Saldatura e processi alleati per l'unione di ceramiche
Diversi processi di saldatura e affini utilizzati per unire ceramiche includono i seguenti: 1. Saldatura a fusione 2. Saldatura a frizione e incollaggio a ultrasuoni 3. Saldatura a diffusione 4. Legame a diffusione tramite interstrato 5. Bonding isostatico 6. Glaze Bonding 7. Metallizzazione e brasatura 8. Adesivo bonding.
1. Saldatura a fusione:
L'uso efficace della saldatura a fascio di elettroni per formare coppie di Al 2 O 3 -Ta, ZrO 2 -Mo, ZrO 2 -Nb con resistenza di legame sostanziale è stato segnalato sin dagli anni '60. Tuttavia, l'applicabilità dei metodi di saldatura per fusione ai sistemi di ceramica-metallo è molto limitata. È imperativo abbinare la temperatura di fusione e le caratteristiche di contrazione termica dei pezzi da incollare.
2. Saldatura a frizione e incollaggio ad ultrasuoni:
Dalla Queens University di Belfast sono stati riportati risultati promettenti nella saldatura ad attrito di alluminio di allumina, alluminio e zirconia e alluminio con nitruro di silicio. Queste tre ceramiche possono anche essere saldate ad altri metalli, ma a volte richiede l'uso di uno strato intermedio.
Il legame ad ultrasuoni dell'alluminio con un numero di metalli può essere ottenuto nelle normali condizioni atmosferiche mentre l'unione del titanio con la ceramica con lo stesso processo richiede l'uso del vuoto.
3. Bond di diffusione:
In questo metodo i componenti da unire vengono premuti insieme e sottoposti ad una temperatura elevata per un certo periodo di tempo. La pressione utilizzata deve essere sufficientemente elevata da provocare la diffusione nelle superfici di accoppiamento, ma non deve causare deformazioni di massa dei componenti che vengono uniti.
La temperatura impiegata è nell'intervallo di 0, 65-0, 98 Tm dove Tm è il punto di fusione del metallo in gradi assoluti. Le reazioni fisiche e chimiche complesse hanno luogo all'interfaccia per effettuare un'articolazione. Un'ampia gamma di metalli, dalla ceramica e dagli occhiali alla ceramica vetrosa, può essere vincolata con successo da questo processo, a condizione che le caratteristiche di contrazione termica delle parti che vengono unite corrispondano.
4. Diffusion Bonding tramite Interlayer:
In questo metodo di unione di ceramiche a metalli viene introdotto uno strato intermedio di metallo duttile tra le facce da unire, per cui non è necessaria l'applicazione di alta pressione. Questo interstrato aiuta a distribuire le tensioni all'interfaccia evitando la concentrazione di tensioni, oltre ad accogliere parte dell'espansione differenziale e della contrazione dei due componenti durante il riscaldamento. Se la temperatura dello strato intermedio non è molto elevata, potrebbe essere possibile legare i componenti senza avere effetti negativi sulle proprietà meccaniche del pezzo, anche se si tratta di una lega trattabile termicamente.
L'acciaio inossidabile può essere unito all'allumina usando l'alluminio come strato duttile. L'oro è stato usato come strato intermedio per legare un certo numero di ceramiche e vetri all'ossido alle leghe ferrose. Il rame può essere saldato all'allumina ponendoli in un'atmosfera leggermente ossidante ad una temperatura di 1060-1080 ° C. Ciò si traduce nella formazione di un liquido eutettico sulla superficie del rame risultante in un legame chimico tra rame e allumina. In un campo di energia nucleare gli anelli isolanti di allumina e gli elettrodi in lega di titanio sono uniti insieme fornendo intercalari di alluminio dello spessore di 0, 1 mm.
5. Incollaggio isostatico:
Questo processo viene utilizzato per la fabbricazione di parti relativamente complesse unendo componenti semplici come mostrato in Fig. 22.38.
La polvere di ceramica viene pressata in forme semplici:
(a) Uso della pressione uniassiale o pressatura isostatica. I componenti a forma semplice vengono quindi assemblati
(b) Per formare una forma più complessa. Le parti assemblate vengono quindi rivestite
(c) Con uno strato sottile di materiale impermeabile, flessibile, elastomerico. Il rivestimento aiuta a sigillare il gruppo contro il fluido ad alta pressione durante il successivo funzionamento del legame isostatico, e
(d) Che unisce i due componenti.
Il gruppo incollato viene quindi sinterizzato per ottenere la piena resistenza che è paragonabile alla resistenza del materiale madre. Parti di ceramica come allumina, zirconio e nitruro di silicio possono essere fabbricate con questo metodo. I legami prodotti con questo metodo mostrano una completa omogeneità come se il componente fosse stato prodotto da una singola operazione senza giunture.
6. Incollaggio:
Questo metodo è più spesso utilizzato per assemblare pezzi di grandi dimensioni e l'unione di componenti in ceramica dissimili. Le superfici da unire vengono smerigliate e quindi rivestite con uno smalto adatto. Le superfici vengono quindi poste in contatto e fissate per fondere la glassa e unire i pezzi.
La maggior parte delle ceramiche a base di ossido può essere incollata con vetri o smalti ai silicati e le articolazioni possono anche essere realizzate con vetri a base di borato e fosfato. La ceramica non ossida è più difficile da unire con questo processo poiché tende a reagire con gli smalti liberando bolle di gas che indeboliscono il legame. Speciali smalti sono disponibili per unire alcune combinazioni di ceramica e metallo.
7. Metallizzazione e brasatura:
Di solito questo metodo è impiegato per unire ceramiche a metalli. La brasatura richiede che la lega brasante utilizzata debba bagnare le superfici da unire. La maggior parte delle superfici metalliche può essere bagnata dalle leghe per brasatura, ma la ceramica no. Pertanto il componente ceramico viene dapprima dotato di uno strato di lega compatibile mediante il processo di metallizzazione.
Viene quindi seguita dalla brasatura utilizzando le leghe convenzionali. Un'altra alternativa è quella di utilizzare spade metalliche attive. La selezione dipende dalle reazioni chimiche che si verificano all'interfaccia metallo-ceramica per promuovere la bagnabilità. Il successo è stato raggiunto utilizzando spade basate su eutettico argento-rame con aggiunte di titanio o zirconio. Una lega tipica per brasatura può contenere 68, 8% di Ag + 26, 7% di Cu + 4, 5% di Ti in peso.
8. Incollaggio adesivo:
I giunti senza stress possono essere prodotti mediante incollaggio e cementazione quando non sono coinvolte alte temperature e tenuta al vuoto. Resine e colle resistenti al freddo aderiscono bene alla ceramica. Le prestazioni congiunte dipendono dalla temperatura di servizio, dalla durata e dalla velocità di sollecitazione.
Adesivi epossidici, fenolici, acrilici e poliuretanici possono essere utilizzati per applicazioni che richiedono temperature fino a 200 ° C. Per applicazioni ad alta temperatura superiori a 200 ° C vengono utilizzate poliammidi o altri polimeri termicamente stabili.
Cementi inorganici, ad esempio cemento Portland, sono talvolta utilizzati per unire ceramica e metalli. Gli isolanti in porcellana ad alta tensione sono spesso realizzati unendo le singole sezioni con il cemento.
