پارامترهای فرآیند اتصال فاز مایع گذرا Process Parameters of TLP

اصولا زمان اتصال باید به اندازه کافی باشد تا کل مذاب تشکیل شده در منطقه اتصال به طور همدما منجمد گردد. باقیماندن مقداری مذاب در این منطقه در هنگام سرد کردن از دمای اتصال، باعث می شود که منطقه ای با ساختار یوتکتیکی در خط مرکزی اتصال به وجود آید که این منطقه علاوه بر پایین آوردن دمای کاری قطعه، (چون این منطقه نقطه ذوب پایینی دارد) باعث افت خواص مکانیکی و خوردگی اتصال هم می شود. به علاوه، در صورتی که بعدا بخواهیم این منطقه را از بین ببریم، مجیوریم این کار را در دمایی پایین تر از دمای اتصال انجام دهیم که به دلیل کاهش سرعت نفوذ در دماهای پایین تر، زمان فرآیند بسیار طولانی می شود و هزینه فرآیند بسیار بالا می رود.

شکل 1 نمونه ای از تشکیل ساختار یوتکتیکی در اتصال یک آلیاژ پایه نیکل با لایه واسط حاوی بور را نشان می دهد. این 

ساختار مسیر کم مقاومتی را برای جوانه زنی و اشاعه ترک فراهم می کند و بنابراین باید از آن اجتناب شود.

یکی از مواردی که در انتخاب دمای اتصال باید در نظر داشت، اجتناب از تشکیل ترکیبات بین فلزی است. (2) اگر چه عناصر کاهنده نقطه ذوب همچون بور یا فسفر که در لایه واسط وجود دارند دارای ضریب دیفوزیون بالایی در دماهای بالا هستند اما این عناصر معمولا با عناصر موجود در فلز پایه تشکیل ذرات بین فلزی را می دهند که که این ترکیبات سرعت نفوذ را به شدت کاهش می دهند و بنابراین تا جای ممکن باید از تشکیل آنها اجتناب شود. شکل 2 دیاگرام تعادلی پالادیوم سرب را نشان می دهد. در این شکل دیده می شود که در دمای T1 در فصل مشترک فاز مایع تشکیل خواهد شد اما برای آنکه سرب بتواند به داخل فاز زیرلایه (پالادیوم) نفوذ کند باید از سد پنج ترکیب بین فلزی عبور کند در حالی که با انتخاب دماهای T2 و T3 به ترتیب به دو و یک ترکیب بین فلزی برخورد خواهیم کرد. در دمای T4 علاوه بر اینکه حلالیت نسبتا بالای سرب در پالادیوم جامد را داریم، هیچ ترکیب بین فلزی ای هم در دمای اتصال تشکیل نمی شود و در نتیجه، سرعت فرآیند انجماد همدما به طرز قابل ملاحظه ای افزایش خواهد یافت.

اما مسئله همیشه به این سادگی نیست. نتایج تجربی در مواردی خلاف این پیش بینی به ظاهر مسلم را نشان می دهند. در یک مورد (10)، در اتصال یک سوپر آلیاژ پایه نیکل، بالا رفتن دمای اتصال از 1175C به 1190C باعث شده است که انجماد همدما که در دمای پایین تر در 420 دقیقه کامل شده است، در دمای بالاتر در همین مدت تکمیل نگردد.(شکل 13) در موردی دیگر، (12) افزایش دما باعث کند شدن نرخ افزایش سرعت فرآیند شده است. در موردی دیگر، دمایی که انجماد همدما در کوتاه ترین زمان ممکن رخ می دهد، پیدا شده است. (13)در این گونه موارد، تفاوت در طبیعت و ترکیب فازهای تشکیل شده در دماهای مختلف، میتواند دلیلی بر کاهش سرعت فرآیند با بالارفتن دما باشد.

در مواردی (14) هم ممکن است برای تسریع در تبلور مجدد در فصل مشترک اتصال (در عملیات بعدی همگن سازی)، دمای اتصال پایین تر (به دلیل بیشتر بودن انرژی کرنشی لازم برای تبلور مجدد) ترجیح داده شود.

همگن سازی با از میان بردن (یا کم کردن) گرادیان ترکیب شیمیایی در منطقه اتصال و نزدیک کردن ترکیب شیمیایی این منطقه به ترکیب شیمیایی فلز پایه، باعث بالا رفتن دمای کاری، خواص مکانیکی، و مقاومت به خوردگی مجموعه اتصال یافته می گردد. به عنوان نمونه، (15) در یک مورد در اتصال یک سوپرآلیاژ پایه کبالت، همگن سازی باعث شده است که انرژی شکست اتصال به میزان حدود 50 درصد نسبت به حالت همگن نشده افزایش یابد. (شکل 5)

در مواردی دیده شده است که افزایش بیش از حد دما یا زمان پس از تکمیل انجماد همدما، به دلیل اثرات ثانویه ای همچون افزایش اندازه دانه، موجب کاهش جزئی استحکام اتصال شده است. یک نمونه از چنین مواردی در شکل 6 دیده می شود.

هرچه گرم کردن قطعه تا دمای اتصال سریع تر صورت گیرد، زمان اندکی برای نفوذ بین لایه واسط و زیر لایه وجود دارد و در نتیجه ضخامت بحرانی کاهش می یابد. امکان استفاده از یک لایه واسط نازک تر که با سرعت های بالای گرم کردن حاصل می شود، زمان لازم برای تکمیل فرآیند انجماد همدما را کاهش می دهد. این مسئله برای سیستم مس-قلع در شکل 7 تشریح شده است.

دیده شده است که افزایش فشار تا حد معینی، باعث کم شدن عرض اتصال به دلیل رانده شدن فاز مایع از فضای بین دو سطح اتصال می شود و پس از آن حد معین، فشار تاثیری بر عرض اتصال نخواهد داشت. (17) نمونه ای از نتایج حاصل از افزایش فشار گیره ها بر عرض اتصال در شکل 8 دیده می شود.

در موردی (17) علاوه بر کاهش عرض گیره ها، افزایش فشار باعت کاهش ناخالصی ها در فصل مشترک اتصال شده است. (شکل 9) همچنین نقل شده است که اعمال فشاری برابر 9.8 مگاپاسکال بر اتصال مس با لایه واسط مس-فسفر، باعث افزایش انرژی ضربه شارپی شده است.

اگر چه بیشتر فرآیندهای بریزینگ نفوذی در اتمسفر خلا انجام می شوند اما در مواردی از اتمسفرهای دیگر هم استفاده شده است. در یک مورد (18) دیده شده است که استفاده از گاز آرگون به جای خلا، باعث ظهور حفرات در محل اتصال کاهش شدید استحکام برشی اتصال گردیده است که دلیل آن را به وجود ناخالصی در گاز آرگون استفاده شده، نسبت داده اند.(شکل 10)