جوشکاری سرامیک

مطالعات تئوریک و کاربردی نشان داده است که علم و مهندسی مواد نقش اساسی و کلیدی در توسعه و تکامل تکنولوژی و فنون جدید در قرن بیستم بر عهده داشته و پیش بینی شده است که در قرن حاضر نیز یکی از محورهای اساسی و اصلی علوم, فنون و تکنولوژی میباشد.
ساخت مواد و قطعات با کارکرد بالا (High Performance) یکی از فاکتورهاي عمده پیشرفت صنایع مدرن به شمار می رود. مطالب فوق نشان می دهد که بدون مواد مهندسی و بدون استفاده از یافته های جدید علم و مهندسی مواد, به پتانسیل بالقوه بکارگیری آنها در صنایع اشاره می شود. 
علم و مهندسی مواد به سه زیر مجموعه کلی تقسیم می شود که هر یک از شاخه های فوق پتانسیل بالقوه بکارگیری آنها در صنایع را برای ما مشخص و واضح می نماید.

 سه زیر مجموعه فوق عبارتند از:
1- علم متالوژی و کامپوزیت زمینه فلزی (MMC)
2- پلیمر و کامپوزیت های زمینه پلیمری (PMC)
3- علم سرامیک و کامپوزیت های زمینه سرامیک (CMC)

شناخت پتانسیل های بالقوه و بالفعل هر یک از مجموعه های فوق ما را در دستیابی به اهداف نهایی رهنمون می سازد. مسئله دیگر, بحث اتصالی بودن در بکارگیری تکنولوژی های نوین در صنایع مختلف است. درچند سال گذشته مباحث علمی کاربردی انواع جدید مواد اصلا" قابل طراحی نبودن و حال آنکه, در موقیت فعلی شرایط مناسب فراهم شده است. بکارگیری تکنولوژی و قطعات نو در جهت ارائه محصولات برتر و مناسب تر, در جلب رضایت مشتری نقش مهمی را ایفا نموده و زمینه را جهت ورود تدریجی به بازارهای منطقه ای و جهانی فراهم خواهد نمود. در میان کشورهای در حال توسعه, ایران به عندان کشوری با بازار قوی از نظر خرید خودرو و دیگر محصولات صنعتی و پتانسیل بالقوه برای تولید این محصولات مطرح می باشد. یکی از تکنولوژی هایی که توانایی صنایع را به حد مطلوب میرساند مواد مهندسی است.
از طرفی, در کاربردهای جدید ضروری است تا پیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم قرار گیرند تا شرایط کاربردی را بهتر تامین نمایند. در این راستا, اتصال فلز–سرامیک و اتصال سرامیک–سرامیک مطرح شده است. اتصال سرامیک به مواد دیگر امکان بکارگیری و ساخت قطعاتی از سرامیک را ممکن می سازد که ساخت آنها بصورت یک قطعه غیرممکن و یا بسیار مشکل است. برعکس جوشکاری و اتصال سرامیک–فلز بکار می رود که در این نوشتار به برخی از این روشهای عمده اشاره شده است.
بررسی های بعمل آمده حاکی از کارد قطعات سرامیکی در صنایع مدرن است که در این قسمت به برخی از کاربردهای عمده قطعات سرامیکی اشاره می شود. به عنوان مثال می توان کاربرد سرامیکها در صنایع خودرو–صنایع توربین گازی–ابزار برش–صنایع الکترونیک و کامپیوتر-صنایع متالوژی و ذوب فلزات (نسوزها –در پزشکی (سرامیکهای پزشکی, بیوسرامیکها)-صنایع نظامی و هسته ای–صنایع هوا–فضا و صنایع شیمی و پتروشیمی را نام برد.
عمده این کاربردها مستلزم بکارگیری بیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم می باشد تا شرایط کاربردی را بهتر تامین نمایند. معمولا", دمای کاربردی مواد در حدود 5/0 تا 7/0 نقطه ذوب آنها می باشد که در این محدوده تنها 12 فلز (Tm>2000 C) وجود داردو حال آنکه 33 اکسید ,34 کاربید,17 نیترید و 54 بورید دارای چنین شرایطی هستند.نکته مهمتر , کاهش کمتر خواص سرامیکها در دمای بالاست. به عنوان مثال ,استفاده از سیستمهای الکتریکی ,مغناطیسی و الکترومکانیکی در خودرو که در برگیرنده زمینه بحث و بررسی حسگرها , هشدار دهنده ها و کنترل کننده ها , مصرف آلیاژهای حا فظه دار , قطعات مغناطیسی, قطعات PTCR و NTCR, سنسورهای گاز اکسیژن ,کاتالیست های اگزوز , شمع اتو مبیل و در نهایت سیستم های هشدار دهنده از جمله برخی از مصارف این محموعه وسیع در صنعت خودرو می باشند. در چند سال اخیر ,تکنیکها و روشها ی جدیدی برای اتصال در سرامیکها بکار گرفته شده است که به تدریج کاربردهای صنعتی نیز پیدا نموده اند. این روشها نیاز به بررسی و انجام تحقیقات گستر ده تر دارد تا بتوان کاربردهای اساسی در طراحی قطعات مهندسی را ایجاد نمود.در این مقاله ضمن بررسی کلیات روشهای فوق ,تعدادی از این روشها ارائه شده است.
چگونگی اتصال بین مواد مشابه و غیر مشابه با خواص مطلوب ,مستلزم بحث و بررسی عوامل موثر در آن میباشد. در بحث و بررسی اتصال سرامیکها به مواد دیگر پارامتر های مهمی نقش دارند که نکته خائز اهمیت تشکیل پیوند مکانیکی و شیمیایی مناسب بین قطعات می باشد. در حقیقت اتصال نتیجه تشکیل پیوندهای مکانیکی و شیمیایی است, لذا کنترل تشکیل این پیوندهاو عوامل موثر در آنها می تواند تنشها در فصل مشترک و کنترل این مسئله بسیار موثر می باشدکه تمامی این پارامترها در اتصال سرامیکها ارزیابی شده است.
هدف از اتصال و جوشکاری سرامیکها بهره مندی از خواص خوب سرامیکها ,از طریق اتصال با مواد دیگر است. بطوریکه خواص منفی آنها کاهش یاید. از طرفی , در کاربردهای جدید ضروری است تا بیش از یک ماده و با خواص مختلف در کنار هم قرار گیرند تا شرایط کاربردی را بهتر تامین نمایند. در این راستا ,اتصال فلز–سرامیک و اتصال سرامیک–سرامیک مطرح شده است ,که به مرور زمان مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. اتصال سرامیک به مواد دیگر امکان بکار گیری و ساخت قطعاتی از سرامیک را ممکن می سازد که ساخت آنها بصورت یک قطعه غیرممکن و یا بسیار مشکل است. مسئله مهم ,تشکیل تنشهای موضعی درمحل جوش و اتصال است که برای مواد فرد مانند سرامیکها ممکن است خطرناک باشد.
گاهی برای کاهش تمرکز تنش در فصل مشترک , از چندین لایه واسط استفاده می شود. روشهای متعددی برای اتصال سرامیک به سرامیک و اتصال سرامیک–فلز بکار میرود که در مقالات مختلف به برخی از روشهای عمده اشاره و ضمن بررسی  کلیات روشهای فوق, مزایا و معایب هر یک مطرح شده است. تعدادی از این روشها عبارتند از: اتصال مکانیکی ,اتصال چسبی و سیمانی ,اتصال همزمان,(In-Situ), روشهای جوشکاری, روش لحیم کاری معمولی و سخت ,اتصال نفوذی مسقیم , اتصال  شیشه ای, روش متالیزه کردن.
 
روشهای اتصال و جوشکاری سرامیکها
 
 روشهای متعددی برای اتصال سرامیک به سرامیک و اتصال سرامیک –فلز بکار می رود که در این قسمت به برخی از روشهای عمده اشاره می شود. نکته قابل توجه این است که بررسیها نشان داده است که در اتصال فلز –سرامیک مقدار تنش بطور متوسط در حدود 1Mpa/C می باشد. به عبارت دیگر اگر جوشکاری در محدوده 300-1500cانجام گیرد تنش حاصل از استحکام (خمشی) بسیاری از سرامیکها بیشتر می گردد (عامل شکست آنها). لذا این عامل یکی از پارامتر های اصلی است که باعث میشود تا روشهای اتصال غیر مستقیم بیشترین کاربرد را در اتصال سرامیکها داشته باشند که شامل روشهای اتصال غیرمستقیم بیشترین کاربرد را در اتصال سرامیکها داشته باشند که شامل روشهای اتصال بوسیله چسب ,اتصال بوسیله شیشه و شیشه –سرامیک ,اتصال سیمانی و... می شود.
تذکر و نکته مهم این است که هر روشی که بکار رود باید اتصالی قوی و مطمئن و با خواص اپتیمم بدست آید. از طرفی اتصال نباید هیچگونه فضای خالی نفوذی بین دو قطعه ایجاد کند.

روشهای متعددی برای اتصال سرامیکها بکار می رود که برخی از روشها اشاره می شود:

1- اتصال مکانیکی
2- اتصال چسبی و سیمانی
3- اتصال همزمان (In-Situ)
4- روش های جوشکاری (Welding)
5- روش لحیم کاری معمولی و سخت (Soldering and Brazing)
6- اتصال نفوذی (مستقیم و غیر مستقیم) (Diffusion Bonding)
7- اتصال شیشه ای (Glass Adhesion)
8- روش متالیزه کردن
9- روش جوشکاری اصطکاکی (Friction Welding)

در چند سال اخیر ,تکنیکها و روشهای جدیدی برای ایجاد اتصال در سرامیکها بکار گرفته شده است که به تدریج کاربردهای صنعتی نیز پیدا نموده اند .این روشها نیاز به بررسی بیشتر و انجام تحقیقات گسترده تردارد تا بتوان کاربردهای اساسی در طراحی قطعات مهندسی را ایجاد نمود.برخی از این روشها عبارتند از:

1- انتقال مذاب فلزی - Liquid Metal Transfer
2- روش اسپری پلاسما - Plasma Spraying
3- روش اتصال وسیله مایکروویو - Microwave Joining
4- ماشینکاری دقیق و اتصال مکانیکی - Micromachining and MechanicalAdhesion
5- اتصال همزمان با پروسه ساخت - In – Situe Method
6- رسوب از فاز شیمیائی و فیزیکی - CVD-PVD
7- جوشکاری الکتریکی - Electric Welding
8- جوشکاری سرد - Cold Welding
9- اتصال حالت جامد نوین - New Solid State Adhesion
10- اتصال از طریق التراسونیک - Ultrasonic Joing
11- اتصال از طریق الکترو مغناطیس - Electromagentic Joining
12- اتصال و جوشکاری لیزری
13- اتصال و جوشکاری بیم الکترونی

تمرکز اصلی این مقاله لحیم کاری سخت و معمولی (Brazing and Soldering) می باشد که دو زیر مجموعه کلی آن یعنی روش بریزینگ با فلزات فعال و فلزات غیر فعال بحث و بررسی شده است.

کلیات روشهای لحیم کاری معمولی و سخت (Soldering and Brazing)

مواد سرامیکی بسختی لحیم کاری می شوند زیرا که براحتی توسط آلیاژ لحیم خیس نمی شوند. وقتی به مواد فلزی متصل می شوند , اختلاف در ضرایب انبساط حرارتی باعث ایجاد تنش های پسماند شده و ایجاد ترک در قطعه سرامیکی می نماید.در اتصال سرامیک به فلز با روش لحیم کاری بایستی از روشهایی استفاده نمود که تنش های پسماند را کاهش دهد. تکنیک هائی مانند پوشش فلزی (Metallizing) و آلیاژهای لحیم فعال انعطاف پذیر (Ductile reactive) جهت افزایش خاصیت خیس شوندگی سطح سرامیک استفاده می شود ,این عمل تنش های با قیمانده را در قطعه کاهش داده و مقاومت به ترک را افزایش می دهد.
در دو روش لحیم کاری معمو لی (soldering) و لحیم کاری سخت ((Brazing با استفاده از مواد فلزی ,دو قطعه سرامیکی و یا سرامیک به فلز به یکدیگر متصل می شوند. ابتدا هر یک از دو روش توضیح داده و سپس مثالهای عملی از بکارگیری این روشها در اتصال سرامیکها مطرح خواهد شد.

لحیم کار معمولی Soldering

لحیم کاری روشی است که در آن فلز و سرامیک در کمتر از 400Cبا یک فلز پر کننده به یکدیگر لحیم و متصل می شوند. اکثر اتصالات از طریق بکارگیری ترکیبات Cu-Ag, Pb-Ag, Sn-Pd, اتصال برقرار می شود. گاهی نیز سطح سرامیک را متالیزه می کنند. ماده مصرفی برای لحیم کاری باید در سطح تماس با اجزاء فلز و سرامیک واکنش نموده و به تعادل شیمیایی برسد. مشکل مطرح در اینجا,امکان عدم تر شوندگی سطحح سرامیک است. مسئله دیگر,کنترل اختلاف ضریب انبساط حرارتی ماده لحیم کاری با فلز و سرامیک می باشد.در این روش ,سرامیکها بیشتر از فلزات به خاطر مسائل فوق صدمه می بینند.محدودیت عمده در لحیم کاری سرامیکها , یافتن ترکیبات مناسب لحیم می باشد بطوریکه هم دمای بالا را تحمل کند و هم قابلیت کارکرد در محیط های شیمیایی را داشته باشد.برخی از محققین ,استفاده از فلزات دیرگداز را بدین منظور پیشنهاد نموده اند.
در برخی کاربردها ,ابتدا سطح سرامیک را متالیزه نموده و آنگاه لحیم کاری می کنند. با این عمل کمک شایان توجهی به چسبندگی میشود. لایه متالیزه را بصورت رنگ بر روی سرامیک اعمال نموده و سپس عمل لحیم کاری انجام می دهد.

لحیم کاری سخت Brazing

لحیم کاری سخت روشی است که در آن فلز و سرامیک در دمای بالا (850-900Cنیز گزارش شده است) با یک فلز پر کننده به یکدیگر لحیم و متصل می شوند. خیلی از سرامیکها مهم صنعتی از قبیل آلومینا,زیر کونیا,....معمولا" با فلزاتی لحیم می شوند که توسط آنها تر میگردند. سرامیکها سخت لحیم کاری می شوند. در اتصال سرامیکها لحیم کاری سخت نسبت به لحیم کاری نرم ارجعیت دارد.دو روش برای غلبه مسئله عدم قابلیت تر شوندگی سرامیکها وجود دارد.
اولین روش متالیزه کردن سطح سرامیک است که پس از آن یک اتصال لحیم شده بین لایه متالیزه شده و قطعه فلزی بر قرار می کنند. روش دوم استفاده از یک آلیاژ لحیم متشکل ازیک جزء ترکیبی است که با سطح سرامیک واکنش شیمیایی داده و تر شوندگی آن را بهبود می بخشد و این روش در حال حاضر تحت عنوان عملیات لحیم فلز شناخته می شود.

روش بریزینگ به دو زیر مجموعه کلی تقسیم می شود:
- بریزینگ با فلزات فعال (آلیاژهای Tiو زیر کونیم و ...)
- بریزینگ با فلزات غیر فعال (نقره ,مس,نیکل ,طلا,پلاتینیم و...)
گاهی نیز از مخلوط فلزات فعال و غیر فعال استفاده می شود در جدول (1) مواد بریزینگ ارائه شده گاهی نیز از مخلوط فلزات گروه اول تمایل شدیدی به واکنش با اکسیژن دارند و تشکیل اتصال مورد نظر را تسریع می کنند همانند حالت قبلی,در اینجا نیز گاهی سطح سرامیک را متالیزه نموده و سپس عمل بریزینگ انجام می گیرد. برای کاربردهای دمای بالا , فرایند متالیزه کردن در دمای بالا صورت میگیرد (تا 850C نیز گزارش شده است).

جدول شماره (1) مواد بریزینگ

در لحیم کاری سخت (بریزینگ) گاهی بجای استفاده از فلزات فعال ,از واکنشهای ردوکس استفاده می شود که باعث بهبود چسبندگی مواد بریزینگ به سطوح فلز و سرامیک می شود.
در لحیم کاری سخت سرامیکها, جهت ایجاد استحکام و خواص مطلوب ,دمای بریزینگ باید تا حد لازم بالا باشد. بکارگیری لیزر در بریزینگ در چند سال اخیر ,باعث اتصال بین سرامیک –سرامیک و سرامیک –فلز و بروز خواص عالی شده است. در این روش ,سرامیکها بیشتر از فلزات به خاطر مسائل فوق صدمهمی بینند. محدودیت عمده در لحیم کاری سرامیکها , یافتن ترکیبات مناسب لحیم می باشد بطوریکه هم دمای بالا را تحمل کند و هم قالبیت کارکرد در محیطهای شیمیایی را داشته باشد.
اختلاف اساسی و عمده اتصال سرامیک به فلز با اتصال سرامیک به سرامیک در خواص فیزیکی و مکانیکی آنها می باشد. به ویژه ضریب انبساط حرارتی آنها تفاوت قابل ملاحظه ای با یکدیگر دارند که دقت بیشتری را در کنترل و طراحی سرامیک-فلز می کند.

بحث و بررسی مسئله اساسی در طراحی اتصال سرامیکها

چگونگی اتصال بین مواد مشابه و غیر مشابه با خواص مطلوب, مستلزم بحث و بررسی عوامل موثر در آن می باشد. در بحث بررسی اتصال سرامیکها به مواد دیگر (سرامیکها و فلزات) پارامترهای مهمی نقش دارند که نکته حائز اهمیت تشکیل پیوند مکانیکی و شیمیایی مناسب بین قطعات می باشد.
در حقیقت اتصال نتیجه پیوندهای مکانیکی و شیمیایی است لذا کنترل تشکیل این پیوندها و عوامل موثر در آنها می تواند در دستیابی به اتصال مناسب بین سرامیکها و فلزات اثر دارند که این خواص عبارتند از:
- ضریب انبساط حرارتی – خاصیت تر کنندگی – مشخصات و فصل مشترک
- برای شروع واکنشی بین دو ماده ,ضمن بررسی ترمودینامیک و کینتیک واکنش ها ,مسائل مختلفی نیز باید به ارزیابی گذاشته شود پیوند سرامیک به فلز نتیجه واکنش شیمیایی و مکانیکی بین مواد می باشد واکنش شیمیایی ممکن است به تشکیل ترکیبات جدید در فصل مشترک منجر شود یا در اثر نیروهای ثانویه چسبندگی ضعیف تری ایجاد گردد.
یکی از مشکلات سرامیکها در هنگام استفاده در کنار فلزات عدم انطباق ساختار است و در مواقعی که همراه با تغییرات دما یی استفاده میشود اختلاف ضریب انبساط حرارتی سرامیکها و فلز مشکل ساز خواهد بود بنابراین استفاده از لایه های واسط که بتواند این دو مشکل رو رفع کند مورد بحث  قرار میگیرند.
این مسئله, از پارامترهای مهم در ایجاد عیوب در منطقه اتصال فصل مشترک می باشد. هر چی اختلاف کمتر باشد ,, خواص بهتری حاصل می شود.
معمولا سرامیکهای ساختاری دارای ضرایب انبساط حرارتی (CTE) کمتری نسبت به فلزات می باشند. برای مثال CTE سیلیکون کار باید 4-5 10 1/k و سلیکون نیتراید 3-3/5 10 i/k می باشد. در بین فلزات تنگستن دارای کمترین CTE یعنی 4.5* 10 ^-6i/k میباشد.
در بین سرامیکهای ساختاری سرامیکهای زیر کونیایی (TTZ) دارای بالاترین CTE می باشد که برابر 8-11*10-6/kمی باشد. درصد اختلاف CET سرامیک ها و فلزات بوسیله روشهای طراحی قابل کاهش است بطوری که همه تحت تنش های فشاری باشند و یا از روش کاربرد لاله های میانی استفاده می شود مسئله دیگری که در مورد اتصال سرامیکها در نظر گرفته می شود این است که سرامیکها ترد بوده و نیروهای کنشی و شکهای حرارتی و مکانیکی کمتری قابل اعمال است. بطوریکه در بهترین حالت دارای تا فنس شکست 8-14MPa√mبرای آلومینای تقویت شده با ویسکرز سیلیکون کاربادی و زیر کونیایی TTZ, می باشد که مقدار حتی کمتر از تا فنس شکست فلزات ریختگی مانند آلومینیوم چدن است.
تغیر در ضرایب انبساط حرارتی بین سرامیک و فلز را با قرار دادن شماری از لایه ها بین فلز و سرامیک می توان به حداقل رسانده شود اختلاف در مقدار ضریب انبساط حرارتی بین هر لایه باید به حدا قل رسانده شود تا تنش به سطحی به حداقل برسد لایه واسط می تواند تنش به وجود آمده را در سیکل حرارتی جذب کند. با کنترل ابعادی, تخلخل و شرایط زینتر می توان خواص وسیعی را بدست آورد. لایه واسط می توان از جنس کرم نیکل باشد که تا 600درجه کارائی خواهد داشت و برای کارکرد در دمای بالاتر تا 925درجه از آلیاژ کرم نیکل آلومینیوم آهن استفاده می شود مسائلی که در خصوص و ویژگی های فصل مشترک قابل طرح می باشند عبارتند از: ساختار و شیمی فصل مشترک همو فاز و هتو فاز (Homophase and Hetrophase) ترمودینامیک فصل مشترک – گرادیان و و شیب حرارتی ترکیبی و ....در فصل مشترک خواص و (آزمایشهای مخرب و غیر مخرب) چسبندگی توانایی مقاومت کل سیستم در برابر شکست. برای کاربردهای ساختاری ضروری ست که رفتار اتصال تحت تاثیر تنشهای شدید به همراه تغیر سیکل دمایی و شرایط محیط ارزیابی گردیده و به بحث و بررسی گذاشته شود. بررسی و اندازه گیری استحکام پیوند و به کارگیری روشهای متداول تست مکانیکی و یا انجام تست های خاص ضروری است تا بتوان رفتار اتصال را پیش بینی نمود.
مخصوصا" اندازه گیری خواص تحت شرایط متغیر نیرو ,دما و شرایط اتمسفری صورت گیرد تا اثر عوامل مختلف در حین کارکرد بهتر ارزیابی گردد.
از دیدگاه خواص مکانیکی تعیین هویت چسبندگی مواد مشابه یا نا مشابه ,چه از نظر طراحی و چه از نظر تطابق در اتصال سرامیکها, عوامل مهمی هستند. چسبندگی اغلب بر اساس تنش مورد نیاز برای جداسازی مواد از هم , اندازه گیری می شود که در هر دو مورد زیر مفید است:
1) تعیین رتبه بندی نسبی چسبندگی میان سیستم ها
2) تشریح کنترل کیفیت در طول فراوری
اما از آنجا که تنش شکست سیستم های ترد تحت تاثیر دو عمل,مقدارو اندازه تخلخل ها و چسبندگی واقعی ,قرار دارد آزمایش استحکام نمی تواند چسبندگی واقعی سیستم را تعیین کند.
خواص الکتریکی اتصالات نیز بسیار اهمیت دارد که در موارد ذیل باید مورد توجه قرار گیرد:
خواص الکتریکی در اتصال بین دو فلز و بین سرامیک – فلز و بین سرامیک – سرامیک
سطوح آزاد و اتصالات (فصل مشترک) بین دو ماده غیر یکسان دارای ویژگی الکتریکی متفاوتی است .خواص حجمی انها می باشد . نیاز به برقراری اتصال بین  فلز و دیگر قطعات الکتریکی و یا اتصال کنترل شده دو نیمه هادی متفاوت به یکدیگر بحدی است که مطالعات فروانی به این زمینه اختصاص یافته تا بتوان درک بهتری از رفتار سیستم در شرایط تعیین شده داشت.
 
نتیجه گیری
در یک جمع بندی کلی می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
- اهمیت روز افزون سرامیکهای مهندسی و کاربرد آنها
- اهمیت بر قراری اتصال بین قطعات در طراحی های مهندسی
- روشهای اتصال سرامیک – سرامیک و سرامیک –فلز
- بحث و بررسی مسائل در طراحی اتصال سرامیکها
- بررسی خواص پس از اتصال و مثالهایی از کاربرد اتصال سرامیکها