拡散接合

拡散接合または拡散溶接は、金属加工で使用される固体溶接技術であり、同種および異種の金属を接合できます。拡散接合は固体拡散の原理に基づいており、2 つの固体金属表面の原子が時間の経過とともに相互に分散します。これは通常、材料の絶対融点の約 50 ～ 75% の高温で行われます。^{[1] [2]} 弱い接合は室温でも実現できます。^[3]拡散接合は通常、溶接する材料に高圧と高温を併用して実施されます。この技術は、薄い金属箔と金属ワイヤまたはフィラメントの交互の層の「サンドイッチ」を溶接するために最も一般的に使用されます。^[4]現在、拡散接合法は、航空宇宙産業^{[1]および原子力産業における高強度}金属および耐火金属の接合に広く使用されています。^{[引用が必要]}

拡散溶接の行為は何世紀も前から行われています。これは、ジュエリーやその他の用途で金と銅を結合するために使用される技術である「金張り」の形で見ることができます。金張りを作るために、鍛冶屋はまず、一定量の純金を金箔の薄いシートに打ち出します。次に、このフィルムを銅基板の上に置いて重しをします。最後に、「熱間圧接」または HPW と呼ばれるプロセスを使用して、重し/銅/金フィルムのアセンブリをオーブン内に配置し、金フィルムが銅基板に十分に結合されるまで加熱します。^[5]

現代的な方法は1953年にソビエトの科学者NFカザコフによって説明されました。^[6]

拡散接合では液体の溶融は行われず、多くの場合、フィラー金属も使用されません。総重量は増加せず、接合部は母材の強度と耐熱性の両方を示す傾向があります。材料は塑性変形をまったく受けないか、受けてもごくわずかです。残留応力はほとんど発生せず、接合プロセスによる汚染もありません。理論的には、処理時間の増加なしに接合面のサイズに関係なく行うことができますが、実際には、必要な圧力と物理的制限によって接合面が制限される傾向があります。拡散接合は、同種および異種の金属、反応性金属および耐火性金属、またはさまざまな厚さのピースで行うことができます。

拡散接合は比較的コストが高いため、他の方法では溶接が困難または不可能な作業に最もよく使用されます。例としては、ジルコニウムやベリリウムなど通常液体溶融では接合できない溶接材料、タングステンなどの融点が非常に高い材料、高温でも強度を維持する必要がある異なる金属の交互層、非常に薄いハニカム状の金属箔構造などがあります。^{[7] [8] [9]}チタン合金は、薄い酸化物層が850℃を超える温度で溶解して接合面から拡散するため、拡散接合されることがよくあります。

定常拡散は、接合面の断面積を通過する 拡散流束の量によって決まります。フィックの拡散の第一法則は、次の通りです。

${\displaystyle J=-D(dC/dx),}$

ここで、Jは拡散フラックス、Dは拡散係数、dC / dx は対象物質を通る濃度勾配です。負の符号は勾配の積です。フィックの法則の別の形式は次のとおりです。

${\displaystyle J=M/(At),}$

ここで、Mは拡散する原子の質量または量、Aは断面積、t は必要な時間です。2 つの式を等しくして整理すると、次の結果が得られます。

${\displaystyle t=-(1/D)(M/A)(dC/dx)^{-1}.}$

特定のジョイントの質量と面積は一定であるため、必要な時間は、ジョイントを通じて増分量のみで変化する濃度勾配と拡散係数に大きく依存します。拡散係数は次の式で決定されます。

${\displaystyle D=D_{0}e^{-Q_{\text{d}}/RT},}$

ここで、Q _dは拡散の活性化エネルギー、Rは普遍気体定数、T はプロセス中に経験される熱力学的温度、D ₀は接合される材料に依存する温度に依存しない指数関数係数です。特定の接合部の場合、この式で制御できる唯一の項は温度です。^[10]

類似の結晶構造を持つ 2 つの材料を接合する場合、拡散接合は、溶接する 2 つの部品の表面を互いに接触させてクランプすることで行われます。溶接前に、これらの表面は経済的に可能な限り滑らかな仕上げになるように機械加工し、化学汚染物質やその他の残骸ができる限り付着しないようにする必要があります。2 つの金属表面の間に介在する物質があると、材料の適切な拡散が妨げられる可能性があります。溶接機をワークピースに取り付けるために、各溶接アプリケーションごとに専用のツールが作られています。 ^[11]クランプすると、通常何時間も圧力と熱がコンポーネントに適用されます。表面は炉内または電気抵抗によって加熱されます。圧力は、温度で油圧プレスを使用して適用できます。この方法を使用すると、部品にかかる負荷を正確に測定できます。部品に温度勾配があってはならない場合には、熱膨張差を使用して負荷を適用できます。低膨張金属 (モリブデンなど) を使用して部品を固定すると、部品は温度で固定金属よりも膨張して、独自の負荷を供給します。圧力を加えるための代替方法としては、デッドウェイトの使用、2つの表面間のガス差圧、高圧オートクレーブなどがあります。銅などの強い酸化物層を持つ金属を使用する場合は、拡散接合は真空または不活性ガス環境で行う必要があります。研磨、エッチング、洗浄などの表面処理、拡散圧力、温度は、拡散接合のプロセスに関する重要な要素です。^{[7] [8] [9]}

顕微鏡レベルでは、拡散接合は3つの単純化された段階で起こる：^[12]

• マイクロアスペリティ変形 - 表面が完全に接触する前に、 2 つの表面のアスペリティ(非常に小さな表面欠陥) が接触して塑性変形します。これらのアスペリティが変形すると、相互にリンクして、2 つの表面の間にインターフェイスが形成されます。
• 拡散制御物質輸送 - 温度と圧力の上昇により材料のクリープが加速され、粒界と原材料が移動し、2 つの表面間の隙間が孤立した細孔に減少します。
• 界面の移動 - 物質が隣接する表面の境界を越えて拡散し始め、この物質の境界が混ざり合って結合が形成されます。

• 接合面は、ベース材料と同じ物理的および機械的特性を持ちます。接合が完了すると、接合部は引張試験などを使用して試験されます。
• 拡散接合法では、界面に不連続性や多孔性が存在しない高品質の接合部を生成できます。^[13]言い換えれば、材料を研磨、製造、加熱することができます。
• 拡散接合は複雑な形状の高精度部品の製造が可能で、拡散は柔軟性に優れています。
• 拡散接合法は、同種・異種材料の接合に幅広く利用されており、複合材料の加工にも重要です。
• このプロセスはそれほど難しくなく、拡散接合を実行するためのコストも高くありません。^[14]
• 拡散中の材料は塑性変形を低減することができます。

拡散接合は、主にエレクトロニクス、航空宇宙、原子力、マイクロ流体産業向けの複雑な形状を作成するために使用されます。この接合方法は、爆発溶接などの他の接合技術と比較してかなりの時間がかかることから、部品は少量で製造され、製造の大部分が自動化されることがよくあります。ただし、要件が異なるため、必要な時間を短縮できる可能性があります。ファスナーの数、人件費、部品数を削減するために、拡散接合は、超塑性成形と組み合わせて、複雑な板金形状を作成するときにも使用されます。複数のシートが互いに積み重ねられ、特定のセクションで接着されます。次に、スタックが金型に配置され、ガス圧によってシートが膨張して金型が満たされます。これは、航空宇宙産業で必要な部品にチタン合金またはアルミニウム合金を使用して行われることがよくあります。^[15]

溶接される一般的な材料には、チタン、ベリリウム、ジルコニウムなどがあります。多くの軍用機では、拡散接合により高価な戦略資材の節約と製造コストの削減が可能になります。機体、機外および機内アクチュエーターの取り付け部品、着陸装置のトラニオン、ナセルフレームなど、100 を超える拡散接合部品を持つ航空機もあります。

• Kalpakjian、Serope、Schmid、Steven R.「製造エンジニアリングとテクノロジー、第 5 版」、771-772 ページ

• 「鋳造非鉄金属：固体溶接」、Key to Metals にて
• 英国材料教育センターのアミール・シルザディによる拡散接合に関する優れた議論