio suvirinimo trūkumai ir apribojimai

Difuzinis suvirinimas turi keletą privalumų, tačiau taip pat ir trūkumų. Įranga yra brangi, ypač dideliems suvirinimo elementams, ir reikalauja specialaus pasiruošimo su tiksliu valymu ir paviršiaus paruošimu. Jis netinka dideliems gamybos tempams, nes jam reikalinga apsaugota atmosfera arba vakuumas, ir tai užima daug laiko. Nepaisant nedidelių eksploatavimo išlaidų, pradinis pasiruošimas yra brangus. Ruošinio paruošimas yra svarbus, bet gali būti sudėtingas. Įranga riboja suvirinimo siūlių dydį, o tikrinimo galimybių nėra daug. Dėl didelės priklausomybės nuo tikslių suvirinimo parametrų (temperatūros, slėgio, paviršiaus apdailos ir naudojamų medžiagų), šis procesas netinka masinei gamybai. Taip pat reikia atkreipti ypatingą dėmesį į skirtingą medžiagų šiluminį plėtimąsi.

Difuzinio suvirinimo taikymas

Difuzinis suvirinimas (DFW) plačiai naudojamas tokiose pramonės šakose kaip aviacijos ir kosmoso bei branduolinė energetika, siekiant sujungti didelio stiprumo ir ugniai atsparius metalus. Žymus DFW plataus naudojimo aviacijos ir kosmoso pramonėje pavyzdys yra erdvėlaivio variklio laikiklis, pagamintas iš 28 titano dalių, kurios yra difuziniu suvirinimu sujungtos, kad atlaikytų tris milijonus svarų traukos jėgą. DFW taip pat naudojamas gaminant vamzdžius, kurių maksimalus dydis yra 203 mm x 255 cm x 457 cm. Pirmą kartą panaudojus DFW besisukančio variklio komponente, dujų turbinų pramonė gali sukurti Ti-6%Al-4%V komponentus pažangiems didelės traukos varikliams. Šiems sudėtingiems pritaikymams DFW leidžia sukurti tvirtas, didelio našumo konstrukcijas, kurių reikia.