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擴散接合

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擴散接合(英文:Diffusion bonding)是一種金屬加工的技術,用以焊接同相或異相的金屬。典型的擴散接合,被焊接物(金屬箔、線、絲等)需層層交錯放置,在高溫高壓下進行加工。根據材料科學所述的固態擴散,在一定的高溫下,兩相接金屬的表面,原子會互相擴散並形成相變,進而接合成一整體。擴散接合運用於航天核電設備等產業。

特色

擴散接合不需加熱至液態熔融或者使用熔填金屬,因此成品質量並未增減。接合處 的強度及耐溫性與母材金屬相似,工件幾乎無塑性變形,此製程導入甚少的殘留應力。因為在真空或惰性氣體的環境下加工,接合過程中不應有汙染。理論上接合任何大小的面積不影響加工時間,但實際上限制焊接面的因素包括是否能提供足夠的壓力,以及空間限制。擴散接合可用於:同相及異相金屬、易氧化的金屬(鋯、鈹、鈦等)及耐火金屬、厚薄不一的工件。

擴散接合花費相對高昂,當其他焊接加工方法無法達到預期的目標時,才會採用此方法。例如,接合等一般無法以液態熔融焊接的材料,以及其他高熔點材料; 交錯疊放的不同金屬且要求高溫時保持材料強度; 以及連接蜂巢心(honeycomb core)與夾層(skin)製造金屬蜂巢芯夾層複合材等等金屬夾芯結構材料

製程

擴散接合由夾緊板鉗夾欲焊的工件,再擴散接合之前,焊接面必須加工至光滑平整,並且免於其他化學藥劑或塵埃碎屑汙染 ,任何的雜質都有可能幹擾兩金屬面之間的擴散。一旦鉗合固定,工件被施以高溫高壓長達數小時之久。加壓可使用液壓椿塞(hydraulic ram)於高溫環境,該方法可較精準測量施加的壓力。擴散接合一定要保持真空或惰性氣體環境。

在微觀的角度下,擴散接合大致可分為三個階段:

  • 在兩物件的表面完全貼合之前,兩者微觀尺度的表面粗糙突起(asperity)先彼此接觸並塑性變形,當粗糙突起(asperity)變形時,同時也會形成突起處相連的介面。
  • 逐漸升高的溫度及壓力造成材料加速潛變、晶界移動,兩者的表面空隙縮為互不相通的細孔。
  • 材料的原子擴散跨越接鄰的表面,模糊彼此的邊界並形成鍵結。

參考文獻