Взаимодействие материалов при микросварке давлением

Методы исследования. Согласно многочисленным исследованиям процесс соединения в твердой фазе складывается из разнообразных физических и химических явлений, возникающих на контактных поверхностях и в приконтактной зоне под действием давления и температуры. Для выработки общих представлений о процессе соединения необходимо прежде всего выяснить признаки этих явлений.

Далее можно выяснить природу явлений, обусловливающих данный характер взаимодействия. Не вызывает особых возражений представление процесса соединения материалов в твердой фазе как топохимической реакции, т.е. реакции, протекающей на поверхности твердого тела.

По современным представлениям [17], в основе любой химической реакции типа замещения, присоединения и т.п. лежит процесс разрыва связей в исходных веществах и образовании новых связей, приводящих к образованию нового вещества. В случае химических реакций в твердом теле или на его поверхности большая роль в таком процессе отводится структурным микродефектам [18]. Общим для всех реакций является также стадийность их протекания во времени [19].

Имеется ряд работ (см., например [2 0]), в которых показано, что разнообразные химические процессы начинают развиваться на дефектных местах реальной поверхности или внутри твердого тела как активных центрах. В качестве дефектов рассматриваются ступени скола и скольжения, места выхода дислокаций и точечные дефекты. Развитие реакции на дефектных местах приводит в конечном итоге к их декорированию. Декорированные дефекты легко выявляются и наблюдаются даже под оптическим микроскопом.

Соединение материалов в твердой фазе происходит под действием давления и температуры, в результате чего материала подвергаются пластической деформации.

По современным представлениям [21,22], пластическая деформация кристаллических твердых тел происходит в результате размножения и движения дислокаций. Можно предположить, что при соединении материалов в твердой фазе на контактную поверхность выходят дислокации. В этих местах на контактной поверхности возникают активные центры, на которых прежде всего должно начаться взаимодействие соединяемых материалов. Прошедшее взаимодействие в случае разнородных материалов может оставить о себе метки в виде декорированных участков, по расположению и виду которых можно представить характер взаимодействия.

Исходя из такого предположения, для исследования характера взаимодействия материалов можно использовать следующий метод: удалять через определенные промежутки времени после начала сварки один из материалов с поверхности другого. В таком случае свариваться должны разнородные материалы, а реактив должен быть активным только для одного из них. После стравливания одного из материалов на контактной поверхности другого должны наблюдаться следы прошедшего взаимодействия, расположение и форма которых являются предметом исследования. После выяснения характера взаимодействия можно решать вопрос о механизме взаимодействия и кинетике его развития.

Для того чтобы разобраться в механизме взаимодействия, нужно проанализировать влияние на процесс взаимодействия большого количества самых разнообразных факторов. Однако, если учесть, что процесс соединения протекает одновременно с релаксацией затрачиваемой на него энергии, то выяснение механизма взаимодействия можно провести более целенаправленно. Соединение материалов в твердой фазе происходит под действием давления. Следовательно, оно должно коррелироваться с процессом релаксации механических напряжений, т.е. процесс соединения должен «вмешиваться» в процесс релаксации, или наоборот. Энергия активации этого процесса может дать ответ о явлениях, обусловливающих взаимодействие, или определить группу явлений в твердом теле, которую следует анализировать далее.

Исследование релаксации напряжений представляет большие трудности [23]. При соединении материалов в твердой фазе оно еще более осложняется тем, что релаксация протекает в зоне контакта. В этом случае исследования релаксации приемлем поляризационно-оптический метод. Но в этом случае следует соединять оптически прозрачные материалы.

Из этих соображений в качестве модельных материалов выбраны полупроводники (кремний и германий), к которым присоединяются пластические металлы (алюминий и золото).

Физические и химические свойства указанных материалов достаточно подробно исследованы [24]. Отмечены только те из них, на основе которых они выбраны как модельные материалы для исследования контактных явлений при сварке и используемые в дальнейшем для анализа процесса соединения.

Таблица 2

Сопротивление одноосной деформации алюминия при различной температуре, степени и скорости деформации

Алюминий и золото – весьма пластичные г.ц.к. металлы [22] . предел прочности на растяжение алюминия чистотой 99,996% в отожженном состоянии составляет 5 кгс/мм² [24]. Значения сопротивления одноосной деформации алюминия при температурах от 20 до 500⁰С и различных значений величины и скорости деформации приведены в табл.2 [25].

Кремний и германий – типичные представители ковалентных кристаллов со структурой алмаза, в элементарной ячейке которого имеется восемь атомов. Половина атомов занимает вершины и центры граней гранецентрированного куба, другая половина – центры четырех малых октантов из восьми. Каждый атом окружен четырьмя другими атомами и образует четыре sp³ – гибридные ковалентные связи. При комнатной температуре кремний (как почти все ковалентные кристаллы) очень хрупкий и раскалывается без значительных предшествующих деформаций при нагрузке порядка 10 кгс/мм².

Впервые способность приобретать германием и кремнием пластические свойства с повышением температуры была установлена Галлахером [26]. Для кремния он определил температуру, при которой последний приобретает заметные пластические свойства равную около 900⁰С, для германия 600⁰С. С получением более чистых монокристаллов кремния и германия и с усовершенствованием методов испытания было установлено, что они могут приобретать пластические свойства при более низких температурах.

В 1963 г. В.И. Трофилов и Ю.В.Мильман [27] методом микротвердости установили температурный порог пластичности ( Т_кр) для кремния, равный около 500⁰С, для германия 275⁰С. При этом на основе наклона кривой микротвердости при Т<Т_кр ими предсказана возможность низкотемпературной (<Т_кр) пластической деформации кремния и германия. В 1965 г. Джонсон [28] прямым исследованием подвижности дислокаций показал, что кремний может пластически деформироваться при 450^{0С, германий –} при 220⁰С. В.И.Трефилов с сотр. [29] методом фотоупругости зарегистрировали релаксацию напряжений вокруг отпечатка микротвердости в кремнии n-типа при отжиге начиная с 300⁰С. Это явление объяснено движением дислокаций под действием остаточных напряжений вокруг отпечатка микротвердости. Предложено считать для кремния Т_кр»300⁰С.

Кремний и германий являются аналогами по многим физическим и химическим свойствам [21,24]. Это обстоятельство вместе с тем, что они приобретают способность к пластической деформации при разных температурах , делают их весьма интересными модельными материалами для исследования контактных явлений.

Кремний и германий обладают ярко выраженной анизотропией свойств. Их деформация при скольжении происходит главным образом в плоскости {111}, направлением скольжения является <110>. Предельная плотность дислокаций в полупроводниковых кристаллах составляет 10⁸ см^-2[21].

Кремний и германий могут быть в двух состояниях: n- и р- типа. В зависимости от состояния и химического состава их механические свойства могут существенно различаться [30].

Кремний на воздухе начинает окисляться при температуре более 400 ⁰С. Кремний и германий хорошо растворяются в щелочах, но лучше всего в реактивах на основе HF [24, 31].

Алюминий с кремнием образует эвтектику при 577⁰С, с германием – при 424⁰С; золото с кремнием – при 370⁰С, с германием – 356⁰С [32].

Наиболее трудным продолжает оставаться вопрос о роли окислов в процессе соединения. Окислы обладают ковалентными связями с соответствующей степенью ионности. В частности, для окислов металлов степень ионности составляет 0,4 – 0,7. Она обусловлена разными значениями эффективного заряда ядер и отсюда разными значениями эффективного заряда ядер и отсюда разными значениями эффективной силы притяжения электронов к ядру атомов элементов, образующих окислы [33]. Это обстоятельство в какой-то мере уравнивает окислы с полупроводниками, делает последние материалами, на которых в первом приближении можно дать ответ на затронутый вопрос.

К способам сварки давлением относятся: холодная, диффузионная, ультразвуковая, взрывом. Первые три способа основываются на единой схеме процесса, которая заключается в том, что к соприкасающимся материалам (деталям) прикладывается давление пуансоном.

Диффузионная сварка отличается от холодной подогревом свариваемых деталей. Диффузионная сварка осуществляется в вакууме или в защитной среде.