확산 본딩

Diffusion bonding
확산 용접 공정의 애니메이션

확산 접합 또는 확산 용접은 금속 가공에 사용되는 고체 용접 기술로 유사 금속과 이종 금속을 접합할 수 있습니다.그것은 고체 확산의 원리로 작동하며, 두 개의 고체 금속 표면의 원자가 시간에 따라 서로 흩어집니다.이는 일반적으로 [1][2]재료의 절대 용해 온도의 약 50-75%인 높은 온도에서 이루어집니다.확산 본딩은 일반적으로 용접 대상 재료에 고압을 가하여 구현됩니다. 이 기술은 얇은 금속박과 금속 와이어 또는 [3]필라멘트를 번갈아 사용하는 "샌드웨이쉬"를 용접하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다.현재 항공우주 및 원자력 산업 내에서[1] [citation needed]고강도 금속과 내화 금속의 결합에 널리 사용되고 있다.

역사

확산 용접은 수세기 동안 지속되어 왔다.이것은 보석과 다른 용도에 사용하기 위해 금과 구리를 접합하는 기술인 "금 채우기"의 형태로 발견될 수 있다.채워진 금을 만들기 위해, 대장장이들은 많은 양의 순금을 망치로 두드려 얇은 금박지로 만듭니다.이 필름은 구리 기판 위에 올려져 무게를 가했다.마지막으로, "hot-pressure welding" 또는 HPW로 알려진 공정을 사용하여, 무게/구리/금막 조립체를 오븐 안에 넣고 금막이 구리 [4]기질에 충분히 접합될 때까지 가열했습니다.

현대의 방법은 1953년 [5]소련의 과학자 N.F. Kazakov에 의해 설명되었다.

특성.

확산 접합에는 액체 융접이 없으며 필러 금속이 포함되지 않는 경우가 많습니다.합계에 무게가 추가되지 않으며 결합은 모재의 강도 및 온도 저항을 모두 보이는 경향이 있습니다.재료는 소성 변형이 없거나 거의 없습니다.잔류 응력이 거의 유입되지 않으며 접합 프로세스로 인한 오염이 없습니다.이론적으로는 가공시간의 증가 없이 임의의 크기의 접합면에서 실행할 수 있지만 실질적으로 표면은 요구되는 압력과 물리적 제한에 의해 제한되는 경향이 있다.확산접합은 유사 및 이종금속, 반응금속 및 내화금속 또는 다양한 두께의 조각으로 실시할 수 있다.

확산 본딩은 상대적으로 비용이 높기 때문에 다른 방법으로 용접하기 어렵거나 불가능한 작업에 가장 많이 사용됩니다.예를 들어, 지르코늄 및 베릴륨과 같이 일반적으로 액체 융접을 통해 접합할 수 없는 용접 재료, 텅스텐과 같이 녹는점이 매우 높은 재료, 고온에서 강도를 유지해야 하는 여러 금속의 층을 번갈아 사용하는 재료, 매우 얇은 벌집 금속박 [6][7][8]구조 등이 있습니다.티타늄 합금은 얇은 산화층이 850°C 이상의 온도에서 용해되어 접합 표면에서 확산될 수 있음에도 불구하고 종종 확산 접합됩니다.

온도 의존성

정상상태 확산은 접촉면의 단면적을 통과하는 확산 플럭스의 양에 의해 결정된다.픽의 확산 상태의 제1법칙:

여기서 J는 확산 플럭스, D는 확산 계수, dC/dx는 해당 물질을 통과하는 농도 구배이다.음수 부호는 구배를 곱한 것입니다.픽의 법칙의 또 다른 형태는 다음과 같습니다.

여기서 M은 확산되는 원자의 질량 또는 양, A는 단면적, t는 소요시간으로 정의된다.두 방정식을 동일하게 하여 정렬하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

특정 접합부에 대해 질량과 면적이 일정하기 때문에 필요한 시간은 접합부를 통해 증분량만 변화하는 농도 구배와 확산 계수에 따라 크게 달라진다.확산 계수는 다음 식에 의해 결정됩니다.

여기서d Q는 확산을 위한 활성화 에너지, R은 보편적인 가스 상수, T는 프로세스 중에 경험하는 열역학적 온도0, D는 결합되는 물질에 따라 달라지는 온도에 의존하지 않는 전위 인자입니다.주어진 접합부에 대해 이 방정식에서 관리 내의 유일한 항은 [9]온도입니다.

과정

확산 접합 공정 애니메이션

결정구조가 유사한 2개의 재료를 접합할 때는 용접해야 할 2개의 표면을 서로 맞닿게 하여 확산접합한다.용접 전에 이러한 표면은 경제적으로 가능한 한 매끄럽게 마감해야 하며 가능한 한 화학적 오염물질이나 기타 이물질이 없도록 유지해야 합니다.두 금속 표면 사이에 어떠한 간섭 물질도 물질의 적절한 확산을 방해할 수 있다.용접기와 공작물을 [10]연결하기 위해 각 용접 용도에 대해 특정 공구가 이루어집니다.클램프로 고정하면 압력과 열이 구성 요소에 가해지는데, 보통 몇 시간 동안 사용됩니다.표면은 용해로 또는 전기 저항을 통해 가열됩니다.온도에서 유압 프레스를 사용하여 압력을 가할 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 부품의 부하를 정확하게 측정할 수 있습니다.부품에 온도 구배가 없어야 하는 경우에는 차동 열팽창을 사용하여 부하를 가할 수 있습니다.저팽창 금속(즉, 몰리브덴)을 사용하여 부품을 고정 장치 금속보다 온도에서 더 많이 팽창하여 부품 자체의 하중을 공급합니다.압력을 가하는 다른 방법으로는 데드 웨이트, 두 표면 간의 차동 가스 압력 및 고압 고압 고압 기압을 사용하는 것이 있다.확산 접합은 강력한 산화물 층을 가진 금속(예: 구리)을 사용하는 경우 진공 또는 불활성 가스 환경에서 수행해야 합니다.연마, 식각, 세척을 포함한 표면 처리와 확산 압력 및 온도는 확산 [6][7][8]바운딩 공정에서 중요한 요소이다.

현미경 수준에서 확산 접합은 세 가지 간단한 단계로 이루어집니다.

  • 미세 격변 - 표면이 완전히 접촉하기 전에 두 표면의 아스퍼리티(매우 작은 표면 결함)가 접촉하여 소성 변형됩니다.이러한 아스퍼리티가 변형됨에 따라, 그것들은 서로 연결되어 두 표면 사이의 계면을 형성한다.
  • 확산제어 질량수송의 온도 및 압력이 높아지면 재료의 크리프가 가속화되고, 입자 경계 및 원료가 이동하며, 두 표면 사이의 틈이 격리된 기공으로 감소한다.
  • 계면 이동 - 재료가 접하는 표면의 경계를 가로질러 확산되기 시작하고, 이 재료 경계를 혼합하고 결합을 형성합니다.

혜택들

  • 접합된 표면은 기본 재료와 동일한 물리적 및 기계적 특성을 가집니다.접합이 완료되면 예를 들어 인장 테스트를 사용하여 조인트를 테스트할 수 있습니다.
  • 확산 접합 프로세스는 인터페이스에 [12]불연속성이나 다공성이 없는 고품질 조인트를 생성할 수 있습니다.즉, 재료의 샌딩, 제조 및 가열이 가능합니다.
  • 확산 접합을 통해 복잡한 형상을 가진 고정밀 부품을 제조할 수 있습니다.또한 확산은 유연하다.
  • 확산 접합 방법은 유사 재료 또는 이종 재료를 접합하여 광범위하게 사용될 수 있으며 복합 재료를 가공하는 데에도 중요합니다.
  • 이 공정은 접근하기가 매우 어렵지도 않고 확산 접합을 수행하기 위한 비용도 [13]높지 않습니다.
  • 확산 중인 물질은 소성 변형을 줄일 수 있습니다.

적용 가능성

확산 용접을 사용한 시트 성형 프로세스의 애니메이션(히드로 성형 참조).

확산 결합은 주로 전자, 항공우주 및 원자력 산업을 위한 복잡한 형태를 만드는 데 사용됩니다.이런 형태의 접합은 폭발 용접과 같은 다른 접합 기술에 비해 상당한 시간이 걸리기 때문에 부품은 소량 제작되며 대부분의 경우 제작이 자동화됩니다.그러나 요건이 다르기 때문에 소요 시간이 단축될 수 있습니다.고정구 수, 인건비 및 부품 수를 줄이기 위해 복잡한 판금 성형 시 슈퍼 플라스틱 성형과 함께 확산 접합을 사용한다.여러 장의 시트를 겹쳐 특정 섹션으로 접합합니다.그런 다음 스택을 금형에 넣고 가스 압력이 시트를 확장하여 금형을 채웁니다.이것은 종종 항공우주 [14]산업에 필요한 부품에 티타늄 또는 알루미늄 합금을 사용하여 이루어집니다.

대표적인 용접 재료로는 티타늄, 베릴륨, 지르코늄 등이 있습니다.많은 군용 항공기 확산 결합은 값비싼 전략 물자를 보존하고 제조 비용을 절감하는 데 도움이 될 것이다.일부 항공기에는 동체, 선외기 및 선내 액추에이터 피팅, 착륙 장치 트라니온 및 나셀 프레임을 포함하여 100개 이상의 확산 결합 부품이 있다.

레퍼런스

  1. ^ a b "Diffusion Bonding". Welding Fundamentals and Processes. Vol. 06A. Materials Park, Ohio: ASM International. Handbook Committee. 2011. pp. 682–689. ISBN 978-0-87170-377-4. OCLC 21034891.
  2. ^ Diffusion bonding 2. Stephenson, D. J. (David J.). London: Elsevier Applied Science. 1991. ISBN 1-85166-591-9. OCLC 22908137.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)
  3. ^ VanDyke, Kevin; Streeter, Gigi; Dreher, Jon; Leyrer, Larry (4 Sep 2012), Diffusion bonding, retrieved 2016-02-17
  4. ^ Kalpakjian, Serope (2007). Manufacturing Processes for Engineering Materials (5th Ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-227271-1.
  5. ^ Kazakov, N.F (1985). "Diffusion Bonding of Materials". Pergamon Press.
  6. ^ a b Schrader, George F.; Elshennway, Ahmad K. (2000). Manufacturing Processes and Materials (4th illustrated ed.). pp. 319–320. ISBN 0872635171.
  7. ^ a b Chawla, Krishan K. Composite Materials: Science and Engineering. Materials research and engineering (2nd illustrated ed.). p. 174. ISBN 0387984097.
  8. ^ a b Jacobson, David M. (2005). Principles of Brazing (illustrated ed.). pp. 11–14. ISBN 0871708124.
  9. ^ Callister, William D. Jr.; Rethwisch, David G. (2014). Materials Science and Engineering: An Introduction, 9th ed. John Wiley and Sons Inc. pp. 143–151. ISBN 978-1-118-32457-8.
  10. ^ "Diffusion-welding for strongest solid state joints".
  11. ^ "Fundamentals of Diffusion Bonding". Welding fundamentals and processes. ASM International. Handbook Committee., American Society for Metals. Joining Division. Materials Park, Ohio: ASM International. 2011. pp. 217–221. ISBN 978-1-61344-660-7. OCLC 780242244.{{cite book}}: CS1 유지보수: 기타 (링크)
  12. ^ "Diffusion Bonding". www.msm.cam.ac.uk. Retrieved 2016-02-17.
  13. ^ "Solid State Welding". www.totalmateria.com. Retrieved 2016-02-17.
  14. ^ "DIFFUSION BONDING - AN ADVANCED MATERIAL PROCESS FOR AEROSPACE TECHNOLOGY". www.vacets.org. Retrieved 2016-02-17.


추가 정보

  • Kalpakjian, Serope, Schmid, Steven R. "제조 엔지니어링 및 기술, 제5판", 771-772페이지

외부 링크