ריתוך בדיפוזיה

ריתוך בדיפוזיה היא טכניקת ריתוך במצב מוצק המשמשת לעיבוד מתכת ומסוגלת לחבר מתכות דומות ושונות. היא פועלת על עקרון הדיפוזיה במצב מוצק, שבו האטומים של שני משטחים מתכתיים מוצקים מתמזגים לאורך זמן. התהליך מתבצע בדרך כלל בטמפרטורה גבוהה, כ-50%-75% מטמפרטורת ההתכה המוחלטת של החומרים. קשר חלש יכול להתקבל גם בטמפרטורת החדר. ריתוך דיפוזיה מיושם בדרך כלל על ידי הפעלת לחץ גבוה, בשילוב עם טמפרטורה גבוהה בהכרח, על החומרים המיועדים לריתוך. הטכניקה נפוצה ביותר לריתוך "סנדוויצ'ים" של שכבות מתחלפות של נייר מתכת דק, וחוטי מתכת או סיבים. כיום, שיטת ריתוך בדיפוזיה נמצאת בשימוש נרחב בחיבור מתכות בעלות חוזק גבוה ועמידות בפני אש בתעשיות התעופה והחלל והגרעין.

היסטוריה
פעולת ריתוך בדיפוזיה היא בת מאות שנים. ניתן למצוא אותה בצורת "ריתוך זהב ממולא", טכניקה המשמשת לחיבור זהב ונחושת לשימוש בתכשיטים וביישומים אחרים. על מנת ליצור זהב ממולא, נפחים היו מתחילים על ידי דחיסה של כמות של זהב מוצק לתוך יריעה דקה של נייר זהב. לאחר מכן, יריעה זו הונחה על גבי מצע נחושת ושקע תחת משקלו. לבסוף, באמצעות תהליך הנקרא ריתוך בלחיצה חמה, מכלול המשקולת/נחושת/יריעת הזהב הונח בתוך תנור וחומם עד שיריעת הזהב התחברה כראוי למצע הנחושת.

בשנת 1953 תוארו שיטות מודרניות על ידי המדען הסובייטי נ.פ. קזקוב (N.F. Kazakov).

מאפיינים
ריתוך בדיפוזיה אינו כרוך בהיתוך נוזלי, ולעיתים קרובות גם ללא מתכת מילוי. בתהליך לא מתווסף משקל לסכום הכולל, והחיבור נוטה להציג את החוזק והעמידות בטמפרטורה של המתכות הבסיסיות. החומרים אינם סובלים, או מעט מאוד, ממעוות פלסטי . קיים מאמץ שיורי מועט מאוד, ואין זיהום מתהליך הריתוך. תאורטית ניתן לבצע זאת על משטח חיבור בכל גודל ללא תוספת בזמן העיבוד, אולם, מבחינה מעשית, המשטח נוטה להיות מוגבל על ידי הלחץ הנדרש ומגבלות פיזיות נוספות. ריתוך בדיפוזיה יכול להתבצע עם מתכות דומות ושונות, מתכות ריאקטיביות ועקשניות, או חלקים בעוביים משתנים.

בשל עלותו הגבוהה יחסית, ריתוך בדיפוזיה מבוצע לרוב בעבודות שקשה או בלתי אפשרי לרתך באמצעים אחרים. דוגמאות לכך כוללות חומרי ריתוך שבדרך כלל בלתי אפשרי לחיבור באמצעות היתוך נוזלי, כגון זירקוניום ובריליום. חומרים בעלי נקודות התכה גבוהות מאוד כגון טונגסטן. שכבות מתחלפות של מתכות שונות שחייבות לשמור על חוזק בטמפרטורות גבוהות. מבני רדיד מתכת דקים מאוד בצורת חלת דבש. סגסוגות טיטניום לרוב יעברו הדבקה באמצעות דיפוזיה, שכן שכבת התחמוצת הדקה יכולה להתמוסס ולהתרחק ממשטחי ההדבקה בטמפרטורות מעל 850 מעלות צלזיוס.

תלות בטמפרטורה
דיפוזיה במצב יציב נקבעת על ידי כמות שטף הדיפוזיה שעוברת דרך שטח החתך של המשטחים המחוברים. חוק הדיפוזיה הראשון של פיק קובע:

כאשר J הוא שטף הדיפוזיה, D הוא מקדם הדיפוזיה, ו-dC/dx הוא גרדיאנט הריכוז דרך החומרים המדוברים. הסימן השלילי הוא מכפלה של הגרדיאנט. צורה נוספת של חוק פיק קובעת:

כאשר M מוגדר כמסה או ככמות האטומים המפוזרים, A הוא שטח החתך, ו-t הוא הזמן הנדרש. השוואת שתי המשוואות וסידורן מחדש, משיגים את התוצאה הבאה:

מכיוון שמסה ושטח קבועים עבור חיבור נתון, הזמן הנדרש תלוי במידה רבה בגרדיאנט הריכוז, המשתנה רק בכמויות מצטברות דרך החיבור, ובמקדם הדיפוזיה. מקדם הדיפוזיה נקבע על ידי המשוואה:

כאשר Qd היא אנרגיית השפעול לדיפוזיה, R הוא קבוע הגזים האוניברסלי, T היא הטמפרטורה התרמודינמית  שחווים במהלך התהליך, ו-D0 הוא גורם פרה-אקספוננציאלי שאינו תלוי בטמפרטורה התלוי בחומרים המחוברים. עבור מפרק נתון, המונח היחיד במשוואה זו הנמצא תחת שליטה הוא טמפרטורה.

תהליך
ממוזער|שמאל|220px|אנימציה של תהליך ריתוך בדיפוזיה
בעת חיבור שני חומרים בעלי מבנה גבישי דומה, מתבצע החיבור בדיפוזיה על ידי הידוק שני החלקים המיועדים לריתוך כאשר משטחיהם צמודים זה לזה. לפני הריתוך, יש לעבד משטחים אלה לגימור חלק ככל האפשר מבחינה כלכלית, ולשמור עליהם נקיים ככל האפשר ממזהמים כימיים או פסולת אחרת. כל חומר זר הגדל בין שני המשטחים המתכתיים עלול למנוע דיפוזיה מספקת של החומר. לכל יישום ריתוך מבוצעים כלים ספציפיים כדי לחבר את חלקי העבודה. לאחר ההידוק, מופעלים לחץ וחום על הרכיבים, בדרך כלל במשך שעות רבות. המשטחים מחוממים או בתנור או באמצעות התנגדות חשמלית. ניתן להפעיל לחץ באמצעות מכבש הידראולי בטמפרטורה גבוהה. שיטה זו מאפשרת מדידות מדויקות של העומס על החלקים. במקרים בהם לחלקים אסור שיהיה גרדיאנט טמפרטורה, ניתן להשתמש בהתפשטות תרמית דיפרנציאלית כדי להפעיל עומס. על ידי קיבוע חלקים באמצעות מתכת בעלת התפשטות נמוכה (כלומר מוליבדן), החלקים יספקו את העומס שלהם על ידי התפשטות גדולה יותר ממתכת הקבוע בטמפרטורה גבוהה. שיטות חלופיות להפעלת לחץ כוללות שימוש במשקלים קבועים, לחץ גז דיפרנציאלי בין שני המשטחים ואוטוקלבים בלחץ גבוה. ריתוך בדיפוזיה חייב להתבצע בוואקום או בסביבת גז אדיש בעת שימוש במתכות בעלות שכבות תחמוצת חזקות (למשל נחושת). טיפול פני השטח הכולל ליטוש, איכול וניקוי, כמו גם לחץ וטמפרטורה של דיפוזיה, הם גורמים חשובים בנוגע לתהליך הריתוך בדיפוזיה.

ברמה המיקרוסקופית, ריתוך בדיפוזיה מתרחש בשלושה שלבים:

 עיוות מיקרו-אספיריות - לפני שהמשטחים נוגעים לחלוטין, אספיריות  (פגמים קטנים מאוד במשטח) על שני המשטחים נוגעים ומתעוותים פלסטית. כאשר אספיריות אלו מתעוותות, הן מתחברות זו לזו ויוצרות ממשקים בין שני המשטחים.
 העברת מסה מבוקרת דיפוזיה - טמפרטורה ולחץ מוגברים גורמים לזחילה מואצת בחומרים; גבולות הגרעינים  וחומר הגלם נודדים ופערים בין שני המשטחים מצטמצמים לנקבוביות מבודדות.
 נדידת ממשקים - החומר מתחיל לפעפע על פני גבול המשטחים הגובלים, תוך מיזוג גבול חומר זה ויצירת קשר.

יתרונות
 למשטח המרותך יש את אותן תכונות פיזיקליות ומכניות כמו לחומר הבסיס. לאחר השלמת הריתוך, ניתן לבדוק את החיבור באמצעות בדיקות מתיחה, לדוגמה.
 תהליך ריתוך בדיפוזיה מסוגל לייצר חיבורים באיכות גבוהה שבהם אין אי רציפות או נקבוביות בממשק. במילים אחרות, ניתן לשייף, לייצר ולחמם את החומר.
 ריתוך בדיפוזיה מאפשר ייצור של רכיבים מדויקים בעלי צורות מורכבות. כמו כן, דיפוזיה היא גמישה.
 ניתן להשתמש בשיטת ריתוך בדיפוזיה באופן נרחב, לחיבור חומרים דומים או שונים, והיא חשובה גם בעיבוד חומרים מרוכבים.
 התהליך אינו קשה במיוחד לגישה ועלות ביצוע ריתוך בדיפוזיה אינה גבוהה.
 החומר הנמצא תחת דיפוזיה מסוגל להפחית את המעוות הפלסטי.

יישומים
ממוזער|שמאל|220px|אנימציה של תהליך מתן צורה ליריעות באמצעות ריתוך בדיפוזיה
ריתוך בדיפוזיה משמש בעיקר ליצירת צורות מורכבות עבור תעשיות האלקטרוניקה, התעופה והחלל, הגרעין והמיקרופלואידיקה. מכיוון שצורת ריתוך זו אורכת זמן ניכר בהשוואה לטכניקות חיבור אחרות כמו ריתוך בפיצוץ, חלקים מיוצרים בכמויות קטנות, ולעיתים קרובות הייצור הוא אוטומטי ברובו. עם זאת, עקב דרישות שונות, ניתן להפחית את הזמן הנדרש. בניסיון להפחית את מספר המחברים, עלויות העבודה ומספר החלקים, ריתוך בדיפוזיה, בשילוב עם עיצוב סופר-פלסטי, משמש גם בעת יצירת צורות מתכת מורכבות. מספר יריעות נערמות זו על גבי זו ומחוברות בקטעים ספציפיים. לאחר מכן ערימת היריעות מונחת בתבנית ולחץ גז מרחיב את היריעות כדי למלא את התבנית. זה נעשה לעיתים קרובות באמצעות סגסוגות טיטניום או אלומיניום עבור חלקים הדרושים בתעשיית התעופה והחלל.

חומרים אופייניים המרותכים כוללים טיטניום, בריליום וזירקוניום. במטוסים צבאיים רבים, ריתוך בדיפוזיה עוזר במתן אפשרות שימור חומרים אסטרטגיים יקרים והפחתת עלויות ייצור. בחלק מהמטוסים יש מעל 100 חלקים המרותכים בדיפוזיה, כולל גופי מטוסים, אביזרי מפעיל חיצוניים ופנימיים, מוטות לגלגלי נחיתה ומסגרות למטוסים.

קישורים חיצוניים
"Cast Nonferrous: Solid State Welding," at Key to Metals
 An excellent discussion of diffusion bonding by Amir Shirzadi for the UK Centre for Materials Education

לקריאה נוספת
 Kalpakjian, Serope, Schmid, Steven R. "Manufacturing Engineering and Technology, Fifth Edition", pp. 771-772

הערות שוליים

דיפוזיה
קטגוריה:הנדסת חומרים