Диффузионная сварка оксидной керамики с алюминием

1.1 Механизм образования соединения при диффузионной сварке
В соответствии с диффузионной гипотезой [3, 4, 5 в основе образования качественного соединения между контактирующими поверхностями лежат процессы взаимного перемещения атомов вглубь соединяемых тел. Поверх постные атомы металла имеют свободные, ненасыщенные связи (вакансии), которые захватывают всякий атом или молекулу, приблизившиеся на расстояние действия межатомных сил. Свободный атом имеет избыток энергии по сравнению с атомами конденсированной системы, и присоединение свободного атома сопровождается освобождением энергии. Такое самопроизвольное объединение наблюдается в объемах однородной жидкости. Несравненно труднее происходит объединение твердого вещества. В этом случае приходится затрачивать значительные количества энергии и применять сложные технические приемы для сближения соединяемых атомов [3].
…

1.2 Основные закономерности процессов диффузии в материалах
В общем представлении, диффузией называется закономерное перемещение атомов элемента в кристаллической решетке металла. Процессы диффузии лежат в основе многих превращений, наблюдающихся в металлах и сплавах (рост зерна, полиморфное превращение, отдых и рекристаллизация, гомогенизирующая термическая обработка, дисперсионное твердение, химико-термическая обработка, спекание металлических порошков сварка давлением и др.) [7, 8, 9.
Согласно современным представлениям металлы и сплавы в твердом состоянии представляют собой систему правильно расположенных в пространстве положительных ионов и относительно свободных электронов, движущихся в определенных энергетических зонах. Ионы совершают колебания с большой частотой (около 1013 циклов в 1 с), и термодинамически возможным является их перемещение в новое, энергетически более выгодное место. При повышении температуры такие перемещения получают резкое ускорение.
…

1.3 Особенности процесса диффузионной сварки
В практике ДС известно применение ряда технологических схем процесса, различающихся:
• характером приложения нагрузки или напряжения (постоянное цикличе­ское приложение или ударно, с контролируемой скоростью).
• постоянным или циклическим нагревом;
• применением различных защитных сред (вакуум, водород, растворы со­лен и др.);
• применением различных активирующих параметров (УЗ-воздействия, электростатических полей, взрывающихся проводников и др.).
• применением различных прослоев.
Применение промежуточных прослоев позволяют свести к миниму­му напряжения в зоне соединения разнородных материалов, возникающие из-за разницы их термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР), предотвратить образование интерметаллидов и хрупких фаз, избежать пластической деформации деталей, а также резко снизить значения основных параметров режима ДС.
…

1.4 Оборудование и технологическая оснастка
При реализации разработанных технологических процессов ДС разнородных материалов качество получаемых соединений во многом зависит от применяемого сварочного оборудования, а точность сборки под сварку и возможность соединения нескольких деталей за один цикл – от наличия специальной технологической оснастки.
Сварку проводят в специальных сварочных установках. Установки для ДС не сложны по своей конструкции (рис. 1.6). Две свариваемые детали 2 помещают в вакуумную камеру 1 (в процессе сварки вакуумная камера охлаждается проточной водой). Для защиты свариваемых деталей от интенсивного окисления при нагреве стыкующихся поверхностей в вакуумной камере создают разрежение вакуумной системой 3. Источником нагрева свариваемых деталей служит индуктор 4 высокочастотного генератора 5. Сжимающее усилие на свариваемые детали 2 передается от гидросистемы 6. После сварки детали охлаждаются в вакуумной камере 1 до соответствующей температуры.

Рисунок 1.
…

2.1 Общие требования к технологии диффузионной сварки
Таким образом, при выполнении ДС важно выполнение следующих требований:
• поверхности соединяемых материалов должны бить очищены;
• обеспечен непосредственный их контакт;
• материалы следует нагреть до температуры, способствующей диффузии через соединяемые поверхности за обусловленный период времени;
• защитная атмосфера должна предотвращать окисление или загрязнение материалов.
Для осуществления ДС деталей, подлежащих соединению, их помещают в сварочную камеру и устанавливают в контакт друг с другом. В сварочной камере создают вакуум или другую контролируемую среду. Затем детали нагревают до заданной температуры, прикладывают необходимое сварочное давление и выдерживают при этих условиях в течение определенного времени. После осуществления сварки детали охлаждают в вакуумной камере или на воздухе в зависимости от свойств соединяемых материалов.
…

2.2 Технологические особенности диффузионной сварки керамики с металлами
Любая керамика – многофазный материал, состоящий из кристаллической, аморфной и газовой фаз. Кристаллическая фаза – основа керамики, определяющая основные свойства. Стекловидная керамики – это прослойка из стекла, связывающая кристаллы кристаллической фазы она способствует спеканию керамики и повышает ее механическую прочность. Наличие стеклофазы положительно сказывается на свариваемости керамики с металлами. Газовая фаза – неизбежный компонент, так как в процессе подготовки массы, формования изделия, а также в процессе обжига и выделения летучих компонентов возникают поры, которые заполняются газовой средой, в которой производят обжиг 15.
Основа керамики – кристаллическая фаза, определяющая ее свойства.
…

2.4 Технология диффузионной сварки оксидной керамики с алюминием
Известен способ получения вакуумноплотного соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся в том, что между керамическими поверхностями помещают алюминиевую проволоку определенного профиля, нагревают 270-360°С в атмосфере гелия или в вакууме 10-6 Па, затем соединяемые детали сдавливают усилием 20-150 МПа в течение 10-60 мин, после чего нагрев выключают.
Известен также способ получения соединения алюминия с корундовой керамикой, заключающийся, в том, что между керамическими поверхностями помещают диск из алюминия толщиной 1 мм, нагревают соединяемые детали до 400-700°С и сдавливают усилием 100-200 МПа в течение 180 мин, после чего нагрев выключают.
…

2.5 Рекомендации для проектирования технологии диффузионной сварки оксидной керамики с алюминием
К основному недостатку ДС алюминия с оксидной керамикой можно отнести то, что максимально возможное давление, не приводящее к накоплению объемной деформации металлических элементов при температуре сварки, недостаточно для равномерного формирования полного физического контакта соединяемых поверхностей. Увеличение давления приводит к значительной деформации металлических элементов. Кроме того, при температурах, близких к температуре сварки, интенсивно протекают процессы окисления на соединяемых поверхностях в зависимости от состава остаточных газов в сварочной вакуумной камере (наиболее важно парциальное давление паров воды) и в некоторых случаях формирование физического контакта при температуре сварки становится вообще невозможным, что приводит к резкому снижению процента выхода годных.
…