Соединение разнородных металлов может быть осуществлено, • когда оба металла находятся в твердом состоянии (диффузионная сварка, сварка взрывом, холодная сварка и др.), в жидком состоя­нии, т. е. когда оба они полностью или частично расплавляются (различные виды дуговой и газовой сварки и др.), а также в твердо­жидком состоянии. В последнем случае один из металлов в течение всего процесса остается в твердом состоянии, а другой расплав­ляется.

Возможность сварки (наплавки) разнородных металлов в твер­до-жидком состоянии, а также свойства сварного соединения опре­деляют их физико-химические свойства и тип металлохимической реакции между собой и в более сложных системах с другими леги­рующими элементами и примесями.

Определяющую роль в образовании соединения в твердо­жидком состоянии играет процесс смачивания. Однако на свойства соединения могут оказывать существенное влияние и другие со­путствующие процессы — растворение, взаимная диффузия, об­разование промежуточных интерметаллидных, эвтектических и других фаз.

При применении плазменных методов в зависимости от темпе­ратуры плавления основного и наплавляемого металлов процесс наплавки может протекать как с расплавлением основного металла, так и без его расплавления. Если температура плавления наплав­ляемого металла близка к температуре плавления основного ме­талла или выше ее, то расплавление основного металла произойдет обязательно. В этом случае соединение наплавляемого и основ­ного металлов происходит в результате образования общей сва­рочной ванны и ее последующей кристаллизации. Такой процесс ■

соединения получается при наплавке однородных металлов, а также, например, при наплавке нержавеющих сталей на малоугле­родистые и др. Если температура плавления наплавляемого ме­талла значительно ниже температуры плавления основного ме­талла, то в этом случае наплавку можно выполнять таким образом, что основной металл в течение всего процесса остается в твердом состоянии (например, при наплавке меди и ее сплавов на сталь и т. п.). В этом случае, как и в предыдущем, прочная металличе­ская связь между атомами металла наплавки и основного металла обеспечивается в процессе смачивания, но без образования общей ванны.

Накопленный в настоящее время эксперимент и теоретический анализ, проведенный рядом советских исследователей [46, 83, 103 и др.] показывают, что сварку, наплавку и пайку следует отнести к классу топохимических реакций, для которых характер­ным является двухстадийность-процесса образования прочных свя­зей между атомами соединяемых веществ. В течение первой стадии происходит образование физического контакта, т. е. осуществляется сближение соединяемых веществ на расстояния, требуемые для межатомного взаимодействия и подготовки поверх­ностей к взаимодействию. На этой стадии из элементарных процес­сов важную роль играют процессы электростатического взаимодей­ствия поверхностных атомов. В течение второй стадии — стадии химического взаимодействия — заканчивается процесс об­разования прочного соединения. Решающую роль на этой стадии играют квантовые процессы электронного взаимодействия [83].

Далее могут протекать процессы релаксационного характера, часто приводящие к снижению достигнутой прочности вследствие рекристаллизации или образования прослоек из хрупких хими­ческих соединений или фаз за счет гетерогенной реактивной диф­фузии. Однако эти процессы могут приводить и к повышению проч­ности соединения, если вследствие диффузии благоприятно ме­няется химический состав шва и прилегающих к нему зон, как, например, при некоторых видах пайки.

В случае соединения чистых металлов или твердых растворов процессы электронного взаимодействия сводятся к коллективиза­ции (обобщению) «валентных» электронов положительными ионами, вследствие чего между системой атомов, образующих кристалли­ческую решетку, возни-кает прочная «металлическая» связь. Осо­бенностью этой связи является отсутствие насыщения, определяе­мого. валентностью соответствующих атомов.

Поверхности твердых тел в атмосферных условиях, как пра­вило, инертны, так как валентности их атомов насыщены связью с атомами окружающей среды. Классическим примером насыще­ния является процесс окисления вещества в атмосфере. На оки­сленной поверхности твердого тела могут идти процессы типа физи­ческой адсорбции, обусловленные силами притяжения или силами

Ван-дер-Ваальса. Для осуществления хемосорбции (химической адсорбции) на реальной поверхности требуется затрата энергии на-активацию этой поверхности [46, 90].

Последний процесс можно проиллюстрировать схемой измене­ния потенциальной энергии при физической адсорбции и хемо - сорбции (рис. 16). Кривая / представляет изменение потенциальной энергии молекулы (атома) при физической адсорбции, кривая С — при хемосорбции. Из сопоставления этих кривых можно видеть, что теплота хемосорбции больше теплоты физической адсорбции и что при хемосорбции молекула приближается к поверхности на более близкое расстояние, чем при физической адсорбции. По мере

того, как молекула приближается к по­верхности, она испытывает вначале влияние физических сил притяжения, которые действуют на больших расстоя­ниях, чем силы химической связи, и, таким образом, изменение энергии моле­кулы соответствует кривой /. Возмож­ность хемосорбции молекулы и дальней - Рис. 16. Характер изменения шего изменения ее энергии по кривой с потенциальной энергии атома определяется способностью молекулы при физическом адсорбции / г J

И хемосорбции С В зависи - ДОСТИЧЬ точки р, в которой возможен мости от расстояния г от ато - переход. Для этого молекула должна ма до поверхности твердого обладать энергией, большей чем АЕ. тела [46, 90] g приобретении молекулой или атомом

этой энергии и заключается акт акти­вации. Физически этот акт можно интерпретировать как процесс разрыва насыщенных связей на поверхности адсорбирующего тела, который приводит к появлению неспаренных электронов (радикалов), способных участвовать в химическом взаимодей­ствии [46].

Таким образом, протекание в контакте соединяемых материа­лов процессов электронного взаимодействия различных типов требует определенной величины энергии для активации состояния поверхностей. Эта энергия может сообщаться в виде теплоты (тер­мическая активация), энергии упруго-пластической деформации (механическая активация), электронного, ионного и других видов облучения (радиационная активация).

При сварке плавлением и пайке сближение атомов осуще­ствляется за счет смачивания и активации поверхности твердого материала за счет тепловой энергии. При сварке в твердом состоя­нии это достигается за счет совместной упруго-пластической де­формации соединяемых материалов в контакте, часто в сочетании с дополнительным нагревом.

В каждом из этих случаев для образования соединения требуется определенное время, обусловленное процессами раз­вития физического контакта и химического взаимодействия фаз.

Чем ниже температура процесса, тем легче разделить две основ­ные стадии образования соединения друг от друга. При взаимо­действии твердого материала с жидким процесс протекает при вы­сокой гомологической температуре (по отношению к температуре плавления основного металла) и поэтому скорость его высокая. Обе стадии протекают друг за другом в процессе смачивания, и раз­делить их практически не удается.

Итак, при сварке плавлением, наплавке и пайке обе стадии процесса и следующая за ними диффузия протекают, как правило, настолько быстро, что в случае соединения разнородных материа­лов с ограниченной взаимной растворимостью практически трудно получить соединения без хрупких интерметаллических прослоек в контакте. Для разработки технологических процессов сварки необходимо иметь представление о допустимой (при сварке плавле­нием) длительности этих процессов, с тем чтобы правильно выби­рать способ и параметры сварки и обеспечивать получение каче­ственного соединения. В работах [46, 103 и др. ] была дана оценка длительности указанных процессов и сопоставлены результаты расчета с имеющимися в настоящее время опытными данными. Эти процессы рассмотрены как для сварки плавлением, так и для сварки в твердом состоянии.

Внутри кристалла каждый атом удерживается в своем поло­жении силами связи, симметрично расположенными относительно окружающих его со всех сторон соседних атомов. На свободной поверхности кристалла или жидкости атом оказывается неуравно­вешенным вследствие отсутствия связи, с одной стороны (вакуум), или вследствие ослабления связи, обусловленной иными свой­ствами окружающей среды. Это обстоятельство вызывает повыше­ние энергии поверхностного слоя кристалла. Если для перемеще­ния внутри тела атому необходима энергия Е0, то для выхода атома в окружающую среду ему необходима энергия Еп, причем Еп^> Е0.

При быстром образовании физического контакта, что наблю­дается при окунании твердого тела в расплав или при сварке за счет расплавления одного из соединяемых материалов, на границе фаз сначала будет наблюдаться пик межфазной энергии Ег, ана­логичный Еп (рис. 17), так как переход атомной системы в новое состояние осуществляется не мгновенно, а за некоторый конечный промежуток времени. Поэтому следует ожидать запаздывания химического взаимодействия фаз, а также задержки диффузионных переходов атомов из одного состояния в другое, пока атом не при­обретет энергии, необходимой для преодоления межфазного барьера, или пока не произойдет релаксация пика межфазной энергии. Без учета возможных поверхностных явлений период задержки или ретардации диффузии можно рассматривать как время жизни атома перед потенциальным барьером, т. е.

А-

xp = %QekT (10)

е (Ет + Еж) 2 kT

В качестве примера рассмотрим взаимодействие титана с алю­минием при окунании твердого титана в расплавленный и перегре­тый до различных температур алюминий. Эта пара образует хруп­кое соединение ТіА13 с содержанием в нем 37,3% титана. Оценим допустимую длительность контакта титана с жидким алюминием, при которой на межфазной границе не успеет еще образоваться это соединение. При расчете примем, что энергия активации диф­фузии в титане Ет — 1,7 эв, а титана в жидком алюминии Еж як 0,5 эв. При этих условиях период запаздывания диффузии по уравнению (11) при перегреве алюминия до 973° С составит 170 сек, до 1073° С — 9 сек, до 1123° К — 1 сек, до 1673° К — 0,75 • 10-4 сек.

На рис. 18 представлена зависимость периода задержки (ретар - дации) процесса образования фазы ТіА13 от температуры, полу­ченная опытным путем [95]. Для сравнения на этом же рисунке

приведена зависимость, полученная в работе [83] расчетным путем по описанной выше методике. Из графика видно, что расчетные данные достаточно хорошо согласуются с опытными. Это позво­ляет, несмотря на принятые допущения, использовать при - 1200 веденную схему для ориентиро­вочных оценок допустимой дли­тельности контакта твердой и ^ ноо жидкой фаз, а также темпера - " туры процесса наплавки, свар­ки, а в ряде случаев и пайки.