与专业的制造合作伙伴合作可以帮助利用相似和不同金属的最佳性能
当两种相似的金属需要卓越的性能时，金属扩散键合是实现高纯度界面的基本连接方法结构完整性。该过程涉及对在热压机中接合在一起的金属施加高温和压力，导致固体金属表面上的原子散布和结合。
可能没有其他商业上可行的材料连接工艺可以生产这种材料今天一致的结果。由热压工具引起的施加压力，结合软件和环回传感器以精确控制到微米精度，可以在组件装配的几平方英尺区域产生恒定压力。因此，这项技术引起了半导体、航空航天和能源行业设计工程师的兴趣。
当两种相似的金属需要出色的结构完整性时，金属扩散键合是实现高纯度界面的重要连接方法。由于过程控制如此之高，扩散键合工艺越来越多地用于连接不同的金属。感兴趣的商业工艺是钛到铁镍合金、钛合金到不锈钢，甚至一些铝到金属应用。该工艺还可以在同一材料组中的不同合金之间进行耦合，例如低碳钢、工具钢和金属- 基体复合材料。
要成功使用扩散键合，需要了解界面的复杂性及其对键的化学和热机械性能的影响。但是，随着行业的传统PVA TePla AG 是工业炉和 PulsPlasma 渗氮系统的全球制造商，工业炉高级产品和销售经理 Thomas Palamides 表示，专注于焊接和钎焊，很少有人接受扩散接合方面的正规教育。
“结合不同金属的有益特性是探索扩散键合的主要原因。然而，当制造商与我们联系时，他们通常对零件的设计、准备或处理方式知之甚少。他们可能对工艺数据有疑问，需要有关加热、冷却和加压速率等问题的指导，”Palamides 说。咨询专业的制造合作伙伴通常是考虑扩散接合可能带来的好处的最快方法。该方法还有助于以经济高效的方式根据制造商的工艺定制扩散键合。
扩散键合的优势
设计异种金属接头的重要性通常在于希望将正确的金属表面暴露在特定的环境条件下，而单一合金可能无法正常工作。另一个原因是引入重量更轻的材料系统或提供只有通过“封装”不同金属才能达到的耐腐蚀性水平。
扩散接合在随形冷却方面也具有巨大的潜在应用。这个概念是粘合包含机加工通道/微通道结构的金属板层。当组合时，通道可以提供冷却或散热。这些层可以在 MOV 扩散键合压机中键合到 600 毫米的堆叠高度，并保持与母体材料一样的强度。
与随形冷却相关的另一个应用是塑料注塑模具，采用 2 层设计的低合金工具钢和不锈钢（例如 STAVAX）。
了解扩散键合
几十年来，学术界一直在研究异种连接，其中大部分重点都集中在钛合金等高性能材料上。根据 Palamides 的说法，除了商业纯 (CP) 钛之外，人们经常发现在加工后的配合界面处存在金属间化合物层。 “Cu、Ni 和 Ag 等溶质元素的影响是钛金属间化合物层形成的主要驱动因素，”他说。
扩散键合过程可以以固态或固态形式发生或液相结合工艺。类似的纯材料键合在历史上一直是固态操作。这种方法从组装的角度简化了过程，因为在将炉料放入炉子之前可以轻松匹配接合面。定位销和点焊也可用于此过程。因为扩散中不存在液相粘合，表面发生轻微变形。这是由于在键合前施加压力使表面粗糙度变平并分解残留的表面氧化物。
设计异种金属接头的重要性通常在于希望将正确的金属表面暴露在特定的环境条件下，其中单一合金可能表现不佳。在液相扩散接合工艺中，中间层通常会在接合面熔化。在这种情况下，使用比固态扩散键合更低的压力，并且在表面发生的变形甚至更少。根据中间层材料组合的热循环和组成以及所选的中间层，中间层和两侧基材之间会发生相互扩散接头通过称为共晶或包晶相变的冶金过程。
最终金属间反应层的厚度首先来自液相扩散，其次来自固态扩散。键合强度是形成的金属间化合物、金属间化合物区的厚度以及界面处的异常（例如空隙）的函数。
探索扩散键合
有几种方法供制造商研究不同金属的扩散接合如何有益于他们的工艺。许多科学文献都可以根据应用轻松获得特定材料组合以及加工时间和温度。例如，Kavian O. Cooke 和 Anas M. Atieh 进行了详尽的评论，发表于 2020 年，标题为钛合金与不锈钢、铝和镁的不同扩散键合的当前趋势制造和材料杂志 P处理。
虽然对该主题进行了大量研究，但设计工程师仍然发现将信息转化为特定零件的实际制造具有挑战性。在这种情况下，与拥有广泛数据库的专家合作可能会有所帮助，这些数据库包含以前应用中的成功处理参数以及对工业规模设备的访问权限。
“在大多数情况下，我们开始与制造商介绍新设计，并就可能的材料、设计进行咨询，并根据需要进行预粘合运行，”Palamides 说。 PVA TePla 提供支持，包括特定的材料组合、处理时间和温度。
他指出，适当的设计将允许组件扩散接合，无论是紧密界面还是同时平面平行的多个界面。然而，不垂直于液压油缸压缩力的表面不会粘合 p妥善地。
Palamides 表示，制造商首先与他们的机械、热学和建模团队合作。设计完成后，下一步就是制作符合最终界面特性的试验样品。
“找到可以执行合同服务试运行的供应商。提出一个测试矩阵，以确保您的进度与项目目标保持一致，”Palamides 说。
扩散键合设备的进步
尽管扩散键合有很多好处，但它的使用受到以下因素的限制直到最近才考虑更多实际问题。具体而言，炉腔的尺寸限制以及施加在零件整个表面区域上的压力的大小和均匀性受到限制。运行时间也很长，通常会持续一整天。
高真空热压机的进步现在允许卓越的压力控制和快速冷却系统来改善粘合、提高产量并显着缩短周期时间。
例如，在施加压力的情况下，集成单缸液压机可以施加一致的、可测量的力。但是，这对具有更复杂几何形状的大型零件几乎没有控制。为了改善力分布，厚石墨压板（高度 10”-15”）以更一致的压力将金属层接合在一起。不幸的是，这占用了炉子空间，同时增加了加热金属表面的时间。
如今，PVA TePla 等制造商提供的多缸系统带有可容纳各种零件的大型压板。最大的是该公司的 MOV 853 HP，可以处理大至 900 毫米（35.43 英寸）x 1250 毫米（49.21 英寸）的基板，这对于扩散键合来说是相当大的。压力为 4,000 kN。
虽然人们对扩散键合越来越感兴趣，所有应用都需要深入研究以优化连接过程。通过独立控制每个气缸，集成压力机可在整个表面上提供非常一致的压力。 MOV 还在压板底部配备了内置压力传感器。可以在软件中调整各个液压缸，以根据传感器反馈即使在大面积上也能实现均匀性。
PVA TePla 优化了一种物理墨水测试方法，可识别基材上施加不均匀压力的区域.
“今天的设备在粘合过程中提供了材料特性的详细测量，”Palamides 说。 “这种有价值的反馈可以显示材料是如何压缩的，如果它正在压碎，以及是否正在形成瞬态液体层——以及该过程的其他 KPI。”
验证键合界面的完整性
为确保界面质量，Palamides 建议通过无损检测技术分析样品，例如扫描声学显微镜 (SAM)。或者使用扫描电子显微镜/能量色散 X 射线光谱 (SEM-EDS) 进行更昂贵的分析。随后，可以对试验样品进行破坏性分析，并将其制成标准机械测试样本，以收集可重复的数据。
虽然人们对扩散键合的兴趣越来越大，但所有应用都需要深入研究以优化连接工艺。只有少数全球公司可以在整个过程中与制造商合作，并有能力就商业系统采用提供建议。从一开始，与扩散键合专家合作将使制造商在零件设计方面具有竞争优势n 通过提高产量。
有关更多信息，请致电 951-371-2500 或 800-527-5667 联系 PVA TePla America 或访问。
