Malzemelerin difüzyon ile birleştirilmesinde, bazı durumlarda çeşitli sebeplerle birleştirmeye yardımcı olan ara tabakalar kullanılır. Ara tabaka kullanımının başlıca nedenleri şunlardır:
1. Kaynak sıcaklığını düşürmek
2. Meydana gelecek olan deformasyonu ara yüzey bölgesinde kısıtlamak 3. İntermetalik oluşumunu en aza indirmek
4. Yüzey temasını arttırmak
59 6. Oksidasyonu azaltmak
7. Daha yüksek difüzyon hızlarına ulaşmak
Farklı metallerin birleştirilmesinde ortaya çıkan sorunların başında intermetalik faz oluşturan malzeme çiftleri gelmektedir. İntermetalik oluşturan çiftlerin ergitme kaynak yöntemleri ile etkili bir şekilde birleştirilmeleri hemen hemen imkansızdır. Difüzyon ile birleştirmede işlem sıcaklığı nispeten düşük olsa da ortaya çıkan bu tür kırılgan intermetalik fazlar, elde edilen bağlantının dayanımını düşürmektedir [77]. Bu tür malzeme çiftlerinin birleştirilmesinde intermetalik fazların oluşumunu minimize etmek için ara tabakalar kullanılır. Bu tür uygulamalarda seçilen ara tabaka malzemesi her iki malzeme ile uyumlu olmalı ve kırılgan bir reaksiyon tabakası oluşturmamalıdır. Örneğin, Kundu vd. [78], ticari saflıkta titanyum ve 304 paslanmaz çeliğin difüzyonla birleştirilmesinde Fe2Ti4O gibi intermetalik fazların oluşumunu minimize etmek için ara tabaka olarak bakır folyo kullanmıştır. Nishi vd. [79] ise dispersiyonla sertleşmiş bakır ve 316 paslanmaz çeliği Au, Ni ve Cu gibi farklı ara tabakalar kullanarak birleştirmiştir. Düşük difüzyon kabiliyetine sahip elementler içeren malzemelerin birleştirilmesinde yüksek difüzyon kabiliyetine sahip bir ara tabaka malzemesi kullanılabilir. Bu türdeki uygulamalar için en uygun ara tabaka malzemesi fosfor içeren akımsız nikeldir. Fosfor, birçok metalik sistemde yüksek difüziviteye sahiptir. Bazı durumlarda birleştirilecek malzemeler arasında temiz bir ara yüzey elde etmek için empürite elementlerini yüksek oranda çözebilme özelliğine sahip ara tabakalar kullanılır (Ti gibi). Ara tabaka kullanımına gerek duyulan bir diğer durum ise, birleşmenin ilk basamağında yüzeyler arasında deformasyonun etkisi ile gerçek bir temasın sağlanabilmesi için yumuşak bir ara tabaka malzemesinin kullanılmasıdır [60].
Elektronik ve yüksek sıcaklık dayanımı gerektiren uygulamaların çoğunda önemli bir rol oynayan metal-seramik birleşmeleri çoğu kez ara tabaka üzerinden gerçekleştirilir. Böylece normalde birleştirilmesi çok güç olan bu malzemelerde belli bir dayanıma sahip bağlantılar elde etmek mümkündür. Bu amaçla ara tabaka kullanılan çalışmalara örnek olarak Wlosinski vd. [80], Kliauga vd. [81] ve Jadoon vd. *82+’nin yaptığı çalışmalar verilebilir. Wlosinski vd. [80] alümina ve çeliği bakır ara tabaka kullanarak birleştirmiştir. Jadoon vd. [82] ise 50 µm kalınlığında Cu ve 12,5 µm kalınlığında Ti ara
60
tabaka kullanarak silisyum nitrit ile ısıl direnci yüksek bir metali (Fecralloy- 72,3Fe- 22,0Cr-5,0Al-0,3Si-0,02C- 0,2Mn-0,1Zr) difüzyonla birleştirme yöntemi ile birleştirmiştir. Kliauga vd. [81] ise yaptıkları çalışmada alümina ve 304 kalite paslanmaz çeliğin difüzyonla birleştirilmesinde Ti ara tabaka kullanımını araştırmıştır.
Ara tabaka seçiminde dikkat edilmesi gereken en önemli unsur yukarıda bahsedilen durumlarda amacına uygun bir ara tabaka malzemesi seçmektir. Kullanılacak ara tabaka malzemesi, birleştirilecek malzeme ya da malzemelere uyumlu, yakın dayanım değerine sahip, ara yüzeyde ana metalden difüze olan safsızlıklar nedeni ile düşük tokluğa sahip bir bölge oluşturmayacak özellikte ve birleştirilecek malzemelerle uyumlu ısıl genleşme katsayısına sahip olmalıdır. Ara tabaka olarak kullanılan malzeme birleşme bölgesinde uygun bir mikroyapı oluşturmalıdır Ara tabaka olarak daha çok gümüş, bakır, altın, ya da saf alüminyum gibi düşük ergime derecesine sahip yumuşak ince metal filmler tercih edilmektedir.
Ara tabaka malzemeleri folyo ya da kaplama tabakası şeklinde olabilir. Folyo şeklinde kullanılan ara tabakalar mikron ile ifade edilen kalınlıklarda plaka şeklinde iki yüzey arasına yerleştirilir. Bazı durumlarda ise ara tabaka olarak kullanılacak malzeme elektro biriktirme, plazma püskürtme ya da buhar biriktirme gibi yüzey kaplama teknikleri kullanılarak birleştirilecek malzeme yüzeylerinden birine ya da her ikisine birden kaplanır. Kaplama şeklindeki ara tabaka kullanımında endüstriyel uygulamalarda daha çok gümüş kullanılmıştır. Gümüş ara tabaka, birleştirilecek malzemelerin yüzeyine genellikle elektro biriktirme ya da vakum buharlaştırma (manyetik sıçratma, sıcak-oyuk katot, electron-beam buharlaştırma…) yöntemlerinden biri ile kaplanır [83]. Fernando vd. [84] geliştirdikleri patentte Al alaşımlarının yüzeylerini difüzyonla birleştirme öncesinde AgNO3 ile kaplamanın birleştirmeye yardımcı olacağını ortaya koymuştur. Daldırma, boyama ya da püskürtme yöntemlerinden biri ile yüzeye kaplanan gümüş nitrat, difüzyonla birleştirme esnasında sıcaklık 475-520°C’ye çıktığında parçalanarak Ag’e dönüşür.
Ara tabaka ile gerçekleştirilen difüzyonla birleştirme işlemlerinde, birleştirme kalitesine uygun ara tabaka seçiminin yanı sıra, kullanılan ara tabakanın kalınlığı, üretim şekli gibi faktörler de etki etmektedir.
61
Ara tabaka olarak kullanılan malzeme ana metal ile bir ötektik oluşturuyorsa ve seçilen kaynak sıcaklığı bu ötektik sıcaklığından daha düşük ise ara yüzeyde sıvı bir film oluşur. Bu durumda difüzyonla birleştirme yöntemi “geçici sıvı faz ile birleştirme” (transient liquid phase bonding- TLP) adını alır [57]. Duval vd. [85] tarafından geliştirilen TLP yöntemi, ergitme kaynak yöntemleri ile difüzyonla birleştirme yönteminin kombinasyonundan oluşur. TLP yöntemi özellikle Ni esaslı alaşımlarının, Al alaşımlarının, Ti alaşımlarının, intermetaliklerin, çeliklerin ve paslanmaz çeliklerin kaynağında başarılı bir yöntemdir [86]. TLP yönteminde ergime sıcaklığı düşürücü elementler içeren (B, Si ya da P gibi) ya da birleştirilecek ana malzeme ile ötektik bir faz oluşturan ara tabakalar kullanılır [87]. TLP yöntemi dört ana basamaktan oluşur:
i. Ara tabaka malzemesinin çözünmesi
ii. Ara tabakanın genişlemesi ve homojenizasyonu iii. İzotermal katılaşma
iv. Birleşme ara yüzeyinin homojenizasyonu
Birinci ve ikinci basamaktaki olaylar TLP ile birleştirmede çok kısa sürede sıvı fazdaki difüzyon olayları ile gerçekleşir. Toplam sürenin büyük bir kısmını oluşturan izotermal katılaşma ve birleşme ara yüzeyinin homojenizasyonu büyük oranda katı fazdaki difüzyon olayları ile kontrol edilir [88], [89]. TLP yönteminde ara yüzeyde oluşan sıvı faz, sabit birleştirme sıcaklığında devam eden difüzyonun sonucunda izotermal olarak katılaşır. Yöntem bu haliyle, ara tabakanın direkt olarak soğutmanın etkisiyle gerçekleştiği lehimleme yöntemlerinden ayrılır [90]. Şekil 3.10’da Mg-3Al-1Zn alaşımının 10 µm kalınlığında Al ara tabaka kullanılarak TLP yöntemi ile birleştirilmesinde ara tabaka ve ara yüzeyde zamanla meydana gelen değişimler görülmektedir [91].
62
Şekil 3.10 Mg-3Al-1Zn alaşımın 480°C’de 10 µm Al ara tabaka ile TLP yöntemi ile birleştirilmesinde ortaya çıkan mikroyapı değişimleri a) 1 dakika b)10 dakika c)60
dakika d) 120 dakika [91]