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金屬之間的秘密交流：擴散焊接如何讓不同金屬完美結合？
擴散焊接是一種堅固的焊接技術，這種技術在金屬加工領域中具有廣泛的應用，能夠將相似和不同金屬完美結合。它的運作原理是固態擴散，透過時間讓兩個固體金屬表面的原子相互滲透。此過程一般在高於室溫的環境下進行，溫度範圍約為材料絕對熔點的50%至75%。另外，雖然在室溫下也能達到某種程度的弱焊接，但實際上，通常會在高壓和高溫的條件下進行擴散焊接，而這種方法在航太和核能產業中尤為普遍。
擴散焊接不涉及液體熔融，且通常不需要額外的填充金屬。
回顧擴散焊接的歷史，這項技術可以追溯幾個世紀之前，例如在珠寶製作中，工匠會使用一種叫作「充金」的技術，來將黃金與銅結合。這些工匠首先將固體黃金壓製成薄片，然後將其放置在銅基材上，並施加重量。接下來，這個組合在高溫的烤箱中加熱，直到黃金薄片能夠充分與銅基材結合。這種現象的現代化過程由蘇聯科學家N.F. Kazakov於1953年詳細闡述。
擴散焊接的特性
擴散焊接的特點在於，除了不需要液體熔融外，還能保持基材的強度及耐溫性能。此過程下材料所承受的塑性變形極少，殘留應力亦相對較低，並且不會產生污染。理論上，擴散焊接可以在任意大小的接合面上進行，而加工時間並不會因此增加；但從實際操作看，接合面的大小會受到所需壓力及物理限制的影響。
擴散焊接適用於相似金屬和不同金屬的連接，可以用於反應性與耐火金屬，或者厚度各異的金屬片。由於其相對較高的成本，擴散焊接通常用於那些難以或不可能用其他方式焊接的工件，例如陶土金屬截面薄的替代材料，或者熔點極高的材料，如鎢。因此，擴散焊接尤其適用於對強度和高溫穩定性的要求特高的應用。
溫度依賴性
穩定狀態的擴散主要取決於經過接合表面橫截面的擴散通量。Fick的第一擴散定律提供了擴散通量的數學公式，這裡不再詳細列出。簡單來說，通過計算質量或原子的擴散，能夠理解時間需求和擴散係數的關係。在整個焊接過程中，唯一能受控的參數為溫度。
焊接過程
當兩個材料具有類似的晶體結構時，擴散焊接的過程始於將兩件金屬表面密合。於焊接前，這些表面需經過打磨，以達到經濟可行的光滑度，並盡量保持無化學污染。然後，施加壓力與熱量，使部件彼此間的接觸長時間保持。焊接時的表面處理，例如拋光、蝕刻及清洗，都是影響擴散焊接過程的重要因素。
擴散焊接的三個簡化過程包括微小變形、擴散受控質量傳輸及界面擴散。
擴散焊接的優勢
擴散焊接可以製造出無明顯斷層或孔隙的高質量接頭，且其表面擁有與基材相同的物理及機械性能。一旦焊接完成，通過拉伸測試等方法，可以檢測接合的可靠性和持久性。此外，擴散焊接能夠實現高精度複雜形狀元件的生產，並廣泛應用於電子、航天、核能及微流體技術等領域。
適用性與發展前景
目前，擴散焊接在航天工業中被廣泛應用，以實現複雜零部件的製造，並有效減少製造成本和材料浪費。在軍用飛機中，利用擴散焊接來保護昂貴的戰略材料，已呈現出顯著的效果。它不僅提升了生產效率，同時也在強化材料使用的多樣性和廣度。
隨著技術不斷發展，擴散焊接有望在更多應用領域取得突破，以及與其他製程技術相結合取得更高的效益。未來的金屬連接技術將如何改變我們的產品設計與製造流程呢?
