Wat is diffusielassen?

Referentie

Diffusielassen (DFW) is een lastechniek in vaste toestand die een sterke verbinding oplevert het faciliteren van diffusie en coalescentie onder gecontroleerde omstandigheden met behulp van hitte en druk. Omdat het veel voorkomende metallurgische problemen kan voorkomen die bij conventionele lasprocedures worden waargenomen, is deze gespecialiseerde technologie van vitaal belang op het gebied van de metallurgie. Het houdt de corrosieweerstand van de verbindingen intact en maakt het mogelijk componenten met exacte afmetingen te vervaardigen, vooral in titanium en zirkonium. DFW is geweldig voor sommige hoogwaardige toepassingen, omdat het stevige secties kan produceren met consistente kwaliteiten, zoals titaniumlaminaten. Om DFW-verbindingen succesvol te laten zijn, moeten componenten zorgvuldig worden ontworpen en bewerkt.

Diffusie-lasproces

Bij het solid-state proces van diffusielassen worden oppervlakken die op de juiste manier zijn voorbereid, samengebracht onder nauwkeurige druk-, temperatuur- en tijdsbeperkingen. Door de uitgeoefende druk wordt een gelijkmatig oppervlaktecontact verzekerd, waardoor macroscopische vervorming wordt voorkomen. Om ernstige plastische vervorming aan de oppervlakken te voorkomen, bedraagt ​​de gebruikte temperatuur doorgaans 50% van het smeltpunt van de metalen. Vaak wordt een vulmetaal gebruikt dat kan worden geplateerd of als inzetstuk kan worden gebruikt. Dit vulmetaal maakt lassen in een goedkopere omgeving mogelijk of vermindert de noodzakelijke temperatuur, druk of lastijd.

Referentie

Druk kan worden geleverd via belasting met eigen gewicht, persen, differentiële gasdruk of differentiële thermische uitzetting van componenten of gereedschappen. Verwarmingsmethoden voor diffusielassen omvatten ovens, retorten en weerstandsbenaderingen. Een speciale set gereedschappen voor lasconstructies met elkaar kruisende vlakke oppervlakken zijn hogedrukautoclaven en differentiële gasdrukmethoden. Voor het lassen van parallelle vlakke oppervlakken loodrecht op de richting van de belasting zijn echter uniaxiale drukmethoden geschikt. Voor deze sterk gemechaniseerde processen is gespecialiseerde apparatuur nodig. Het is voordelig om het inblikken of inkapselen van onderdelen te gebruiken voor andere methoden dan differentiële drukbenaderingen.

Stappen in het diffusielasproces

• Lijn de pasvlakken van de platen uit om ervoor te zorgen dat ze zich in hetzelfde vlak bevinden, een cruciale vereiste voor diffusie.

• Machine, polijst en reinig de oppervlakken grondig om eventuele chemische onzuiverheden te verwijderen die de diffusie zouden kunnen belemmeren.

• Stapel de platen op elkaar met behulp van klemmen om ze op hun plaats te houden.

• Oefen hoge druk en hitte uit op het geheel om het diffusieproces op gang te brengen.

• Handhaaf deze omstandigheden gedurende een langere periode om een ​​goede diffusie mogelijk te maken.

• In eerste instantie kan er lokale vervorming optreden op het grensvlak als gevolg van kruip- en vloeiprocessen.

• Naarmate de diffusie vordert, transformeert het grensvlak en smelten de oppervlakken samen, waardoor een sterke band ontstaat.

• Uiteindelijk verdwijnt de grenslijn, waardoor een voeg ontstaat met dezelfde eigenschappen en sterkte als het basismateriaal.

Verspreidingsprincipes en mechanismen

Diffusie omvat de beweging en herverdeling van atomen, die plaatsvindt met snelheden die afhankelijk zijn van de snelheid van migrerende atomen.

Referentie

Diffusie in metaalsystemen wordt vaak ingedeeld in drie processen: volumediffusie, korrelgrensdiffusie en oppervlaktediffusie, afhankelijk van de route die de diffunderende atomen afleggen. Op elk van deze processen zijn verschillende diffusieconstanten van toepassing; oppervlakte- en korrelgrensdiffusie vindt sneller plaats dan volumediffusie.

Verspreiding naar volume: Dit vindt plaats in het grootste deel van de stof. Vanwege de vereiste om voorbij de energiebarrières te komen die worden gevormd door de dicht bij elkaar geplaatste atomen in het rooster, is atoommigratie door het kristalrooster vaak een langzamer proces.

Korrelgrensdiffusie: Dit vindt plaats op de grensvlakken tussen verschillende kristallen of korrels in een polykristallijn materiaal of langs de korrelgrenzen. Vergeleken met het volume is er minder orde in de atomaire rangschikking aan deze grenzen, wat een snellere diffusie mogelijk maakt.

Oppervlaktediffusie: Dit gebeurt op de oppervlakken van het materiaal. Oppervlaktediffusie vindt sneller plaats omdat atomen daar minder stevig gebonden zijn dan die in de bulk.

Diffusie volgens de eerste wet van Fick

Volgens de eerste wet van Fick is de onderliggende formule die de diffusie in metalen regelt als volgt:

Waar:

• dm/dt is de stroomsnelheid van metaal door een vlak loodrecht op de diffusierichting (g/s),

• D is de diffusiecoëfficiënt (cm²/s), die varieert afhankelijk van het metallische systeem, de temperatuur, de concentratie en de kristalstructuur,

• A is de oppervlakte van het vlak waarover diffusie plaatsvindt (cm²),

• &x/&x​ is de concentratiegradiënt in het betreffende vlak (g/cm³).

Het negatieve teken geeft aan dat diffusie plaatsvindt van gebieden met een hogere concentratie naar een lagere concentratie.

Diffusiecoëfficiënt en beïnvloedende factoren

De volgende factoren beïnvloeden de diffusiecoëfficiënt D, die niet constant is:

Temperatuur: De diffusiesnelheid neemt toe met toenemende temperatuur. Als algemene regel geldt dat de diffusieconstante verdubbelt bij een temperatuurstijging van 11°C (20°F).

Concentratie: De diffusieconstante kan sterk worden beïnvloed door variaties in de concentratie. Bij 930°C (1700°F) verdrievoudigt de diffusieconstante van koolstof in ijzer bijvoorbeeld met een toename van de koolstofconcentratie van 0 naar 1.4%.

Kristalstructuur: gevarieerde kristalvormen hebben verschillende diffusiesnelheden. IJzer diffundeert bijvoorbeeld 100 keer sneller in ferriet dan in austeniet.

Kristalrichting en vervorming: De oriëntatie van het kristal en eventuele vervormingen veroorzaakt door plastische vervorming hebben invloed op de diffusiesnelheden.

Mechanismen van diffusie

Referentie

De twee belangrijkste manieren waarop atomen zich in metalen verspreiden zijn via de leegstands- en interstitiële mechanismen, hoewel er ook andere mechanismen zijn.

De beweging van kleinere atomen door de holtes of tussenruimten in het kristalrooster staat bekend als het interstitiële mechanisme. Deze atomen kunnen van de ene tussenruimte naar de andere migreren zonder grote verstoringen van de matrixatomen te veroorzaken, omdat ze kleinere atoomstralen hebben dan de matrixatomen.

Vacancy-mechanisme: Dit mechanisme heeft betrekking op grotere atomen die niet in de interstitiële ruimtes kunnen passen, zoals matrix- of substitutionele atomen. Door in onbezette roosterruimten te springen, migreren deze atomen. Hoe minder beschikbare vacaturesites ervoor zorgen dat het tempo lager ligt, ook al is de energie die nodig is voor deze bewegingen vergelijkbaar met die van interstitiële diffusie.

Variabelen die het diffusielassen beïnvloeden

Een belangrijke factor bij diffusielassen is tijd. De temperatuur heeft een grote impact op hoe lang diffusie duurt. Langere duurtijden verliezen hun effectiviteit na verloop van tijd. De vereiste periode moet empirisch worden vastgesteld, omdat deze niet van tevoren kan worden voorspeld. Nadat het lassen is voltooid, verbetert meer tijd de eigenschappen van de verbinding niet.

Druk heeft een direct effect op de resultaten van diffusielassen, vooral in de beginfase. Het houdt verband met de vloeigrens van de samenstellende componenten, hoewel het in theorie moeilijk is om een ​​precieze waarde te achterhalen. Voor de beste resultaten moet er voldoende druk worden uitgeoefend, ook al is lokale vervorming op de verbindingsplek een natuurlijk onderdeel van het proces. Om met succes sterke verbindingen te vormen, is het van cruciaal belang om warmte en druk in evenwicht te brengen, omdat hoge compressie gecorreleerd is met hoge apparatuurkosten.

Bij diffusielassen is de temperatuur de belangrijkste variabele. Om materiaalveranderingen te voorkomen en een stevige, stabiele binding te garanderen, moet de ideale temperatuur worden gekozen. Om het lasproces succesvol te laten zijn, is een goed temperatuurbehoud noodzakelijk.

Apparatuur en geschikte materialen die worden gebruikt bij diffusielassen

Voor diffusielassen zijn gespecialiseerde gereedschappen nodig, inclusief speciaal ontworpen armaturen, warmtebronnen, persen en autoclaven. Om de ideale sfeer te creëren worden deze gereedschappen vaak gecombineerd met keramische onderdelen. Deze techniek is perfect voor het verbinden van materialen zoals titanium, aluminium en nikkellegeringen, die met traditionele technieken lastig te verbinden zijn. Hoewel er minder dure manieren zijn om staal te lassen, kan diffusielassen een kosteneffectieve aanpak zijn voor het lassen van grote, vlakke oppervlakken van koolstofarm staal zonder de noodzaak van toevoegmateriaal als aan de juiste omstandigheden wordt voldaan.

Voordelen van diffusielassen

Diffusielassen heeft verschillende voordelen.

De chemische en fysieke eigenschappen van de resulterende verbinding zijn vergelijkbaar met die van het basismetaal. Het garandeert een vlekkeloze las die vrij is van porositeit en breuken. Dit proces is perfect voor precisiecomponenten omdat het een hoge maatnauwkeurigheid biedt. In tegenstelling tot booglassen kan het materialen combineren die vergelijkbaar of verschillend zijn zonder dat er vulmateriaal nodig is. Lassen is een goedkope technologie die kan worden gebruikt om complexe vormen en materialen effectief te verbinden. Het omzeilt de moeilijkheden die gepaard gaan met smeltlassen en is eenvoudig te gebruiken. Diffusielassen is ook zeer efficiënt en geautomatiseerd, en vereist weinig deskundig werk omdat het meerdere stukken in één opstelling kan bevestigen.

Nadelen en beperkingen van diffusielassen

Diffusielassen biedt verschillende voordelen, maar heeft ook enkele nadelen. De apparatuur is kostbaar, met name voor grote lasnaden, en vereist een specifieke opstelling met nauwkeurige reiniging en oppervlaktevoorbereiding. Het is niet ideaal voor hoge productiesnelheden omdat het een beschermde atmosfeer of vacuüm vereist en tijd kost. Ondanks bescheiden operationele kosten is de initiële opstelling duur. Werkstukvoorbereiding is belangrijk, maar kan moeilijk zijn. De machine beperkt de grootte van de lassen en er zijn niet veel opties voor inspectie. Vanwege de grote afhankelijkheid van exacte lasparameters (temperatuur, druk, oppervlakteafwerking en gebruikte materialen), is het proces niet geschikt voor massaproductie. Er moet ook speciale aandacht worden besteed aan de verschillende thermische uitzettingen van materialen.

Toepassingen van diffusielassen

Diffusielassen (DFW) wordt veel gebruikt in industrieën zoals de ruimtevaart en de kernenergie voor het verbinden van zeer sterke en vuurvaste metalen. Een opmerkelijk voorbeeld van het wijdverbreide gebruik van DFW in de lucht- en ruimtevaartindustrie is de motorsteun van de space shuttle, die bestaat uit 28 stukjes titanium die door diffusie aan elkaar zijn gelast om drie miljoen pond stuwkracht te kunnen verwerken. DFW wordt ook gebruikt bij de vervaardiging van buizen met een maximale afmeting van 203 mm bij 255 cm bij 457 cm. Door voor het eerst DFW te gebruiken in een roterende motorcomponent, is de gasturbine-industrie in staat Ti-6%Al-4%V-componenten te creëren voor geavanceerde motoren met hoge stuwkracht. Voor deze moeilijke toepassingen maakt DFW de sterke, goed presterende structuren mogelijk die nodig zijn.