ДИФФУЗИОННОЕ СОЕДИНЕНИЕ БИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕПЛООБМЕННЫХ СИСТЕМ

Краткое содержание

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані мета і наукові завдання дослідження, розкрито наукову новизну та практичне значення роботи.

У першому розділі проведено аналіз публікацій стосовно можливостей з’єднання сталі з алюмінієм у твердій фазі (без оплавлення деталей) при температурах до 250^оС. Відомо, що для такої пари металів використовують проміжні прошарки з алюмінію, титану чи міді. Прошарки розміщують у зазорі у послідовності, що забезпечує, як з’єднання при хімічної взаємодії поверхонь, так і компенсацію різниці в теплофізичних характеристиках матеріалів. Способи нагрівання для ініціації дифузійних процесів з’єднання у твердій фазі використовують, виходячи з типу конструкції та експлуатаційних вимог. Також, розглянуто способи та прийоми зварювання різнорідних матеріалів у мікроелектроніці, які дозволяють монтувати мікросхеми.

Основним способом з'єднання металів без оплавлення деталей є дифузійне зварювання. Спосіб застосовують для з'єднання різнорідних матеріалів, які важко з'єднати іншими способами зварювання. Деталі розміщають у вакуумну камеру та заповнюють інертним або відновлювальним газом. Далі, поверхні, що зварюються, нагрівають струмом високої частоти до необхідної температури та стискають. При нагріванні видаляються поверхневі забруднення та оксидні плівки. Безперервний тиск зминає всі виступи та нерівності гарячого металу і забезпечує необхідне прилягання по всій поверхні. Процеси очищення, підгонки поверхонь і дифузії йдуть досить повільно, і потрібно чимало часу для завершення процесу зварювання. Нагрівання в печі блоку прискорює дифузію, але, інколи, знижує якість матеріалів, що з’єднуються.

Також відомий спосіб холодного зварювання зсувом. Деталі без нагрівання стискають і зсувають в площинні розділу, з одночасним прикладенням нормальних і тангенціальних навантажень.  В результаті зсуву на площинах руйнуються плівки оксидів, утворюються чисті площини та відбувається з'єднання металу.  До недоліків цього твердо-фазного способу з’єднання металів слід віднести необхідність фрезерування невеликої конусності поверхонь, що не дає суцільність прилягання та малу міцність "проти зсуву".

Відомий спосіб з'єднання різнорідних матеріалів при температурах 30-140°C із застосуванням металевих клеїв на основі галію. Температурний інтервал рідкого стану галію від 30°C до 2230°C - основа одного з головних технічних застосувань. Галій добре змочує поверхню металів та розчиняє оксидні плівки. Зазвичай використовується евтектична суміш галію з порошком тугоплавкого металу (мідь, нікель, скандій). Склеювання різко зростає з підвищенням температури, а при зниженні температури «клей» твердіє із збільшенням об’єму. Останнє дозволяє склеювати поверхні, що сполучаються, навіть якщо вони не повністю змочуються клеєм.  Проблематично те, що при повторному нагріванні вже сформованого з'єднання до температури плавлення легкоплавкого компонента, клей може знову стати пастоподібним і деталі роз’єднаються. Деякі клейові з'єднання працездатні вище 800°C.  Металеві клеї надають шву тепло-і електропровідність, високу жорсткість та міцність на відрив 26-30 МПа.

Близькою до попереднього способу з'єднання різнорідних металів є пайка дифузійно-твердіючими припоями. При виготовленні різних приладів широко застосовуються галієві припої з температурами пайки значно нижчими, ніж робочі температури приладу. На поверхні наносять припій, отриманий змішуванням галію з порошками тугоплавких металів при нагріванні до температури пайки та розміщують у вакуумній печі в інертному газі. Розігрів всього блоку призводить до підвищення швидкості реактивної дифузії галію в матеріали, що може спричинити розтріскування.

Ще одним відомим способом з'єднання металів у твердій фазі є контактне зварювання опором, при якому деталі спочатку стискають зусиллям, що забезпечує утворення фізичного контакту поверхонь, що зварюються, а потім пропускають струм. Після розігріву місця зварювання відбувається осадження та формується з'єднання в твердій фазі. Недоліком є несуцільне прилягання поверхонь, що з’єднуються.

Мікрозварювання при мікроплазменому напиленні також є способом з'єднання різнорідних металів у твердій фазі. Кріплення частинок металу на поверхні іншого відбувається в результаті високошвидкісного удару з утворенням металевого зв'язку без плавлення. Невеликий термічний вплив на напилену основу (80-150^оС) дозволяє виключити небажані структурні перетворення та окрихчення матеріалів-основи.

Найбільш близьким, щодо цілі роботи, за технічною суттю є комбінований спосіб з'єднання - пайка у твердій фазі з додаванням тиску. Процес з'єднання зумовлено дією трьох основних параметрів: температури, тиску і часу витримки. До недоліків такого способу з'єднання різнорідних матеріалів відноситься утворення проміжних евтектичних та інтерметалідних структурних складових, що погіршують властивості матеріалів в зоні зварювання. Для усунення подібних небажаних явищ застосовують проміжні матеріали-активатори та матеріали-демпфери. Матеріали-демпфери знижують напруження, що виникають при твердофазній пайці матеріалів з різними коефіцієнтами термічного розширення. Матеріали-активатори  призначені для видалення окислів із зони контакту і активації масообміну дифузійно-інертних матеріалів.