Published on 5/11/2017
Categories: Aerospace

真空扩散键合:一个真实的成功故事

真空扩散键合:一个真实的成功故事

这不仅仅是一篇技术性的文章,而且也讲述了一个关于热忱、投入、进取和挑战的故事。本文提供了来自专家和其他来源的有关扩散键合真空炉的充足资料,以及他们关于所面临问题的第一手经验。不过,在讨论这个问题之前,我们还是有必要了解扩散键合技术的基本知识,以便了解其工作原理。

扩散键合:了解基本内容

扩散键合指的是在温度和压力的作用下将两个表面连接起来。因此,扩散键合工艺中避免了熔化和与熔化有关的缺陷。粘结压力远低于材料的屈服强度,因此完全避免了材料的塑性变形。

真空扩散键合依赖温度、压力、时间和真空度来促进原子在整个接合面的交换。只要材料之间密切接触,这一工艺对于相似或非相似材料都可发挥功用。

这种工艺生产出的高强度接头适用于航空航天汽车、造船、石油、石化和工艺工程等多种工业。接头可实现完全防漏,并能够承受较高的使用温度和/或极低的真空度。常见应用包括生产用于迷你通道或微通道设备的垫片组件(用于歧管、生物医学植入、喷嘴、混合器和其他精密组件)。

真空扩散键合:实际操作中的困难

20多年前,TAV首次得到用于钛热交换器扩散键合的真空炉正式订单。

这一订单对真空炉尺寸要求极高,以容纳长、大和高的炉料。同时要求高真空、高气体压力和高温均匀性。其容器主体厚度较大,且具备压力认证控制。这是一项非常严峻的挑战:当时真空扩散键合是该创新技术的第一项应用。

在真空炉中,热处理室侧面具有相同的隔热厚度,并且由于黑体(如黑色石墨板)的典型放射率,获得良好的均匀性原本不应困难。但实际却正相反,由于气体的存在,底部出现较低温区域,而顶部形成较高温区域。热区中气体的存在完全改变了取得良好均匀性的条件。 因为热区内和热室外存在对流,所需的均匀性成为很难达到的目标。

此外,容器内壁的功率耗散和传热也是个问题。

另外,对于气体存在造成温度均匀性问题最常用的解决办法——使用风扇,也证明不适合这项特定的应用。事实上,在这样的高温下,就连风扇轴周围的空隙也会形造成过大气体泄漏,造成热气从热室逸出和外部冷空气进入。

此外,用通过风扇控制的更高强制流来提高自然对流将进一步增加热室的热耗散

这一挑战性任务需要运用经验和创新来找到解决方案。我们如何应对真空炉扩散键合的这些难题?

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真空扩散键合:设备的结构特性

在多项测试的辅助下,TAV工程师们凭直觉认为解决方案应是限制而不是通过强制对流来提高自然对流。

产生对流再循环的原因是,热气由于其密度较低,在达到热室顶部时会通过顶部的隔热部分散热,随后变冷并返回到运行容积的底部。为防止这种情况,由石墨板制成的热室隔热层必须采用不同厚度以实现所有内部表面的热损失均衡性。热室较高部分采用了最多的隔热材料。

限制对流有助于限制耗散,并可以针对几何形状不同的装载物创造可重复性更高的工艺条件,但其本身并没有解决均匀性问题。因此,我们还决定将辐射加热元件进行不均匀配置,使内表面的不同部分具有不同的加热功率。这是为了避免顶部区域过热。

然后,为了保护压力容器内壁免受高温影响,我们决定加装一个与容器壁直接接触的水冷换热器。

所有这些不同应用解决方案的调整校准使我们最终获得了易于实现温度均匀性的结果。

这让我们在知识、技术和方法上获得领先优势,我们运用这一优势制造了全系列的扩散键合真空炉

本文只是扩散键合的一个简短介绍。由于这一工艺在真空条件下进行的,扩散键合接头的杂质含量最低,即使在高活性金属的情况下也是如此。这一工艺在航空航天工业中被广泛应用于无法通过其他方法完成的特殊材料和形状的连接(如蜂窝结构和多翼通道)。

想要进一步了解扩散键合真空炉

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