Difüzyon Kaynağı Nedir?

Difüzyon kaynağı, katı hal kaynak usulleri içerisinde incelenir. Katı hal kaynağı ise; aynı ya da farklı iki malzemenin, malzemeler ergitilmeksizin katı yüzeyler arasında meydana gelen birleşme olarak tarif edilir.

Difüzyon kaynağı: Birleştirilmek üzere eşleşmiş iki yüzeyin, malzemelerin ergime noktaları altındaki bir sıcaklıkta, malzemelerde tespit edilebilir plastik akmaya sebep olmayan bir basınç altında, katı hal difüzyonu yoluyla malzemeler arasında metalürjik bir bağ oluşuncaya kadar, malzemenin özelliklerini önemli ölçüde etkilemeyecek bir süre tutulmasıyla uygulanan kaynak usulü olarak tarif edilir. Malzemelerin ara yüzeylerinde uygulanan sıcaklıkla eriyen bir ara tabaka kullanıldığı takdirde buna sıvı faz difüzyon kaynağı adı verilir.

Kristal yapıya sahip katı bir malzemenin atomları arasındaki çekim, kohezyon kuvvetlerini meydana getirir. Normal olarak her bir atom, üzerine tesir eden kuvvetin sıfır olduğu bir pozisyonu işgal eder. Katı, harici kuvvetlerin etkisiyle gerildiği zaman, atomlar denge pozisyonlarını terk ederler ve kristalin içinde, dış kuvvet tarafından dengelenen bir gerilme meydana gelir. Atomlar arasındaki çekim kuvveti, birbirlerinden uzaklaşma dereceleri ile orantılı olarak artar, bir maksimumdan geçer ve sonra azalır.

Farklı iki katılım yüzeyleri arasındaki çekim ise adhezyon olarak adlandırılır. Aynı ya da farklı iki katının bir araya getirilmesi, yüzeyleri arasında bağ oluştururken, aynı cins katı yüzeyler arasında kohezyon, farklı cins yüzeyler arasında adhezyon işi yapılmış olur. Kohezyon ve adhezyon işi serbest yüzey enerjisinin bir fonksiyonudur. Ayrıca iki gevrek malzeme ya da bir gevrek bir sünek malzemeden oluşan bir bağlantı için adhezyon işi, bağlantı mukavemetinin bir ölçüsüdür.

Adhezyon ve kohezyon kuvvetlerinin teşekkülü yani malzeme yüzeyleri arasında birleşmenin sağlanması için, malzeme yüzeylerinin atomlar arası bağın oluşabileceği yakınlıkta birbirlerine yaklaştırılmaları gerekir.

İki malzemenin difüzyonla birleştirilmesinde, birleştirmenin davranışını önemli ölçüde etkileyen diğer bir kuvvet de, kimyasal yapısına bağlı olmaksızın, moleküller arasında etki eden Van der Waals kuvvetleridir. Van der Waals kuvvetleri, gres, su buharı, gaz gibi metal yüzeyindeki yabancı moleküllerin absorbesinin baş sebebidir. Önerilen makale: mig kaynağı fiyatları hakkında detaylı bilgi almak için ilgili sayfayı ziyaret edebilirsiniz. Malzemelerin yüzeyleri temas ettirildiğinde Van der Waals kuvvetleri birleşmeyi sağlayan önemli unsurlardan biridir.

Difüzyon kontrollü birleşme işlemini başlatabilmek için, iki yüzey artıklarından ve makro pürüzlülüklerden arındırılmış bir şekilde temas haline getirilmelidir. Bu temas, atomlar arasında bağ oluşumuna imkan verecek bir yakınlıkta olmalıdır. İlk bağ oluştuktan sonra, sıcaklık yardımıyla difüzyon başlar ve yüzeylerin ara kesitteki boşlukları doldurulur. Difüzyon kaynağı mekanizmasıyla ilgili günümüze kadar birbirinden farklı birçok model sunulmuştur. Çünkü sınırlı bir süre için basınç ile ısının birlikte uygulanmasıyla bağ oluşturma mekanizmaları oldukça karmaşıktır.

Mekanizma ve modellerdeki ilişkiler her bir mekanizmanın boşluğun doldurulmasına farklı bir şekilde tesir ettiği farz edilerek geliştirilmiştir. Bu yaklaşım, mekanizmaların karşılıklı tesirlerini ihmal eder durumda olup, bağ oluşumu üzerinde bazı mekanizmaların tesislerinin abartılı tarzda tahminine yol açabilir. Araştırmacıların çalışmaları göz önünde bulundurulmak şartıyla, difüzyon kaynağı mekanizması şu şekilde genelleştirilebilir 

1- Yük altında plastik deformasyon
2- Sürünme deformasyonu
3- Difüzyon
4- Yeniden kristalleşme ve tane sınırı göçü

Metal folyo veya kaplama şeklindeki ara tabakaların kullanılarak, kaynak için gerekli sıcaklık, basınç ve zaman değerlerinin azaltmak mümkündür.

Kaynak Sıcaklığı 

Sürtünme ve difüzyon mekanizmaları sıcaklığa bağlı olduklarından sıcaklık difüzyon kaynağının en önemli parametresidir. Sıcaklık arttıkça ana malzemelerin akma gerilmeleri azalır. Böylece hem ilk plastik deformasyon, hem de yüzey pürüzlerinin sürünmeleri kolaylaşır. Dolayısıyla kaynak için gerekli temas alanını elde etme süresi azalır. 

Yüzey Şartları 

Difüzyon kaynağının kalitesine tesir eden yüzey şartları şunlardır. 

a - Yüzey pürüzlülüğü 
b - Yüzey filmleri 
c - Yüzey aralıkları 

Pürüzlülük yüzeyler arasında tam temasa ulaşmak için gereken süreyi etkiler. Pratikte, bir metal, yükseklik ve dalga boyu küçük olan yüzey pürüzlülüğüne sahiptir. Difüzyon kaynağında, özellikle, uzun dalga boyuna sahip pürüzler önemlidir. Çünkü bu durumda boşlukların yok edilmesi için, hem çok yönlü basınç uygulanması hem de uzun zamana gerek olacaktır. Çünkü difüzyon sıcaklık ve mesafeye bağlıdır. 
Haddelenmiş halde bilhassa ince levhalar, iyi bir yüzeye sahip olma açısından avantajlıdır. 

Yüzey pürüzleri birinci aşamada kalıntı gözeneklerin başlıca sorumlusudur. Pürüzlülük sıcaklık ve deformasyonla artar. 

Yüzey artıkları deneysel değişenler olamamakla beraber, hemen hemen bütün yüzeylerde bazı şekillerde mevcutturlar. Bunlar iki gruba ayrılabilirler. 

1 - Normalde oldukça kırılgan olan oksit filmleri 
2- Yağ, gres, toz gibi organik ya da inorganik tabakalar. 

Oksit filmleri, yaklaşık 10-20 atom mertebesinde bir derinliğe nüfuz eden tabakalardır. Bütün sıcaklık değerlerinde H₂O₂, CO₂ ve SO₂ gibi gazlar, oksit film kalınlığını arttırmaktadır. Oksit tabakaları birleşecek yüzeylerin temasını önleyip, birleşme esnasında difüzyon yoluyla sinterlemeye yol açarak, bağ teşekkülünü geciktirir ve arakesitte tane sınırı difüzyonunu engelleyerek boşluk kalmasına sebep olur. Oluşması muhtemel, makro, mikro ve başlangıç teması boşluklarından sonuncusunun sebebi oksit filmleridir. 

Yüksek sıcaklıklarda (> 0,5 TE) birçok metal oksidi (Cu, Ti, Zr, Nb, Ta ve Mo gibi elementlerin oksitleri) ana metal içinde çözünür ya da dağılır. Dolayısıyla bağlantıya zarar vermez. AL₂O₃ gibi oksitlerle nitrür ve karbür filmleri ise metaller arası bağ oluşumuna engel olurlar. Yağ, gres, toz gibi artıklarda oksit filmleriyle aynı etkiye sahiptirler. Dolayısıyla kaynaktan önce yüzeyden uzaklaştırılmaları gerekir. Oksit filmlerinin kaldırılması için, kimyasal dağlama ve asitle temizleme yöntemleri kullanılır. Diğer artıklar 300°C ye kadar sıcaklıkta kurutulmak suretiyle yüzeyden uzaklaştırılır. 

Kaynak Basıncı 

Difüzyon kaynağında basınç, iki yüzey arasında teması ve difüzyon işlemini başlatmak üzere kimyasal bir potansiyel farkı oluşturmak için gereklidir. Yüzey oksitlerini kırmadan temas başlatmak mümkün değildir. Kaynak esnasında uygulanması gereken basınç, difüzyon kaynağına aşağıdaki şekillerde tesir eder. 

1 - Çözülmesi mümkün olmayan yüzey oksitlerini kırar ve metalin metalle temas alanını artırır. 
2 - Birleşecek yüzeyleri birbirlerine atomlar arası mesafede yaklaştırarak, atomlar arası çekim kuvvetini faaliyete geçirir. 
3 - Difüzyon için kimyasal potansiyel farkı meydana getirir. 
4- Yüzey pürüzlerinin plastik akmasına yardım eder. 

Tüm bunların yanında uygulanan basıncın olumsuz tesirlere sebep olmaması için bazı hususlara dikkat edilmesi gerekir. Bu hususlar: 

1 - Kaynak basına birleştirilecek parçaların plastik hacim deformasyonunu en aza indirmek için, akma gerilmesinin altında tutulur. 
2 - Uygulanacak basınç izostatiktir. Araştırmacılar basıncın uygulanma hızının kaynak deformasyonu veya mukavemeti üzerinde önemli bir tesiri olmadığını bildirmişlerdir.
3 - Uygulanacak basınç, yüzey pürüzlerinin sürünrne hızı ve plastik deformasyonunu arttıracak kadar büyük, kaynak edilecek parçaların makroskobik deformasyonuna yol açmayacak kadar düşük seçilmelidir. 

Günümüze kadar difiizyon kaynağında çeşitli malzemeler için uygulanan basınç değerleri 41 Kpa ile 27 MP'a arasındadır.

Kaynak Süresi 

Düzgün bir kaynak elde etmek için gerekli süre, sıcaklık ve basınca bağlıdır. Kaynak süresi sıcaklık ve basınç artırılarak azaltılabilir. Kirli yüzeyler ve düşük sıcaklıklarda çalışıldığında süre uzatılmalıdır. Sabit basınç ve sıcaklıkta birleştirme süresini uzatmanın bağlantı mukavemetini bir noktaya kadar arttırdığı araştırmacılar tarafından ortaya çıkarılmıştır. Metaller arası bileşiklerin meydana gelmesi, tane büyümesi, süperplastik şekillenme performansı ve bağlantı mukavemeti süre arttıkça olumsuz bir şekilde meydana gelmektedir. Metalürjik tesirlerin birleşme süresi üzerinde fazla etkili olmadığı tespit edilmiştir Pratik uygulamalarda birleşme süresini kısa tutmak, ekonomiklik ve gelişme açısından önemlidir. 

Kaynak Ortamı
 
Difüzyon kaynağında parça yüzeylerini ve arakesitte oluşacak oksidasyonu önlemek için koruyucu bir atmosfer altında kaynak işlemini gerçekleştirmek gerekir. Bu amaçla ya vakum altında ya da bir soygaz atmosferinde kaynak işlemi gerçekleştirilir.

Soygaz olarak argon, azot veya helyum gazları ya da bunlardan herhangi birisi kullanılabilir. Oksijen miktarını en aza indirmeye yardım eden hidrojende redükleyici bir atmosfer ortamı olarak düşünülebilir Ancak hidrojen, titanyum, zirkonyum, hatmiyum, kolombiyum ve tantal alaşımlarında hidrat oluşturduğundan bu malzemelerin kaynağında tercih ve tavsiye edilmez. 

Soygazlar atmosferdeki oksijenin tesirini belirli bir dereceye kadar azalttığından, kararlı oksitlere sahir metallerde vakum kullanılmamaktadır. 

Birleştirilecek Malzemelerin Tane Boyutlan ve Mikro Yapıları 

Difüzyon kaynağına tesir eden birçok yapı vardır. Bunlar, mikroyapı, tane boyutu ve ilave metal (ara tabakası) kullanılması şeklinde sınıflandırılabilir. Çift fazlı titanyum alaşımları üzerinde yapılan araştırmalar farklı mikro yapıların farklı sürtünme hızına sahip olduklarını göstermiştir. Bu yapılar: 

1 - İnce taneli küre, 
2 - Lamelli, 
3 - Tabaka tipi olmak üzere üç grupta incelenir.

Difüzyon kaynağı için en ideal yapının ince taneli yapı olduğu tespit edilmiştir. 

Bu yapı süper plastik alaşımlarda mevcuttur. Tabaka şeklinde taneler arttıkça sürünme hızı azalmakta ve sonuçta arakesitte boşluklar kalmaktadır. 

Lamelli yapı diğer iki yapı ile karşılaştırıldığında, daha düşük sürünme hızına sahip olduğu görülür.

İki fazlı alaşımlar için, iki fazın oranı difüze olabilme ve sertlik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Yüksek difüzyon hızına sahip fazın, düşük sürünme hızına sahip faza oranı, sıcaklığın tesiriyle arttıkça bağ oluşumu olumlu yönde etkilenmektedir. Colvo alüminyum ve bakımı difüzyon kaynağı üzerinde çalışmış, katı halde birbiri içinde tamamen çözünmeyen bu metalleri, bilhassa, intermetalik bileşiklerin ve ara tutam oluşması açısından inceleyerek başlangıçtaki mikro yapının, bu tür istenmeyen yapıların meydana gelmesinde etkili olduğunu göstermiştir. 

Tane boyutunun hem kaynak esnasında, hem de kaynak sonrasında bağlantının mukavemeti açısından büyük önemi vardır kaynağın ilk safhalarında boşluklar daha çok tane sınırıyla kesişir. Dolayısıyla boşluğu önlemek için birden çok tane sınırı etki eder. Atomlar bu tane sınırlarından boşluğa difüze olarak onu küçültürler. 

Tane boyutu küçülüp, tane sayısı arttıkça, boşlukların difüzyonla doldurulması kolaylaşmakta ve arakesitte kalması ihtimali azalmaktadır. Difüzyon kaynağında birleşme işlemini hızlandırmak, bağlardım mekanik özelliklerini geliştirmek veya birbirinden farklı metal, metal olmayan (seramik, cam, kompozit vb.) malzemelerin kaynağında karşılıklı difüzyon oluşturmak için ara malzeme kullanılır. 
Genel olarak ilave (ara) malzemenin kaynaktaki faydaları şunlardır.

1 - Mekanik bağ oluşturmak için ana metalde çözünme. 
2 - Birbirlerinden farklı malzemelerin birleştirilmesi halinde intemetalik fazların oluşumunu önlemek. 
3 - Ön ısıtma esnasında, yüksek sıcaklıklarda birleştirilecek yüzeyleri oksidasyona karşı korumak. 
4 - Elektro-kaplama veya iyon kaplama ile malzemenin difüzyon özelliklerini geliştirmek. 
5 - Düşük alana gerilmeli malzeme ya da sıvılar ihtiva eden bölgeler oluşturarak, oksit filmlerinin bozulmasını sağlamak. 
6 - Arakesit boşluklarında, geçici sıvı fazlar oluşturarak yüzey pürüzlerinin olumsuz tesirlerini en aza indirmek.
 

Günümüzde difüzyon kaynağı çok sayıda ve değişik malzemeye farklı alanlarda ve amaçlarla geniş bir şekilde uygulanmaktadır. En başarılı ve yaygın uygulama titanyum alaşımlarından uçak parçaları yapımında görülmektedir. Son zamanlarda Ti-alüminidleri, yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları, Ni esaslı alaşımlar, metal matrisli kompazitler difüzyon kaynağı ile birleştirilmiştir. 

Diğer malzemelere de uygulanmakta beraber, difüzyon kaynağının en çok uygulandığı metal titanyumdur. Titanyum alaşımları ara malzemeye ihtiyaç göstermeden kolayca kaynatılabilmektedir. 

Titanyumun difüzyon kaynağına elverişli olmasının sebebi kendi oksidi de dahil olmak üzere, yüzey atıklarını, yüksek sıcaklıklarda basınç uygulandığı zaman çözeltiye alabilme kabiliyetidir.

Titanyumu difüzyon kaynağı açısından kaynağa elverişli kılan diğer bir husus da yüzeyinin temizlemeye ihtiyaç göstermemesidir. Titanyumun ergime kaynağına uygun olmaması da, bu metalin difüzyon kaynağı ile birleştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Süperplastik titanyum alaşımları 880°C ile 940°C sıcaklıklarda 0,6 ile 2 MPa basınç altında 3 saat içinde kolayca birleştirilebilmektedir. 

Ti alaşımlarının difilzyon kaynağında kullanılan ara tabakalar, saf titanyumdan oluşmaktadır. Ti alaşımmdan mamül fan kanatçdclarmın difiizyonla lehimlenmesinde ise Cu ve Ni ara tabakalar kullanılmaktadır. İri taneli titanyum alaşımları için, düşük basınç altında ince taneli süperplastik bir Ti alaşımı ara tabaka olarak kullanıldığında mukavim bir komşu metal elde edilmektedir. 

Ti alaşımlarının difüzyon kaynağında kullanılan ara tabakalar, saf titanyumdan oluşmaktadır. Ti alaşımından mamul fan kanatçıklarının difüzyonla lehimlenmesinde ise Cu ve Ni ara tabakalar kullanılmaktadır. İri taneli titanyum alaşımları için, düşük basınç altında ince taneli süperplastik bir Ti alaşımı ara tabaka olarak kullanıldığında mukavim bir komşu metal elde edilmektedir. 

Alüminyum alaşımlarının difüzyon kaynağı, inatçı yüzey oksitleri yüzünden güçleşmektedir Bununla beraber, birleşme bölgesinde yüksek sıcaklık ve büyük ölçekli deformasyon uygulanmasının, inatçı oksit tabakalarını kırdığı ve yüzey kaplama ya da ara tabaka kullanılması ile daha düşük basınç altında difilzyon kaynağı yapmanın kolaylaştığı tespit edilmiştir. Öte yandan, süperplastik alüminyum alaşımlarının ve Al-metal matrisli kompozitlerin geliştirilmesi, yüksek mukavemetli difüzyon kaynağı ihtiyacını arttırmaktadır.
 

Difüzyon kaynağı günümüzde iki maksatla yapılmaktadır. 

a - Bilimsel çalışmalar için, araştırma gayesiyle. 
b - Mevcut bir tekniği kullanarak bir parçayı üretmek için. 

Bunlardan birinci ile teste tabii tutulabilecek difüzyon kaynağı tipleri geliştirilirken, ikincisi ile istenen elemanı elde etmek mümkün olur. 

Birleştirilen malzemeler arasında ilave bir malzeme kullanılıp kullanılmamasına göre difüzyon kaynağı: 

1 - Difüzyon lehimleme (Folye kullanılan). a - Tek ara tabaka kullanılan diffizyonla lehimleme. b - Birden çok ara tabaka kullanılan difilzyonla lehimleme. 
2- Ani sıvı toz kaynağı
3- Direkt difüzyon kaynağı 

Difüzyonla lehimlemede birleştirilecek yüzeyler arasına, ergime sıcaklığı ana malzemeninkinden daha düşük, levha şeklinde bir ilave malzeme yerleştirilir. Çok katlı ara tabakalar, hem termal gerilmeyi, hem de diğer gerilmeleri giderici ek bir etkiye de sahiptirler. Ani sıvı faz kaynağını, ilk safhasında hızlı ısıtmayla yüzeylerden biri ya da her ikisinin basınç altında çok kısa bir süre için ergitilip hızla soğutulduğu bir difüzyon kaynağı olarak tanımlamaktadır. Hem difüzyon lehimleme, hem de difüzyon kaynağında yüzeylerin çok hassas bir şekilde işlenmiş olmaları gerekirken ani sıvı faz kaynağında 80 numara zımpara ile ya da hassas tornalama ile işlenmesinin yeterli olduğu bilinmektedir. 

Difüzyon kaynağı uygulama ortamına göre de iki grupta incelenir. 

1 - Koruyucu gaz atmosferinde difüzyon kaynağı. 
2 - Vakum altında difüzyon kaynağı. 

Endüstriyel amaçlarla uygulanan difüzyon kaynakları, büyük kütleli parçalara uygulanan difüzyon  kaynağı ve ince plakalara uygulanan difüzyon kaynağı diye iki grupta incelenir. Büyük kütleli difüzyon kaynağı, kalın kesitli, işlenmiş parçaların mekanik olarak basınç altında birleştirilmesini ihtiva etmektedir. Japon araştırmacılar, Ti-6AI-4V alaşımından bir çok uçak parçasını 10'3 Pa vakum altında, 900°C sıcaklıkta, 2,94 MPa bir basınç uygulayarak 2 saatte kaynak etmişlerdir Difüzyon kaynağı ile üretilen ağır parçalar malzeme kullanım ve masraflarını azaltmak üzere, karmaşık şekilli işlenmiş ya da dövülmüş parçaları yerini almaktadırlar. 

Difüzyon kaynağı uygulamalarında, kaynak atmosferi olarak, hava, soygaz ya da vakum, basınç olarak mekanik, hidrolik, izostatik, diferansiyel termal genleşme şeklinde uygulamaktadır. Isıtma ise dirençle, atmosfer kontrollü fırında ya da endüksüyon bobini ile yapılabilmektedir.