الربط الانتشارى

اللحام الانتشارى هو تقنية لحام في الحالة الصلبة تُستخدم في تشكيل المعادن، وهي قادرة على وصل المعادن المتشابهة والمختلفة. وتعتمد هذه التقنية على مبدأ الانتشار في الحالة الصلبة، حيث تتداخل ذرات سطحين معدنيين صلبين مع مرور الوقت. ويتم ذلك عادةً عند درجة حرارة مرتفعة، تتراوح بين 50% و75% من درجة انصهار المواد. [ ^{1 ] [ 2 ] كما} يمكن الحصول على رابطة ضعيفة عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 3 ]} يُنفذ اللحام الانتشارى عادةً بتطبيق ضغط عالٍ، بالتزامن مع درجة حرارة عالية، على المواد المراد لحامها؛ وتُستخدم هذه التقنية بشكل شائع في لحام طبقات متناوبة من رقائق معدنية رقيقة وأسلاك أو خيوط معدنية. ^{[ 4 ]} حاليًا، تُستخدم طريقة اللحام الانتشارى على نطاق واسع في وصل المعادن عالية القوة والمقاومة للحرارة في صناعات الطيران ^{[ 1 ]} والطاقة النووية.

تُعدّ عملية اللحام بالانتشار تقنية عريقة تعود لقرون مضت. ويمكن إيجادها في شكل "الذهب المعبأ"، وهي تقنية تُستخدم لربط الذهب والنحاس في صناعة المجوهرات وغيرها من التطبيقات. ولصنع الذهب المعبأ، يبدأ الصاغة بتشكيل كمية من الذهب الخالص إلى صفيحة رقيقة من رقائق الذهب. ثم توضع هذه الصفيحة على قاعدة نحاسية وتُثبّت بثقل. وأخيرًا، باستخدام عملية تُعرف باسم "اللحام بالضغط الساخن" أو HPW، يُوضع هذا التركيب (الثقل/النحاس/الذهب) داخل فرن ويُسخّن حتى يلتصق الذهب بالقاعدة النحاسية بشكل كامل. ^{[ 5 ]}

وصف العالم السوفيتي إن إف كازاكوف الأساليب الحديثة في عام 1953. ^{[ 6 ]}

لا تتضمن عملية اللحام بالانتشار أي انصهار سائل، وغالبًا لا تتطلب استخدام معدن حشو. لا يُضاف أي وزن إلى الوزن الإجمالي، وتتميز الوصلة بقوة ومقاومة حرارية مماثلة للمعادن الأساسية. لا تتعرض المواد لأي تشوه لدني، أو تتعرض لتشوه طفيف جدًا . ينتج عن هذه العملية إجهاد متبقٍ ضئيل للغاية، ولا يحدث أي تلوث من عملية اللحام. نظريًا، يمكن تطبيق هذه العملية على سطح وصلة بأي حجم دون زيادة في وقت المعالجة، إلا أنه عمليًا، يميل السطح إلى أن يكون محدودًا بالضغط المطلوب والقيود الفيزيائية. يمكن تطبيق اللحام بالانتشار على معادن متشابهة ومختلفة، ومعادن نشطة حراريًا ومعادن مقاومة للحرارة، أو قطع ذات سماكات متفاوتة.

نظراً لتكلفتها العالية نسبياً، تُستخدم تقنية اللحام بالانتشار في أغلب الأحيان في التطبيقات التي يصعب أو يستحيل لحامها بوسائل أخرى. ومن الأمثلة على ذلك لحام المواد التي يستحيل عادةً وصلها بالصهر السائل، مثل الزركونيوم والبريليوم ؛ والمواد ذات درجات الانصهار العالية جداً مثل التنجستن ؛ والطبقات المتناوبة من معادن مختلفة يجب أن تحافظ على قوتها عند درجات حرارة عالية؛ وهياكل رقائق معدنية رقيقة جداً ذات بنية قرص العسل. [ ^{7 ] [ 8 ] [ 9 ] غالباً} ما تُستخدم تقنية اللحام بالانتشار في سبائك التيتانيوم، حيث يمكن إذابة طبقة الأكسيد الرقيقة وانتشارها بعيداً عن أسطح اللحام عند درجات حرارة تتجاوز 850 درجة مئوية.

يتحدد الانتشار في حالة الاستقرار بكمية تدفق الانتشار الذي يمر عبر مساحة المقطع العرضي للأسطح المتلامسة. وينص قانون فيك الأول للانتشار على ما يلي:

${\displaystyle J=-D(dC/dx),}$

حيث J هو تدفق الانتشار، وD هو معامل الانتشار، و dC / dx هو تدرج التركيز عبر المواد المعنية. تشير الإشارة السالبة إلى حاصل ضرب التدرج. وينص قانون فيك بصيغة أخرى على ما يلي:

${\displaystyle J=M/(At),}$

حيث تُعرَّف M إما بكتلة أو كمية الذرات المنتشرة، وA هي مساحة المقطع العرضي، و t هو الزمن اللازم. وبمساواة المعادلتين وإعادة ترتيبهما، نحصل على النتيجة التالية:

${\displaystyle t=-(1/D)(M/A)(dC/dx)^{-1}.}$

بما أن الكتلة والمساحة ثابتتان لمفصل معين، فإن الوقت اللازم يعتمد بشكل كبير على تدرج التركيز، الذي يتغير بمقادير طفيفة فقط عبر المفصل، وعلى معامل الانتشار. ويُحدد معامل الانتشار بالمعادلة التالية:

${\displaystyle D=D_{0}e^{-Q_{\text{d}}/RT},}$

حيث Q _{_d} هي طاقة التنشيط للانتشار، وR هو ثابت الغازات العام ، وT هي درجة الحرارة الديناميكية الحرارية التي تحدث أثناء العملية، و D _₀ هو عامل أسي مسبق مستقل عن درجة الحرارة ويعتمد على المواد المراد وصلها. بالنسبة لوصلة معينة، فإن الحد الوحيد في هذه المعادلة الذي يمكن التحكم فيه هو درجة الحرارة. ^{[ 10 ]}

عند وصل مادتين متشابهتين في البنية البلورية، يتم إجراء اللحام الانتشارى بتثبيت القطعتين المراد لحامهما بحيث تتلامس أسطحهما. قبل اللحام، يجب صقل هذه الأسطح للحصول على سطح أملس قدر الإمكان ضمن حدود التكلفة، مع الحرص على خلوها من الملوثات الكيميائية أو أي شوائب أخرى. قد تمنع أي مادة فاصلة بين السطحين المعدنيين انتشار المادة بشكل كافٍ. تُصنع أدوات خاصة لكل عملية لحام لربط آلة اللحام بقطع العمل. ^{[ 11 ]} بعد التثبيت، يُطبق الضغط والحرارة على المكونات، عادةً لعدة ساعات. تُسخن الأسطح إما في فرن أو باستخدام المقاومة الكهربائية. يمكن تطبيق الضغط باستخدام مكبس هيدروليكي عند درجة حرارة معينة؛ تتيح هذه الطريقة قياسات دقيقة للحمل الواقع على الأجزاء. في الحالات التي يجب فيها عدم وجود تدرج حراري على الأجزاء، يمكن استخدام التمدد الحراري التفاضلي لتطبيق الحمل. بتثبيت الأجزاء باستخدام معدن منخفض التمدد (مثل الموليبدينوم )، ستوفر الأجزاء حملها الخاص من خلال التمدد بشكل أكبر من معدن التثبيت عند درجة الحرارة. تشمل الطرق البديلة لتطبيق الضغط استخدام الأوزان الثابتة، وفرق ضغط الغاز بين السطحين، وأجهزة التعقيم بالضغط العالي. يجب إجراء عملية اللحام الانتشارية في بيئة مفرغة أو مملوءة بغاز خامل عند استخدام معادن ذات طبقات أكسيد قوية (مثل النحاس). تُعد معالجة السطح، بما في ذلك التلميع والحفر والتنظيف، بالإضافة إلى ضغط الانتشار ودرجة الحرارة، عوامل مهمة في عملية اللحام الانتشارية. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}

على المستوى المجهري، يحدث الترابط الانتشارى في ثلاث مراحل مبسطة: ^{[ 12 ]}

• تشوه النتوءات المجهرية: قبل أن تتلامس الأسطح تمامًا، تتلامس النتوءات (عيوب سطحية صغيرة جدًا) على السطحين وتتشوه تشوهًا لدنًا. ومع تشوه هذه النتوءات، تتشابك فيما بينها، مشكلةً أسطحًا فاصلة بين السطحين.
• نقل الكتلة المتحكم فيه بالانتشار - ارتفاع درجة الحرارة والضغط يؤدي إلى تسارع الزحف في المواد؛ تهاجر حدود الحبيبات والمواد الخام وتتقلص الفجوات بين السطحين إلى مسامات معزولة.
• انتقال الواجهة - تبدأ المادة في الانتشار عبر حدود الأسطح المتجاورة، مما يؤدي إلى مزج حدود هذه المادة وإنشاء رابطة.

• يتمتع السطح المُلصق بنفس الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للمادة الأساسية. بعد اكتمال عملية اللصق، يمكن اختبار الوصلة باستخدام اختبار الشد على سبيل المثال.
• تتميز عملية الربط بالانتشار بقدرتها على إنتاج وصلات عالية الجودة حيث لا توجد فواصل أو مسامية في السطح البيني. ^{[ 13 ]}
• تتيح عملية الربط بالانتشار تصنيع مكونات عالية الدقة ذات أشكال معقدة.
• يمكن استخدام طريقة الربط بالانتشار على نطاق واسع، لربط المواد المتشابهة أو غير المتشابهة، وهي مهمة أيضًا في معالجة المواد المركبة.
• لا تُعدّ هذه العملية صعبة للغاية، كما أن تكلفة إجراء عملية الربط الانتشارية ليست مرتفعة. ^{[ 14 ]}
• المادة التي تخضع للانتشار قادرة على تقليل التشوه اللدن.

تُستخدم تقنية اللحام الانتشارية بشكل أساسي لتصنيع أشكال معقدة في صناعات الإلكترونيات والفضاء والطاقة النووية والموائع الدقيقة. وهي فعالة في إنتاج الأجزاء ذات القنوات الدقيقة . ونظرًا لأن هذه التقنية تستغرق وقتًا طويلًا مقارنةً بتقنيات الربط الأخرى، مثل اللحام الانفجاري ، تُصنع الأجزاء بكميات صغيرة، وغالبًا ما تكون عملية التصنيع مؤتمتة بالكامل. مع ذلك، يمكن تقليل الوقت اللازم للتصنيع تبعًا للمتطلبات المختلفة. في محاولة لتقليل عدد المثبتات وتكاليف العمالة وعدد الأجزاء، تُستخدم تقنية اللحام الانتشارية، بالتزامن مع التشكيل فائق اللدونة ، أيضًا في تصنيع أشكال الصفائح المعدنية المعقدة. تُكدس عدة صفائح فوق بعضها البعض وتُلصق في أقسام محددة. ثم توضع المجموعة في قالب، حيث يعمل ضغط الغاز على تمديد الصفائح لملء القالب. غالبًا ما تُستخدم سبائك التيتانيوم أو الألومنيوم في تصنيع الأجزاء اللازمة لصناعة الطيران والفضاء. ^{[ 15 ]}

تشمل المواد الشائعة التي تُستخدم في اللحام التيتانيوم والبريليوم والزركونيوم . في العديد من الطائرات العسكرية، يُسهم اللحام الانتشارى في ترشيد استهلاك المواد الاستراتيجية باهظة الثمن وخفض تكاليف التصنيع. تحتوي بعض الطائرات على أكثر من 100 قطعة ملحومة بالانتشارى، بما في ذلك هياكل الطائرات ، وتركيبات المشغلات الداخلية والخارجية، ومحاور عجلات الهبوط ، وإطارات المحركات .

• كالبكجيان، سيروب، شميد، ستيفن ر. "هندسة وتكنولوجيا التصنيع، الطبعة الخامسة"، الصفحات  771-772

• "المعادن غير الحديدية المصبوبة: اللحام في الحالة الصلبة"، في "مفتاح المعادن".
• مناقشة ممتازة حول الترابط الانتشارى بقلم أمير شيرزادي لصالح المركز البريطاني لتعليم المواد