扩散接合

扩散接合(英文:Diffusion bonding)是一种金属加工的技术,用以焊接同相或异相的金属。典型的扩散接合,被焊接物(金属箔、线、丝等)需层层交错放置,在高温高压下进行加工。根据材料科学所述的固态扩散,在一定的高温下,两相接金属的表面,原子会互相扩散并形成相变,进而接合成一整体。扩散接合运用于航天核电设备等产业。

特色

扩散接合不需加热至液态熔融或者使用熔填金属,因此成品质量并未增减。接合处 的强度及耐温性与母材金属相似,工件几乎无塑性变形,此制程导入甚少的残留应力。因为在真空或惰性气体的环境下加工,接合过程中不应有污染。理论上接合任何大小的面积不影响加工时间,但实际上限制焊接面的因素包括是否能提供足够的压力,以及空间限制。扩散接合可用于:同相及异相金属、易氧化的金属(锆、铍、钛等)及耐火金属、厚薄不一的工件。

扩散接合花费相对高昂,当其他焊接加工方法无法达到预期的目标时,才会采用此方法。例如,接合等一般无法以液态熔融焊接的材料,以及其他高熔点材料; 交错叠放的不同金属且要求高温时保持材料强度; 以及连接蜂巢心(honeycomb core)与夹层(skin)制造金属蜂巢芯夹层复合材等等金属夹芯结构材料

制程

扩散接合由夹紧板钳夹欲焊的工件,再扩散接合之前,焊接面必须加工至光滑平整,并且免于其他化学药剂或尘埃碎屑污染 ,任何的杂质都有可能干扰两金属面之间的扩散。一旦钳合固定,工件被施以高温高压长达数小时之久。加压可使用液压椿塞(hydraulic ram)于高温环境,该方法可较精准测量施加的压力。扩散接合一定要保持真空或惰性气体环境。

在微观的角度下,扩散接合大致可分为三个阶段:

  • 在两物件的表面完全贴合之前,两者微观尺度的表面粗糙突起(asperity)先彼此接触并塑性变形,当粗糙突起(asperity)变形时,同时也会形成突起处相连的界面。
  • 逐渐升高的温度及压力造成材料加速潜变、晶界移动,两者的表面空隙缩为互不相通的细孔。
  • 材料的原子扩散跨越接邻的表面,模糊彼此的边界并形成键结。

参考文献