Difüzyon kaynağı (Diffusion welding); birleştirmek üzere eşleşmiş iki yüzeyin, malzemelerin ergime noktaları altındaki bir sıcaklıkta, malzemelerde

Transkript

1 DİFÜZYON KAYNAĞI

2 Difüzyon kaynağı (Diffusion welding); birleştirmek üzere eşleşmiş iki yüzeyin, malzemelerin ergime noktaları altındaki bir sıcaklıkta, malzemelerde tespit edilebilir plastik akmaya sebep olmayan bir basınçta, katı hal difüzyonu yoluyla malzemeler arasında metalürjik bir bağ oluşuncaya kadar, malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde etkilemeyecek bir süre tutulmasıyla uygulanan bir katı hal kaynak yöntemidir. Difüzyon kaynağını açıklayabilmek için öncelikle difüzyonun (yayınım) nasıl meydana geldiğinin açıklanması gerekmektedir.

3

4 Malzeme içerisindeki atomların, bulundukları konumdan başka bir konuma enerji verilerek geçirilmesi olayına atomsal yayınma veya difüzyon denir. Ayrıca, difüzyon, atomların sıcaklığa bağlı olarak hareket etmesi veya atom transferi yoluyla malzeme içinde kütle taşınması olarak tanımlanabilir. Difüzyonun hızlı olduğu şartlar; düşük atom yoğunluklu malzemeler, düşük ergime dereceli malzemeler, ikincil bağ yoğun malzemeler (Van der Waals), difüze olan atomların boyutunun küçük olması ve düşük yoğunluklu malzemelerdir.

5 Difüzyon mekanizmalar ve bu mekanizmaların özellikleri.

6 Difüzyon olayında; değişik miktarlarda atom, molekül, atom grupları veya elektronlar gibi elemanların göç ettirilmesi mümkün olmaktadır. Ancak farklı yer değiştirme hızları reaksiyon merkezinin çevresinde, belirli bölgelerde hacimsel değişimlere neden olabilmektedir. Difüzyon mekanizmalarının şematik gösterirni.

7 Günümüz endüstrisinde kullanılan malzeme çeşitlerinin artması, farklı özellikler gerektiren yerlerde farklı metal bağlantılarının gerekliliği ve özellikle son yıllarda ekonomik faktörlerin giderek önem kazanması farklı özelliklere sahip malzemelerin birbirleriyle birleştirilmesi zorunluluğunu doğurmaktadır. Daha çok uzay ve uçak sanayinde kullanılan gelişmiş malzemelerin birleştirilmeleri katı hal kaynak teknikleri olarak bilinen ve de difüzyon kaynağını da kapsayan yöntemlerle mümkündür. Bugün farklı metallerin birleştirilmesinde % 40 bu yöntem kullanılırken, bu yöntemle birleştirilmiş malzemelerin yaklaşık % 20'sini de titanyum vealaşımları oluşturmaktadır.

8 Difüzyon kaynağı benzer olmayan metal ve alaşımlarında, kaynak sonrası birleşme bölgesinde kırılgan metaller arası faz oluşumu nedeniyle malzemelerin dayanımlarının azalması durumunda tercih edilmektedir. Düşük sıcaklıklarda uygulanabilmesi, farklı malzemeleri birleştirebilmesi ve sağladığı diğer üstünlüklerle, alışılmış kaynak yöntemleri ile elde edilemeyecek, kıyas kabul etmeyecek üstünlükler gösteren difüzyon kaynak yöntemi, gün geçtikçe geliştirilmekte ve gelecekte çok daha geniş uygulama alanı bulacak bir birleştirme yöntemidir.

9 Difüzyon kaynak çeşitleri : Genel olarak malzemelerin difüzyon kaynak yöntemi ile birleştirilmesinde iki tür teknik mevcuttıır. Bunlar; katı faz difüzyon kaynak yöntemi ve sıvı faz difüzyon kaynak yöntemleridir. Katı faz difüzyon kaynak yöntemi: Katı faz difüzyon kaynak yöntemi, koruyucu atmosfer veya vakum ortamında indüksiyon ve rezistans gibi ısıtma ile birleştirme işlemidir. Bu yöntemde kaynak yapılan malzemeler ergimezler ve uygulanan yük düşüktür. Yöntem genellikle ergime sıcaklıkları birbirlerine yakın ve difüzyon için gerekli olan şartları sağlayan malzemelerin birleştirilmesinde kullanılır. Bu yöntemde birleştirilecek yüzeylerin hazırlığı çok önemlidir. Çünkü yüzeyi iyi hazırlanan malzemelerde, düşük basınç ile plastik deformasyon daha kolay sağlanabilmekte ve işlem süresi azaltılabilmektedir.

10 Sıvı faz difüzyon kaynak yöntemi: Bu yöntem sadece farklı malzeme kombinasyonlarına veya farklı malzemelerin kullanıldığı yerlerde uygulanır. Sıvı faz difüzyon işleminin kaynak sıcaklığı ve birleşme ara yüzey kompozisyonu dikkate alınır. Kaynak sıcaklığı ara tabakanın ergime sıcaklık değeri dikkate alınarak seçilir. Birleşme, her iki ana malzemenin ergime sıcaklığından daha düşük ergime sıcaklığına sahip olan, ince ve ara yüzeye dağılmış sıvı tabaka ile sağlanır. Eriyiğin düşük sıcaklıklarda katılaşması, birleşme sıcaklığını ve kaynak süresini düşürmektedir. Bu teknik, özellikle Al ve alaşımlarının birleşmesi için yüzey oksitlerinin kırılmasında, ayrıca bakır, gümüş ve çinkonun difüzyon kaynağında kullanılır.

11 Difüzyon kaynağının uygulanmasında, özellikle farklı metal ve alaşımlarının birleştirilmesinde genellikle bir ara tabaka kullanılır. Metal folyo veya kaplama şeklindeki ara tabakalar kullanarak kaynak için gerekli olan sıcaklık, basınç ve zaman değerlerini azaltmak mümkün olmaktadır. Ara tabakalar kaynak alanındaki heterojenliği minimuma indirir ve birleştirmenin oluşumunu kolaylaştırır. Ara tabakalar folyo şeklinde, elektrolitik kaplama ve püskürtme tarzında olabilir.

12 Ara tabakanın görevleri şu şekilde sıralanabilir; Fiziksel özellikleri, örneğin ısıl genleşme oranlan farklı olan parçaları dengeler, Kırılgan, sert metaller arası faz oluşumunu engeller, Plastik deformasyonla yüzey yakınlaşmasını iyileştirir, Birleştirilecek parçaların hazırlama aşamalarını azaltır, Çalışma sıcaklığını ve süresini düşürürler.

13 Bilindiği gibi, kristal yapılı malzemelerde atomlar arası çekimden dolayı kohezyon kuvvetleri meydana gelir (Aynı cins moleküller arasındaki çekim kuvvetine Kohezyon denir). Normal olarak atomların denge şartı, üzerlerine tesir eden kuvvetin sıfır olduğu durumdur. Ancak katı malzeme, dış kuvvetlerin tesiri ile gerildiği zaman atomlar denge durumlarını terk ederek kristal içinde dış kuvvet tarafından dengelenen bir gerilme meydana getirirler. Atomlar arasındaki çekim kuvveti, birbirlerinden uzaklaşma dereceleri ile orantılı olarak artar, bir maksimumdan geçtikten sonra tekrar azalır.

14 Farklı iki katı malzemenin yüzeyleri arasındaki çekim ise adhezyon olarak tanımlanır. (Örnek; yağmur damlalarının cama yapışması). Aynı cins katı yüzeyleri arasında kohezyon kuvvetlerinden dolayı kohezyon oluşurken, farklı katı yüzeyleri arasında da adhezyon kuvvetlerinden dolayı adhezyon işi yapılmış olur. Gerek kohezyon ve gerekse adhezyon olayı, yüzeyin serbest enerjisinin bir fonksiyonudur. Ayrıca iki gevrek malzeme ya da bir gevrek bir sünek malzemeden oluşan bir bağlantı için (metal-seramik) adhezyon olayı, bağlantı mukavemetinin bir ölçüsüdür.

15 Malzeme yüzeyleri arasında birleşmenin sağlanması, yani adhezyon ve kohezyon kuvvetlerinin teşekkülü için, malzeme yüzeylerinin atomlar arası bağın oluşabileceği yakınlıkta temasını sağlamak gerekir. İki malzemenin difüzyonla birleştirilmesinde, birleşmenin davranışını önemli derecede etkileyen diğer bir kuvvet ise malzemelerin kimyasal yapısına bağlı olarak moleküller arası da etki eden Van Der Walls kuvvetleridir. Bu kuvvetler, gres, su buharı, yağ gibi metal yüzeyindeki moleküllerin adsorbsiyonunun baş sebebidir. Diğer yandan metalik malzemelerin yüzeyleri temas ettirildiğinde Van der Walls kuvvetleri birleşmeyi sağlayan önemli unsurlardan birisidir.

16 Difüzyon kaynağı mekanizması. Difüzyon kaynağı mekanizması ile ilgili günümüze kadar birbirinden farklı birçok model sunulmuştur. Çünkü sınırlı bir süre için basınç ve ısının birlikte uygulanmasıyla bağ oluşturma mekanizmaları oldukça karmaşıktır. Derby ve Wallach difüzyon kaynağını, basınç altında sinterlemeye benzer bir işlem olarak incelemişler ve aşağıdaki mekanizmaları ileri sürmüşlerdir; Yüzeyden kaynaklanan mekanizmalar: Bunlar arakesitteki boşluk yüzeyinden, boşluk uzunluğu boyunca yüzey difüzyonu ve hacim difüzyonudur. Burada önemli faktör, ara yüzey boşluğunun yüzey pürüzlülük oranıdır. Arakesitteki yüzeylerden kaynaklanan mekanizmalar: Birleşme hattı boyunca kimyasal konsantrasyon farkının etkin olduğu tane sınırı difüzyonu ve hacim difüzyonu oluşmasıdır. Plastik şekil değişiminden kaynaklanan mekanizmalar: Uygulanan basınçtan kaynaklanan akma ve sürünmenin yol açtığı plastik deformasyondan ileri gelen difüzyondur. Sıvı faz kütle transferi: Gibbs- Thomson etkisi, yani yüzey pürüzlülüğü nedeniyle bölgesel farklardan doğan basınç farkından ileri gelen difüzyondur.

17

18

19 difüzyon kaynağı mekanizmasını aşağıdaki şekilde genelleştirmek mümkündür. Yük altında plastik deformasyon, Sürünme deformasyonu, Difüzyon, Yeniden kristalleşme ve tane sınır göçü. Difüzyon kaynağı mekanizmaları.

20 Çok kristalli malzemelerde difüzyon; kaynatılacak malzemelerin temas noktalarındaki oksitlerin parçalanmasıyla birlikte öncelikle malzeme yüzeylerinde başlayarak devam eder. Schwartz a göre üç aşamalı difüzyon kaynak mekanizması: birinci aşama; yüzeydeki pürüzlülüklerde akma ve sürünme mekanizmaları ile ara yüzeyde büyük bir alanda temas sağlanır ve birleşme genelde tane sınırlarında oluşur. Basıncın etkisi ile yüzeydeki oksit filmi kırılarak oksitlerin kırılmış olan noktalarından atom akışı başlar. (Şekil b).

21 ikinci aşama; difüzyonun etkisi deformasyondan daha önemlidir. Gözenekler bu aşamada tane sınırı difüzyonu neticesinde kaybolur ve bir kısmı da tane içinde oluşur. Bunların tane sınırlarını hareketsiz hale getirme etkisi azdır. Başlangıçta düz olan birleşme çizgisi üçlü noktalarda bir malzemenin diğerine birkaç mikron kadar nüfuz etmesi ile eğrilir. Birleşme sınırı hareket ederken geride kalan gözenekler tanelerin içerisinde kalır ve burada tane sınırı ile temaslarını kaybederler. Difüzyonel işlemler bu gibi boşlukları küçülterek ortadan kaldırmaya yardımcı olur (Şekil c).

22 üçüncü aşaması; birleşmenin tamamlandığı birleştirilecek malzemeler arasındaki atomik bağın tamamlandığı aşamadır. İkinci aşama sonunda tane sınırlarından yok edilemeyip tane içine taşınan gözenekler bu aşamada hacim difüzyonu ile büyük oranda yok edilir. Yok edilemeyen gözenek miktarının oranı kaynak sıcaklığı ile ilişkilidir (Şekil d)

23

24

25 Difüzyon kaynak parametreleri. Difüzyon kaynak yönteminin temel parametreleri sıcaklık, süre ve basınçtır. Ancak birleştirilecek parçaların yüzey şartları, kaynak atmosferi ve de birleştirilecek malzemelerin tane boyutları ve mikro yapıları birleştirme kalitesine etki eden önemli faktörlerdir.

26 Sıcaklık; deformasyona, oksit çözünürlüğüne, allotropik dönüşüme, yeniden kristalleşmeye, difüzyona ve işlemin kısa sürede oluşmasına etkili olduğundan en önemli parametredir. Yöntemde sıcaklık genellikle indüksiyon, direnç veya yüksek frekans teknikleriyle sağlanır. Difüzyon sıcaklığı genellikle solidüs çizgisinin altında veya yeniden kristalleşme sıcaklığının üstündedir. Aynı cins metallerin birleştirilmesinde işlem sıcaklığı metalin ergime sıcaklığının katı olarak alınır. Farklı metallerin birleştirilmesinde bu sıcaklığın bir miktar daha üzerine çıkılabilir. Ayrıca yöntemde sıcaklık kadar, kaynak esnasındaki ısıtma ve soğutma hızları da önemlidir. Literatürde, her 20 C'lik sıcaklık artışında, difüzyon katsayısı veya difüzyon hızının ikiye katlandığı belirtilmiştir. Kaynak esnasında gereğinden yüksek sıcaklıklar, tane irileşmesine ve dayanımın düşmesine neden olur.

27 Basınç; parçalar arasında sıkı teması sağlamak için gereklidir. Basınç değeri uygulanacak kaynak sıcaklığında, birleştirilecek malzemelerin mekanik özelliklerine ve gerekli olan biçimlendirme derecesine bağlıdır. Uygulamalarda genellikle basınç üst sınırı olarak malzemenin kaynak sıcaklığındaki akma dayanımı alınmaktadır. Sonuç olarak basınç; yüzey pürüzlerinin sürünme hızı ve plastik deformasyonunu arttıracak kadar büyük, parçaların makroskobik deformasyonuna yol açmayacak kadar küçük olmalıdır. Kaynak esnasında basınç, hidrolik, pnömatik veya mekanik olarak uygulanır.

28 Süre; bağımlı bir işlem parametresi olup, sıcaklık, basınç ve birleştirme türü ile ilişkilidir. Her malzeme ya da malzeme çifti için gerekli süre birkaç dakikadan, birkaç saate kadar değişebilir. Kaynak süresinin uzun olması kaynak maliyeti açısından bir dezavantaj oluştururken, boşlukların oluşumunu, bileşimin değişimini ve kırılgan inter metalik bileşiklerin oluşumunu teşvik etmesi gibi bağlantının mekanik özelliklerini bozan olumsuzluklara da neden olur. Sonuç olarak; kaynak işlemi için yeterli süre, yüzeylerde karşılıklı temas sağlanarak, atomların hareketine yetecek ve bu aşamada tutularak birleşmenin sağlanabildiği zaman dilimidir.

29 Yüzey şartları; Difüzyon kaynağının kalitesine tesir eden yüzey şartları, yüzey pürüzlüğü, yüzey filmleri ve yüzey aralıklarıdır. Pürüzlükler, yüzeyler arasında tam temasa ulaşmak için gereken süreyi etkiler. Pratikte, bir metal, yükseklik ve dalga boyu küçük olan yüzey pürüzlüğüne sahiptir. Difüzyon kaynağında, özellikle, uzun dalga boyuna sahip pürüzler önemlidir. Çünkü bu durumda boşlukların yok edilmesi için, hem çok yönlü basınç uygulanması hem de uzun zamana gerek olacaktır. Difüzyon kaynağında yüzey pürüzleri, kalıntı gözeneklerin başlıca sorumlusudur. Bunun yanında oksit tabakaları, birleşecek yüzeylerin temasını önleyip, bağ teşekkülünü geciktirir ve arakesitte tane sınırı difüzyonunu engelleyerek boşluk kalmasına sebep olur. Yağ, gres, toz gibi aralıklarda oksit filmleriyle aynı etkiye sahiptir. Oksit filmlerinin kaldırılması için, kimyasal dağlama ve asitle temizleme yöntemleri kullanılır.

30 Kaynak ortamı; Difüzyon kaynağında parça yüzeylerini ve ara kesitte oluşacak oksidasyonu önlemek için koruyucu bir atmosfer altında kaynak işlemini gerçekleştirmek gerekir. Bu amaçla ya vakum altında ya da bir soy gaz atmosferinde kaynak işlemi gerçekleştirilir. Soy gaz olarak argon veya helyum gazlan kullanılabilir. Soy gazlar atmosferdeki oksijenin tesirini belirli bir dereceye kadar azalttığından, kararlı oksitlere sahip metallerde vakum kullanılmaktadır.

31 Birleştirilecek malzemelerin tane boyutları ve mikro yapıları; Difüzyon kaynağına tesir eden birçok yapı vardır. Bunlar, mikro yapı, tane boyutu ve ilave metal (ara tabaka) kullanılması şeklinde sınıflandırılabilir. Difüzyon kaynağı için en ideal yapının ince tane yapılı olduğu tespit edilmiştir. Bu yapı süper plastik alaşımlarında mevcuttur. Tane boyutunun hem kaynak esnasında, hem de kaynak sonrasında bağlantının mukavemeti açısından büyük önemi vardır. Kaynağın ilk safhalarında boşluklar daha çok tane sınırıyla kesişir. Dolayısıyla boşluğu önlemek için birden çok tane sınırı etki eder. Atomlar bu tane sınırlarından boşluğa difüze olarak onu küçültürler. Tane boyutu küçülüp, tane sayısı artıkça, boşlukların difüzyonla doldurulması kolaylaşmakta ve arakesitte kalması ihtimali azalmaktadır.

32 Difüzyon kaynak yöntemi ile birleştirilebilen malzemeler: Birbirinin aynı ya da farklı birçok malzeme difüzyon kaynak yöntemiyle birleştirilebilmektedir. Bu yöntem en çok titanyum ve alaşımları, zirkonyum ve alaşımları ve nikel esaslı alaşımlarda uygulanmaktadır. C, bor, Ab03, SiC gibi malzemelerin takviye olarak kullanıldığı metal matrisli kompozit malzemelerin birleştirilmesinde de kullanışlı bir yöntem olduğu kabul edilmektedir. Benzer olmayan metal ve alaşımların da, kaynak sonrası birleşme bölgesinde kırılgan inter metalik faz oluşuyor ya da yeniden ergime ile malzeme gevrekleşiyor veya mukavemeti azalıyorsa difüzyon kaynak yöntemi tercih edilmektedir.

33

34 Difüzyon kaynağının genel özellikleri: Sabit halde atom difüzyon yolu ile metalürjik bağlantının oluştuğu difüzyon kaynağı, sıcak pres kaynağının bir şeklidir. Difüzyon kaynağında soğuk pres kaynağının aksine, rekristalizasyon sıcaklığının üstündeki sıcaklıklarda, daha az basınç kuvveti ve şekil değişimi ile çalışılır. Difüzyon kaynağı aynı veya farklı, çoğunlukla metalik malzemelerin birleştirilmesinde kullanılır. Bu yöntem, uçak ve sanayi ile nükleer sanayi ile nükleer teknoloji için geliştirilmiştir. Çünkü bu alanda, örneğin kesitlerin ulaşılabilir yerlerde olmaması veya malzemelerin farklı olması gibi nedenlerle alışa geimiş kaynak yöntemlerinin kullanılması mümkün değildir. Aynı malzemelerin difüzyon kaynağında, esas malzemenin dayanım değerlerine yaklaşık olarak ulaşmak mümkündür. Birbiriyle kırılgan metaller arası faz oluşturan malzemeler, ergime sıcaklıkları ve elastiklik sınırları çok farklı malzemeler, metal ve metal olmayan malzemelerde bu yöntemle birleştirilebilir. Özellikleri birbirlerinden çok farklı malzemelerin birleştirilmesinde, kolay kırılabilir gevrek bir inter metalik oluşmaması için kaplama veya folyo halinde ara tabaka kullanılabilir. Bu durumda kullanılacak olan ara tabaka malzemesinin, birleştirilecek olan her iki malzeme ile uyuşabilir olması gerekmektedir.

35 Difüzyon kaynağının diğer kaynak yöntemleriyle karşılaştırılması (avantajları): Ergitme kaynağında görülen deformasyonlar, ön ve son tavlama ihtiyaçları, bu teknikte görülmez. Metalürjik açıdan uyumsuz, birbirinden tamamen farklı iki metal ya da bir metalle, metal olmayan bir malzeme bu yöntemle kolaylıkla birleştirilebilir. Birleşme süresi, bağlantı alanından bağımsızdır. Dolayısıyla bir defada geniş alanlı ya da karmaşık şekilli bağlantılar birleştirilebilmektedir. Birleşmede ana malzemelerde istenmeyen metalürjik yapılar oluşmaz. Seramik ve kompozitlerin, metal ve diğer malzemelerle birleştirilmesinde, günümüzde en verimli ve etkili yöntem difüzyon kaynağıdır. İşlem için kalifiye elemana ihtiyaç yoktur.

36 Difüzyon kaynağı, diğer katı hal kaynak teknikleriyle karşılaştırıldığında ise başlıca şu avantajlara sahiptir: Difüzyon kaynağı, esas itibariyle difüzyon kontrollü bir tekniktir. Seramiklerin kaynak tekniğini belirleyen en önemli faktör bu malzemelerin gevrekliğidir. Bu ise kaynakta deformasyon kullanımının mümkün olmadığı anlamına gelir. Seramiklerin kaynağında difüzyon kaynağı mümkün olan tek metottur. Bu avantajlarının yanında, difüzyon kaynak yönteminin bazı dezavantajları da bulunmaktadır: Yüksek donanım maliyeti, Özel ortam ve aparat gerektirmesi, Koruyucu gaz atmosferi veya vakum ortamı gerektirmesi, Çok temiz ve hassas yüzey hazırlama ihtiyacı, Kaynak ara yüzeyinde metaller arası bileşiklerle, azda olsa, ara fazların oluşma ihtimali, Kaynak işlemi için bazen çok uzun sürelere ihtiyaç olması.

37

38