لایه واسط در فرآیند اتصال فاز مایع گذرا Interlayer in TLP

لایه واسط به فرم های گوناگونی مورد استفاده قرار گرفته است از جمله:

• فویل نازک (ورق نورد شده)
• فویل آمورف
•  پودر ریز (با یا بدون عامل اتصال دهنده)
• پودر فشرده (ساخته شده توسط زینترینگ، پرس ایزوستاتیک سرد، و ..)
• خمیر بریزینگ
• یک فرآیند رسوب نشانی بخار فیزیکی مثل اسپاترینگ
• الکتروپلیتینگ
• بخار کردن یک عنصر از ماده زیرلایه برای تشکیل یک سطح جلادار و صیقلی (glazed surface)

پارامتر مهم دیگر فرآیند، ضخامت لایه واسط است که اثر زیادی روی زمان و کیفیت اتصال دارد. اولین ملاحظه ای که در این رابطه باید صورت بگیرد این است که ضخامت لایه واسط بیشتر از ضخامت بحرانی باشد.

ضخامت بحرانی: همانطور که در سینتیک واکنش گفته شد، ضخامت فازمذاب تشکیل شده هنگام رسیدن مجموعه به نقطه ذوب لایه واسط کمتر از ضخامت اولیه لایه واسط است. حال چنانچه پیش از رسیدن به این دما، نرخ نفوذ زیاد بوده یا آهنگ گرم کردن آهسته باشد، بخش زیادی از لایه واسط به درون فلز پایه نفوذ می کند که اگر این شرایط با ضخامت اولیه خیلی کم لایه واسط همراه باشد، ممکن است پیش از رسیدن به نقطه ذوب لایه واسط، تمام لایه واسط به درون فلز پایه نفوذ کرده و در نتیجه هیچ فاز مایعی در فصل مشترک تشکیل نگردد و از آنجایی که در این فرآیند، تشکیل فاز مایع برای ایجاد اتصال الزامی است، در این شرایط حدی، اتصال مناسبی ایجاد نخواهد شد.

فرآیند دیگری که بر ضخامت بحرانی در سیستم مس-قلع اثر می گذارد، تشکیل دانه های بین فلزی در فصل مشترک در هنگام گرم شدن مجموعه است. در صورتی که ضخامت لایه واسط از اندازه این دانه ها کوچکتر باشد، این دانه ها باعث باز شدن درز اتصال شده و در نتیجه مانع از پرشدن کامل این درز توسط فاز مایع می گردند و بنابراین، موجب پدید آمدن تخلخل در فصل مشترک می گردند.
روشن است که با کاهش نرخ گرم کردن، زمان ماندن قطعه در دماهای بالا پیش از رسیدن به دمای ذوب لایه واسط بیشتر شده در نتیجه مقدار نفوذ لایه واسط افزایش می یابد و دانه های بین فلزی پیش گفته بزرگ تر می شوند. نتیجه زیاد شدن ضخامت بحرانی با کاهش سرعت گرم کردن است. این مطلب با مدل های ریاضی هم نشان داده شده است. (5) (شکل 2)

علاوه بر این، دیده شده است (6)که در صورتی که حجم مذاب تشکیل شده کافی نباشد یا سیالیت این مذاب کم باشد، مذاب توانایی پر کردن کامل تمام خلل وفرج های بین دو سطح اتصال را نخواهد داشت که در این موارد حفرات ریزی در فصل مشترک اتصال به وجود می آیند. نمونه ای از این حالت، که در اتصال یک آلیاژ پایه نیکل با لایه واسط نیکلی حاوی 0.32 درصد وزنی بور به ضخامت 2 میکرون رخ داده است، در شکل 3 دیده می شود. در این گونه موارد باید ضخامت و سیالیت مذاب تشکیل شده را بالا برد تا درز اتصال به طور کامل پر گردد.

از طرف دیگر، بالا بردن بیش از حد ضخامت لایه واسط باعث طولانی شدن فرآیند انجماد همدما و همینطور افزایش وسعت منطقه متاثر از نفوذ می گردد (2) که اولی هزینه فرآیند را بالا می برد و دومی بر روی کیفیت اتصال اثر مخرب دارد.

در این فرآیند هم مشابه بسیاری از فرآیندهای دیفوزیونی دیگر، زمان تکمیل فرآیند انجماد همدما با توان دوم ضخامت لایه واسط رابطه مستقیم دارد. به عنوان نمونه، در دو مدل سازی متفاوت فرآیند، نتایج زیر بدست آمده است:

در هر دو رابطه، زمان تکمیل فرآیند انجماد همدما با tIS و ضخامت لایه واسط با W0 نشان داده شده است. و یا در جای دیگر (5) با استفاده از فرمول زیر:

زمان تکمیل انجماد همدما در اتصال غیر همجنس کامپوزیت زمینه آلومینیومی با قطعه سرامیکی از جنس آلومینا توسط لایه واسط مسی محاسبه گردیده است.(شکل 8)

همچنین دیده شده است (9) که بالا رفتن ضخامت لایه واسط، جدایش ذرات در اتصالات نمونه های کامپوزیت زمینه آلومینیومی را بیشتر کرده است و استحکام برشی اتصال را نیز کاهش داده است.

یکی ازمهمترین مراحل در طراحی یک اتصال مطلوب، انتخاب لایه واسط است که بر سایر پارامترهای فرآیند هم اثرگذار است.

اولین ویژگی لازم برای لایه واسط، پایین تر بودن دمای ذوب آن نسبت به فلز پایه است تا اتصال بدون ذوب کلی فلز پایه قابل انجام باشد. پایین آوردن دمای ذوب لایه واسط یا با افزودن عناصر کاهنده نقطه ذوب (با توجه به نمودار تعادلی) مثل بور، فسفر، و... صورت می گیرد و یا اینکه لایه واسط از ترکیبی انتخاب می گردد که با وجود بالا بودن نقطه ذوب آن، با تشکیل سیستم یوتکتیک با فلز پایه، فاز مایع در دمایی پایین تر تشکیل شود.

در صورت استفاده از عناصر کاهنده نقطه ذوب در لایه واسط، باید تا حد ممکن این عناصر دارای ضریب نفوذ بالایی در فلز زمینه باشند و بهتر است در حالت جامد، حد حلالیت بالایی در فلز پایه داشته باشند تا سرعت نفوذ بالا رفته و زمان انجماد همدما و همینطور زمان لازم برای همگن کردن اتصال کاهش یابد. مطالعات (2) نشان داده است که شکل نمودار تعادلی هم بر روی فرآیند اثرگذار است. در شکل 1 چهار حالت ممکن برای نمودار تعادلی نشان داده شده است. در این مطالعه فرض شده است که فاز پایه و لایه واسط یک سیستم دوتایی با حلالیت کامل در حالت جامد درست می کنند. همچنین فرض شده که لایه واسط و فلز پایه عناصر خالص هستند، ناحیه اتصال در حین گرمادهی دمای یکنواختی دارد، نرخ نفوذ در فاز مایع بینهایت است، وجبهه انجماد و ذوب زیرلایه تخت است. با این فرضیات، محاسبات نشان داده است که با افزایش ضریب جدایش، زمان تکمیل انجماد همدما کاهش یافته و سرعت همگن شدن ساختار بالا می رود. (شکل 1-a را با 1-b و شکل 1-c را با 1-d مقایسه کنید.) همچنین، سیستم هایی که دارای خط لیکوئیدوس با گودی به سمت پایین هستند مقدار ذوب برگشتی کاهش می یابد. (شکل های 1-a و 1-b را با شکل های 1-c و 1-d مقایسه کنید.)

دست آخر باید گفت که به طور کلی، بهتر است ترکیب شیمیایی لایه واسط تا حد ممکن شبیه به ترکیب فلز زمینه باشد چون در این صورت، همگن تر شدن ساختار سریع تر صورت گرفته و زمان اتصال کاهش می یابد.