201101_PSpaw 44 Przegląd sPawalnictwa 1/2011 Gennadii Vladimirovich Koniushkov Aleksandr Nikolaevich Balakanin Vladimir Gennadevich Koniushkov Nanotechnologia łączenia metali z materiałami niemetalicznymi nanotechnology of metal and non-metal joining Prof. dr hab. Gennadii Vladimirovich Ko- niushkov, doc. dr Aleksandr Nikolaevich Bala- kanin, inż. Vladimir Gennadevich Koniushkov – Państwowa Politechnika w Saratowie. Streszczenie Rozwój elektroniki i metod symulacji wysokonapię- ciowych procesów wyładowań elektrycznych umożli- wił opracowanie w Rosji nowej metody łączenia meta- li z niemetalami. Zaproponowano perspektywiczną me- todę łączenia materiałów o specjalnych właściwościach fizykomechanicznych w obniżonej temperaturze i przy obniżonym ciśnieniu – zgrzewanie z wykorzystaniem przekładek metalicznych (folii). Podczas sterowanego wyładowania wysokonapię- ciowego następuje szybkie odparowanie materiału prze- kładki. Powstałe wówczas pary metalu o dużej energii kinetycznej uderzają w powierzchnię materiałów łączo- nych, gdzie następuje krystalizacja. Na powierzchni nie- metalu tworzy się cienka warstwa metalu, ściśle przy- legająca do podłoża o identycznej sieci krystalograficz- nej jak niemetal. Uzyskana warstwa pośrednia umożliwia wykonanie trwałych połączeń. Istotnym elementem pro- cesu jest znikome nagrzanie materiału podłoża. W artykule przedstawiono wybrane aspekty krystalo- graficzne połączeń metali z materiałami niemetaliczny- mi, metodą metalizacji powierzchni parami metali w wy- niku odparowania materiału folii po wyładowaniu elek- trycznym. Abstract Development of electronic and also high-voltage di- sharge simulations enabled obtaining in Russia new method of metals and non-metals joining. The method is dedicated to materials with specific physical and mecha- nical properties in decreased temperature and pressure – welding with metal insrts. In regulated high voltage electrical discharge material of insert is evaporated in short period of time. Vaporized metal with high kinetic energy are crashed into the joining materials surface, where the material crystallization pro- cess is observed. Thin layer of metal with the same crystal lattice as non-metal, which adhere to it with high strength, is produced on the surface of non-metal. High quality jo- ints are achieved due to this metallic interlayer. Very low temperature of non-metal substrate is important aspect of the process. Some of the crystallographic aspects of metal with non-metal joining in the process of surface metallization by metal evaporation in electric discharge is presented in this paper. Wstęp Rozwój i doskonalenie współczesnej elektroniki i budowy przyrządów stosowanych w lotnictwie i in- nych dziedzinach przemysłu nie byłby możliwy bez za- stosowania nowych materiałów konstrukcyjnych, wy- twarzonych na bazie ceramiki, szkła ceramicznego (sital), kwarcu, ferrytów i innych materiałów niemeta- licznych. Materiały te powstają na osnowie tlenków różnych pierwiastków i mają wyjątkowe właściwości fi- zykochemiczne. Połączenia materiałów ceramicznych i materia- łów ceramicznych z metalami znajdują zastosowanie w konstrukcji elementów systemów wysokoczęstotli- wościowych, okien kontrolnych i falowodowych, ekra- nów i obudów przyrządów elektronowych i jarzenio- wych (gas-discharge), fotokatodach w przyrządach noktowizyjnych, obudowach żyroskopów laserowych, akceleratorach, produkcji wyrobów jubilerskich itp. Tradycyjne metody wykonywania takich połą- czeń – klejenie i lutowanie – nie zawsze zapewniają 45Przegląd sPawalnictwa 1/2011 Rys. 2. Wykresy zależności od czasu rozładowania: a) rezystan- cji przewodnika, b) prądu rozładowania w obwodzie elektrycznym, c) napięcia baterii, d) napięcia w przewodniku, przy parametrach: Ro = 0,1 Ω, L= 3x10-7 GH, C = 10-6 F, Rn = 0,01 Ω (Wn = 13,198 J, Wc = 50 J) Fig. 2. The function in discharge time of: a) conductor resistance, b) discharge current, c) battery voltage, d) conductor voltage, with parameters: Ro = 0,1 Ω, L =3x10-7 GH, C = 10-6 F, Rn = 0,01 Ω (Wn = 13,198 J, Wc = 50 J) wysoką wytrzymałość, szczelność próżniową, od- porność na temperaturę, kontakt cieplny i elektrycz- ny, zachowanie właściwości podczas długotrwałego przechowywania. Natomiast metody spawania opar- te na bardzo intensywnym wpływie ich parametrów na materiały łączone: zgrzewanie wybuchowe, zgrze- wanie zgniotowe w próżni, spawanie impulsem ma- gnetycznym, próżniowo-termiczna obróbka impulsem magnetycznym raczej nie nadają się do produkcji ta- kich węzłów. Najbardziej perspektywiczną metodą uzyskania po- łączeń metal-ceramika jest zgrzewanie dyfuzyjne w próżni, ale jego realizacja przy zastosowaniu tradycyj- nych metod tej technologii łączenia (Тsp = (0,7÷0,8) Тtop; Рsp = (0,8÷0,9)σPз). Ponadto zastosowanie znanych już technologii dla wielu materiałów ceramicznych (ferry- tów, sitali, piezoceramik) nie zawsze gwarantuje uzy- skanie połączeń wysokiej jakości i zachowanie ich spe- cjalnych właściwości. Wydaje się, że najlepszą metodą łączenia tych ma- teriałów są odmiany zgrzewania dyfuzyjnego elemen- tów w obniżonej temperaturze i ciśnieniu, w proce- sie metalizacji powierzchni odparowanym materiałem przekładek (folii) wskutek wyładowania elektrycznego (WWE) przeprowadzanego pomiędzy łączonymi po- wierzchniami (rys. 1). Eksperymenty wykazały, że technika zgrzewania powoduje powstanie cienkiej metalicznej powłoki na powierzchniach łączonych materiałów. Trwałość jej przylegania do materiału ceramicznego ma decydu- jący wpływ na właściwości złącza oraz jest uzależ- niona od liczby atomów pierwszej warstwy konden- satu, tworzących wiązania chemiczne z materiałem podstawowym – warstwa przejściowa ma nieznacz- ną grubość. Rys. 1. Urządzenie do zgrzewania materiałów ceramicznych z wy- korzystaniem folii metalicznej metodą wyładowania elektrycznego; 1 – komora próżniowa, 2 – ruchomy trzpień, 3 – elementy cera- miczne, 4 – folia metaliczna, 5 – stół roboczy, 6 – układ zasilania (10÷25 kV) Fig. 1. The device for ceramic and metal with metal insert in elec- tric discharge joining: 1 – vacuum chamber, 2 – moving mandrel, 3 – ceramic elements, 4 – metal insert, 5 – workplace, 6 – power in- put (10÷25 kV) Na podstawie dostępnej literatury można stwier- dzić, że procesy te nie zostały zbadane w sposób wy- starczający. Publikacje dotyczą głównie przewodników liniowych (drutowych), a przewodniki płaskie praktycz- nie nie były badane [1÷4]. Przedmiotem publikacji jest przedstawienie zasad, modeli i nanotechnologii łączenia niemetali konstruk- cyjnych z metalami i niemetalami przy zastosowaniu cienkich folii metalicznych metodą wyładowań elek- trycznych przeprowadzanych w próżni. Analiza teoretycznych i eksperymentalnych wyników wyładowania elektrycznego Opis elektrycznego wybuchu przewodnika został wykonany wg schematu obwodu oscylacyjnego ze zmienną rezystancją, a model procesu wybuchu prze- kładki podczas spawania dielektryków ma postać rów- nania różniczkowego, opisującego szeregowy obwód oscylacyjny ze zmienną rezystancją: gdzie: Rn (t) – empiryczna funkcja oporu przewodnika, (Rn – rezy- stancja zewnętrznego obwodu elektrycznego); V(t) – napięcie w kon- densatorze; Ro – początkowa rezystancja przewodników; C – pojem- ność kondensatorów, L – indukcyjność rozładowania obwodu elek- trycznego. a) b) c) a) d) Rn (t), Ω I (t), A Vo (t), V Vt (t), V t, st, s t, s t, s 46 Przegląd sPawalnictwa 1/2011 Na rysunku 2 przedstawiono zależności rezystan- cji przewodnika, prądu rozładowania w obwodzie elek- trycznym, napięcia na baterii kondensatora i na prze- wodniku od czasu. Wyznaczenie najlepszych parame- trów obwodu elektrycznego dla wybuchu wykonywane jest z uwzględnieniem rezystancji materiału folii. W opracowanym modelu cyklicznego wyładowa- nia elektrycznego uwzględniono ziarnistą budowę warstw metalicznych, a w szczególności niejednorod- ność rezystancji materiału. Rezystancja granic zia- ren, faz drobnoziarnistych i innych niejednorodności jest znacznie większa niż rezystancja wewnątrz zia- ren. W modelu płaskiego przewodnika tę niejednorod- ność uwzględniono przez wprowadzenie siatki o przy- padkowym lub regularnym rozrzucie wartości nominal- nych rezystancji. Obliczenia modelu wykonano metodą macierzową z wykorzystaniem oprogramowania MathCAD na przy- gotowanym do tego celu stanowisku o dużej mocy ob- liczeniowej (АBM Athlon(tm) 64X2, procesor z podwój- nym rdzeniem 4800 + 2,5 GHz, 2 Gb RAM). Wykonano 30 prób. Czas jednej próby z siatką 100×100 wynosił ok. 2 min, a łączny czas obliczeń ok. 60 min. Rozkłady temperatury dla trzech momen- tów czasowych na powierzchni przewodnika przedsta- wiono na rysunku 3. Zaobserwowano wyraźny wzrost temperatury na granicach ziaren. Z modelu perkolacyjnego i wyników eksperymental- nych uzyskano opis fizyczny elektrycznego wyładowa- nia przewodnika. Ze względu na znacznie większą re- zystancję na granicach ziaren niż wewnątrz ziaren, to- pienie metalu zaczyna się od ich granic i rozprzestrze- nia się w głąb, a ogólny udział stopionych ziaren nie przekracza 0,7. Mechanizmy oddziaływania materiałów przy łą- czeniu z zastosowaniem wybuchu elektrycznego ma- teriału folii w próżni zostały określone na podsta- wie badań krystalograficznych tworzenia połączeń, przeprowadzonych dla różnych materiałów w sta- nie stałym w stosunkowo niewysokich temperaturach. Rys. 3. Rozkład temperatury na powierzchni przewodnika dla trzech kolejnych momentów czasu Fig. 3. The temperature decomposition on the surface of conductor in three time periods Temperatura była na tyle mała, aby wpływ zjawisk he- terodyfuzji i dyfuzji na zgrzewanych powierzchniach nie był znaczący, a uzyskane połączenia mogły być klasyfikowane jako połączenia adhezyjne. Badania dyfraktogramów folii metalicznej wykona- nej z materiału 47ND przedstawiono na rysunku 4, na- tomiast na rysunku 5 pokazano materiał tej folii po wy- konaniu połączenia zgrzewanego z zastosowaniem elektrycznego wybuchu folii w próżni. Folię na rysunkach opisano za pomocą wekto- rów określających orientację powierzchni krystalogra- ficznych, tzn. materiał folii zorientowano powierzch- nią (200), co jest równoznaczne z powierzchnią (100) do powierzchni walcowania. Uzyskana wskutek wybu- chów elektrycznych w próżni powłoka na powierzch- ni szkła ceramicznego jest zorientowana powierzchnią (222), co jest równoznaczne z powierzchnią (111) do powierzchni podłoża. Rys. 4. Stan krystalograficzny materiału folii Fig. 4. Crystalline state of insert material Rys. 5. Stan krystalograficzny warstw metalicznych uzyskanych w wyniku elektrycznego wybuchu folii w próżni Fig. 5. Crystalline state of metallic layers produced in electrical discharge of insert in vacuum a) b) 47Przegląd sPawalnictwa 1/2011 Z przedstawionych opisów wynika, że topienie i kry- stalizacja doprowadziły do pożądanej zmiany orien- tacji kierunków krystalograficznych w warstwie me- talicznej. Przeprowadzone badania rentgenostruktu- ralne powierzchni warstwy niklu po zniszczeniu połą- czeń wzdłuż granic kontaktu wykazały istotne zmiany intensywności odbić od powierzchni z niskimi indek- sami Millera. Tablica relacji intensywności odbić po- wierzchni (111):(200):(220):(311) wynosi odpowied- nio 100:50:32:32, a po połączeniu 100:394:124:106, co świadczy o tym, że przy krystalizacji ziarna Ni Wnioski Na podstawie badań rozwiązano zadanie nauko- we dotyczące opracowania podstaw nanotechnolo- gii łączenia materiałów w wyniku wyładowań elek- trycznych warstw metalicznych w próżni w obniżo- nych temperaturach i ciśnieniach zapewniających uzyskanie dobrej jakości połączeń metali, metali z materiałami niemetalicznymi i niemetali z nieme- talami. [3] Koniushkov V.G.: Perkoljacionnaja model elektriceskogo vzryva provodnikov v vakuume, V.G. Koniushkov, XVI Kon- ferencja Naukowo-Techniczna z udziałem zagranicznych specjalistów „Nauka i technika próżniowa” – Moskwa, MIEM 2009, s. 47-51. [4] Koniushkov V.G., Nanotechnologii pri svarke cerez elektrice- ski vzryvaemye prosloi v vakuume, V.G. Koniushkov, Prace Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Osią- gnięcia współczesnej elektrotechnologii” – Saratow, Wyd. SGU 2009, s. 211-214. Z języka rosyjskiego tłumaczył Andrei Bukharov orientują się ku podłożu w większości krawędziami kryształu podstawowej komórki. Można zakładać, że z punktu widzenia termodynamiki prowadzi to do uzy- skania większej energii, ponieważ swobodna ener- gia krawędzi kryształu niklu wynosi 1060 mJ/m3, а po- wierzchni przestrzennej przekątnej (111) – 926 mJ/m. Przy zastosowaniu metody łączenia wybuchowych wyładowań elektrycznych folii w próżni zapewnia to moż- liwość uzyskiwania wysokiej jakości połączeń metali i nie- metali, a także niemetali z niemetalami (ceramika + ferry- ty, szkło ceramiczne + szkło kwarcowe, rubin + rubin i in.). Literatura [1] Koniushkov V.G., Model processov soedinenija dielektrikov sposobom vzryvajuscichsja provodnikov, A.Ja. Zorkin, O.Ju. Zhevalev, V.G. Koniushkov, Szybkokrzepnące materiały i po- włoki, 7. Ogólnorosyjska Konferencja Naukowo-Techniczna z udziałem międzynarodowym. Zbiór prac – Moskwa, MATI – RGTU im. K.E. Ciołkowskiego, 2008. [2] Koniushkov V.G., Kristallograficeskie aspekty obrazovanija soedinenij raznorodnych materialov v tverdoj faze, R.A. Mu- sin, G.V. Koniushkov, Prace IV Międzynarodowej Konferencji Naukowo-Technicznej „Współczesne problemy budowy ma- szyn” – Tomsk, TGU, 2008. Wiodący temat numeru 2/2011: Metodyka opracowania i przykłady planów spawania Jacek Słania Plan spawania – omówienie zagadnienia Jacek Słania, Jacek Skóra Plan spawania wymiennika ciepła chłodzonego powietrzem Jacek Słania, Dominik Wodecki Plan spawania belki poprzecznej dźwigu Jacek Słania Plan spawania przy wykonywaniu napraw bieżących kotłów parowych, kotłów wodnych i stałych zbiorników ciśnieniowych Jacek Słania Plan spawania carg płaszcza pieca obrotowego Michał Urzynicok, Jacek Słania Analiza kosztów spawania przy wytwarzaniu kotłowych konstrukcji spawanych W następnym numerze