Одним из методов соединения деталей является пайка диффузионно-твердеющими сплавами на основе галлиевых эвтектик, при которой элементы конструкции соединяются без предварительного подогрева и без применения флюсов. Диффузионно-твердеющими сплавами (ДТС) или металлическими клеями называют соединения получающиеся в результате взаимодействия твердого металлического порошка и металлического расплава. В результате диффузии жидкой компоненты в твердую матрицу образуется интерметаллид с температурой плавления более высокой , чем температура плавления жидкой компоненты ( на 150-400 К, в зависимости от состава). Смешивая твердую и жидкую компоненты, получают пасту, которой можно спаивать различные материалы. Со временем спай твердеет и обеспечивает механическое, тепловое и электрическое соединение. ДТС все более широко используются в различных технологических процессах. Основное преимущество пайки с использованием ДТС по сравнению с обычной пайкой заключается в том, что соединение происходит при комнатной температуре или при небольшом нагреве. Поэтому не происходит деформации деталей, особенно тонкостенных, связанных с локальным нагревом. Наиболее простым примером ДТС является смесь медного порошка с расплавленным галлием. Галлий плавится при 30° С. Поэтому пайку можно проводить при небольшом подогреве. Диаграмма состояния данной системы представлена на рис.1. Таким образом, если приготовить смесь 66.6% (атом.) Ga с 33.3% Cu,то в результате взаимодействия получим интерметаллид CuGa_2.

Рис.1

Однако, не всегда удобно работать даже с небольшим подогревом. Поэтому мы использовали в качестве жидкой фазы эвтектику Ga-Sn с температурой плавления 20.5° С. Исследовались реакции взаимодействия жидкой галлий-оловянной эвтектики с порошками пересыщенных твердых растворов галлия в меди.

Cu(Ga) + Ga-Sn = CuGa₂ + Sn

 Твердая компонента представляла собой порошок метастабильного твердого раствора галлия в меди полученный механохимическим сплавлением в шаровой мельнице. Размер частиц порошка варьировался в диапазоне 100-1000 нм. Размер областей когерентного рассеяния составлял 20-30 нм. Была сделана попытка, использовать возможности синхротронного излучения для изучения изменения структуры во время процесса получения ДТС. Исследования ДТС проводились на экспериментальных станциях Сибирского центра синхротронного излучения (ИЯФ СО РАН г. Новосибирск). Станция “Прецизионной дифрактометрии” на 2-ом канале СИ накопителя ВЭПП-3 оборудована двухкристальным монохроматором, прецизионным гониометром и сцинтиляционным детектором с германиевым кристалл-анализатором. Высокая степень монохроматизации излучения, параллельная схема съемки, отсутствие дублетных линий и флуоресцентного фона позволяет получать дифрактограммы с высоким угловым разрешением. Съемки проводились на монохроматическом излучении с длиной волны равной 1.539 Е . Диапазон углов сканирования 30-52° , шаг сканирования 0.05° , время на точке 4 сек. Съемки проводились с интервалом в 40 минут. По дифрактограммам были определены положения дифракционных максимумов и проведен фазовый анализ. Дифрактограммы полученные через разное время после смешения компонент представлены на рис.2.

Первоначально пытались определить, за какое время заканчивается процесс образования интерметаллида. Из анализа дифракционных данных видно, что за первые 3 часа образуется около 90% интерметаллида. В тоже время оказалось, что олово проявляется рентгенографически после 3 часов. Для того, чтобы более точно зафиксировать момент появления интерметаллида решили провести исследование на станции “Дифракционное кино”. Станция “Дифракционное кино” (5-б канал накопителя ВЭПП-3) оборудована фокусирующим монохроматором и однокоординатным детектором ОД-3. Большой поток излучения падающего на образец и наличие однокоординатного детектора позволяет получать качественные дифрактограммы за короткое время. Использовалось монохроматическое излучение с длиной волны 1.505 Е . В течение первых семи часов после смешения компонентов шла непрерывная съемка со временем экспонирования кадра 1 мин. В последующие часы снимался один кадр в час, время экспонирования 1 мин. Дифрактограммы полученные за первый час представлены на рис.3.

За все время исследования, в течение 3 суток, дифракционные пики относящиеся к олову обнаружены не были. В это же время часть образца исследовалась на 2 канале, и там появление дифракционных пиков олова было зафиксировано. Этот факт можно объяснить только различием в условиях дифракционных экспериментов. На 2-ом канале используется широкий пучок излучения и вращение образца, а на 5-ом канале образец неподвижен и пучок узкий. Поэтому, если допустить что, олово в образце текстурировано, то дифракционные пики олова просто не попали в детектор. Для проверки этой гипотезы проводились сьемки на 4-ом канале накопителя ВЭПП-3. Станция на 4 канале накопителя ВЭПП-3 предназначена для проведения дифракционных исследований при энергии квантов 33.7 кэВ. Использовался пучок квадратного сечения размером 0.5 мм. Регистрация дифрагированного излучения осуществляется двухкоординатным детектором на основе запоминающего экрана размером 128 мм на 128 мм. Сканирование запоминающего экрана производилось с шагом 0.1 мм. Производились съемки исходного порошка и образца ДТС полученного через три недели после приготовления. Съемки проводились по схеме на прохождение. На рис .4 представлены дифрактограмма от ДТС и фрагменты полученных дифрактограмм от ДТС и от исходного медно-галлиевого порошка.

На станции рентгеновской микроскопии (5-а канал накопителя ВЭПП-3) проводились сьемки лауэграмм от образцов ДТС. Одна из лауэграмм представлена на рис.5.

При расходовании галлия из жидкой компоненты, на образование интерметаллида, олово из эвтектики должно переходить в твердую фазу. Однако, из данных полученных на станции "Прецизионной дифрактометрии" видно, что следы олова рентгенографически появляется не раньше, чем через 3 часа после смешения компонентов. Сначала появляется один пик. И только через сутки проявляются остальные пики. Одно из объяснений этого эффекта может быть таким. При расходовании галлия из эвтектики получается метастабильная система, находящаяся в жидком состоянии. И только после того, как значительное количество галлия будет израсходовано, начинается кристаллизация олова, которое кристаллизуется в виде довольно крупных кристаллов. Для проверки этой гипотезы были проведены съемки на станции на 4-ом канале. Из полученных данных видно, что олово сильно текстурированно. На дифрактограмме обнаружены всего два участка дуги, соответствующие отражениям 101 и 220 от олова, причем отражение 220 очень сильное. Подтверждают это предположение и лауэграммы. По ним видно, что олово находится в образце в виде искаженных монокристаллов. Из дифракционных данных представленных на рис.4 видно, что рефлексы от интерметаллида имеют крупнозернистое строение, хотя порошок из которого получался ДТС (самый нижний фрагмент) имеет значительно более мелкое строение. Поэтому можно предположить, что образование интерметаллида происходит по следующей схеме. В начале происходит растворение медного порошка в жидкой фазе, а затем из жидкой фазы идет кристаллизация интерметаллида.

Таким образом, комплексное изучение структурными методами с использованием синхротронного излучения позволило получить новую информацию о реакции образования ДТС.