확산접합

확산접합(Diffusion Bonding/Welding, DFW)은 접합면을 밀착시킨 상태에서 고온과 압력을 장시간 유지하여 원자의 상호 확산(Interdiffusion)으로 접합하는 고상(Solid-State) 용접 프로세스입니다.

접합 메커니즘 3단계:

1단계 — 표면 접촉(Surface Contact): 고온에서 가압하면 접합면의 미세 돌기(Asperity)가 소성 변형되어 실질 접촉 면적이 증가합니다. 표면 산화막이 파괴되고 청정한 금속면이 노출됩니다.

2단계 — 확산(Diffusion): 접촉면을 통해 원자가 상호 확산합니다. 공공(Vacancy)의 이동과 원자의 교환이 일어나면서 접합 계면의 공극(Void)이 점차 소멸합니다.

3단계 — 결정립 성장(Grain Growth): 충분한 시간이 지나면 접합 계면을 가로질러 결정립이 성장하여, 원래의 접합면이 소멸하고 완전한 금속학적 결합이 이루어집니다.

확산접합의 3대 공정 변수

1. 온도(Temperature): 재료 융점의 50~90% (절대 온도 기준). 온도가 높을수록 확산 속도가 빠르지만, 과도한 결정립 성장과 소재 변형 위험

2. 압력(Pressure): 접합면의 밀착을 위한 가압. 일반적으로 3~70MPa. 재료의 고온 항복 강도 이하로 설정하여 거시적 변형을 최소화

3. 시간(Time): 원자 확산에 충분한 시간. 수 분~수 시간. 온도와 압력이 높으면 시간을 단축 가능

분위기(Atmosphere): 진공(Vacuum) 또는 불활성 가스(Ar, He) 분위기에서 수행합니다. 산소가 존재하면 접합면에 산화막이 재형성되어 접합을 방해합니다.

중간층(Interlayer) 사용: 이종 금속 접합 시, 양쪽 금속과 호환성이 좋은 얇은 금속 박(Foil)을 중간에 삽입하여 접합성을 향상시킵니다. 예: 티타늄-강 접합 시 바나듐(V) 중간층.

적용 분야와 한계

주요 적용:
- 항공우주: 티타늄 합금 구조물, 허니콤 패널
- 전자: 반도체 패키징, 열교환기 마이크로채널
- 에너지: 클래드 재료(바이메탈), 핵연료 피복관
- 금형: 복잡한 냉각 채널이 내장된 금형 제작

장점:
- 이종 금속 접합 가능
- 용융이 없어 HAZ가 매우 좁음
- 잔류 응력과 변형이 극히 적음
- 접합부 성질이 모재에 가까움

한계:
- 매우 긴 공정 시간 (수 시간 소요)
- 진공 또는 불활성 분위기 장비 필요 — 고비용
- 접합면 표면 조도가 매우 중요 (정밀 가공 필요)
- 대형 부품에는 균일한 가압이 어려움
- 비파괴검사로 접합 품질 확인이 어려움