Il processo di crescita della fase intermetallica TiAl3 nei laminati Ti/Al durante l'annealing a temperature elevate è un fenomeno complesso, che dipende strettamente dal tempo di trattamento termico. Come illustrato dalla figura 3.3b, la velocità di crescita di questa fase intermetallica è inizialmente rapida, ma tende a rallentare significativamente dopo un certo periodo di tempo. L'evoluzione della sua spessore segue una relazione esponenziale doppia, come suggerito dalle equazioni (3.2) e (3.3). Se il tempo di annealing è inferiore alle 48 ore, la fase TiAl3 cresce rapidamente, ma con l'aumento del tempo di trattamento, la crescita si stabilizza, mostrando una progressiva saturazione del processo di diffusione.

Le immagini ottenute tramite TEM, come quelle riportate nella figura 3.4, forniscono un'osservazione dettagliata di come la struttura dei laminati Ti/Al cambi in funzione del tempo di annealing. Dopo sei ore di trattamento, il campione presenta dei vuoti vicino alle matrici di Ti e Al, segno di una diffusione non uniforme tra gli atomi di Ti e Al. Questo fenomeno è noto come effetto Kirkendall, osservato in molte leghe intermetalliche, ed è responsabile della formazione di porosità nelle leghe Ti-Al. Con l'aumento del tempo di annealing, la separazione tra le particelle di TiAl3 cresce, e la dimensione dei vuoti diminuisce, come visibile nelle immagini delle figure 3.4b e 3.4c. Quando il trattamento dura 48 ore, la fase TiAl3 si stabilizza completamente, e la struttura del laminato diventa trimodale, con una matrice di Al a grana grossa, particelle di TiAl3 e una sottile matrice di Ti.

Da un punto di vista delle proprietà meccaniche, come illustrato nella figura 3.5, l'annealing ha un impatto significativo sulla resistenza e duttilità dei laminati Ti/Al. Dopo il trattamento a freddo, i laminati Ti/Al mostrano una buona resistenza, ma con una bassa duttilità. L'introduzione di un foglio di Ti durante la laminazione aumenta la resistenza a 210 MPa, ma riduce la capacità di deformazione plastica. Dopo l'annealing a 873 K per 6 ore, la resistenza diminuisce drasticamente e la duttilità rimane limitata. Tuttavia, un trattamento più lungo porta a un miglioramento delle proprietà meccaniche. A 12 ore di annealing, la resistenza al cedimento cresce a 100 MPa, mentre la deformazione uniforme aumenta a 0,4 mm. Un tempo di annealing più lungo, come 48 ore, porta a un aumento della resistenza a 135 MPa, mentre la capacità di deformazione continua a migliorare, grazie alla maggiore frazione della fase TiAl3 che contribuisce a un indurimento da deformazione.

Le immagini SEM della superficie di frattura dei campioni sottoposti a diversi tempi di annealing, come quelle riportate nella figura 3.6, mostrano un interessante cambiamento nelle modalità di frattura. Dopo 6 ore di trattamento, la superficie di frattura è molto estesa, segno di una frattura fragile. Al contrario, con tempi di annealing più lunghi, in particolare tra 12 e 48 ore, si osserva una notevole necking, segno di una maggiore capacità di deformazione plastica. Tuttavia, dopo 168 ore, la deformazione plastica diminuisce significativamente, con una riduzione dell'area di necking, a causa della crescita dei cristalli e della riduzione dei difetti.

L’evoluzione microstrutturale dei laminati Ti/Al durante l'annealing è legata a un complesso equilibrio tra la diffusione degli atomi di Ti e Al e la formazione delle fasi intermetalliche. Come mostrato nella figura 3.7, la struttura trimodale comprende una matrice di Al a grana grossa, Ti a grana ultrafina e particelle di TiAl3. La distribuzione di queste particelle non è uniforme, ma tende a concentrarsi vicino agli strati di Ti e alle frontiere delle particelle di TiAl3. Questo comportamento può essere spiegato dalla legge di diffusione di Fick, che descrive come la concentrazione atomica vari in funzione della distanza di diffusione e del tempo di annealing. Tuttavia, nei casi di trattamento a lungo termine, l'interpretazione della distribuzione delle particelle di TiAl3 diventa complessa, e la diffusione non può spiegare completamente lo spazio tra le particelle stesse.

Nel contesto delle applicazioni pratiche, è fondamentale comprendere che l'ottimizzazione del processo di annealing non riguarda solo la crescita della fase TiAl3, ma anche l'effetto che questa ha sulle proprietà meccaniche complessive del laminato. Il miglioramento delle proprietà meccaniche può essere raggiunto solo con una corretta gestione del tempo e della temperatura di trattamento. Tuttavia, è altrettanto importante considerare gli effetti della diffusione degli atomi e la loro interazione con le fasi intermetalliche. L'equilibrio tra resistenza e duttilità è delicato e deve essere ottimizzato per garantire prestazioni eccellenti nei laminati Ti/Al, soprattutto in applicazioni ad alte temperature o in ambienti corrosivi.

La fabbricazione di laminati metallici tramite il processo di cryorolling: proprietà meccaniche e microstruttura

Il processo di roll bonding criogenico è una tecnologia emergente per la produzione di laminati metallici, che migliora significativamente le prestazioni generali della lamina composita, in particolare la qualità del legame interfaciale. Questo approccio è in grado di migliorare la microstruttura, la texture e le proprietà meccaniche dei materiali metallici, come dimostrato in vari studi su fogli di AA1060 processati a temperature criogeniche. In particolare, il cryorolling non solo affina ulteriormente i grani dei materiali sottoposti a trattamenti ARB (Accumulative Roll Bonding), ma migliora anche la resistenza alla trazione e la duttilità, senza compromettere le proprietà elettriche, come osservato nel caso di leghe di rame contenenti nichel, silicio e zirconio.

In uno studio sulle composizioni di Al/Ti/Al, è stato possibile evitare la formazione di crepe ai bordi, un problema comune nel processo di cold roll bonding, grazie all'adozione del cryorolling. Questo processo ha portato a un incremento del 36,7% della resistenza alla trazione rispetto al tradizionale cold roll bonding. Le forze di legame nei laminati di Al/Ti/Al sono influenzate dalla forza di ancoraggio meccanico, dal legame metallico e dalla resistenza alla trazione della lamina di alluminio, come osservato in un confronto tra laminati prodotti tramite cryorolling, cold rolling e hot rolling.

Un altro esempio di applicazione è la fabbricazione di laminati Cu/Al/Cu, in cui il cryorolling ha prodotto il miglior compromesso tra resistenza e duttilità, con incrementi significativi della resistenza allo snervamento grazie ai meccanismi di rinforzo per precipitazione, dislocazione e affinamento dei grani. La laminazione criogenica ha anche migliorato le proprietà meccaniche complessive, come dimostrato dai risultati sulle lastre AA3003, che hanno mostrato un miglioramento delle prestazioni rispetto alla laminazione a temperatura ambiente.

Nel caso di laminati AA1050/AA5052, il processo di ARB, combinato con il cryorolling, ha consentito di ottenere resistenze alla trazione elevate e allungamenti superiori. L'applicazione del cryorolling, in particolare, ha ritardato l'insorgere della frattura e migliorato la resistenza del legame interfaciale. Le osservazioni microscopiche hanno rivelato che, mentre la laminazione ARB portava a una frattura del materiale indurito e alla scarsa adesione dell'interfaccia, il cryorolling impediva la rottura precoce, migliorando l'uniformità della deformazione e mantenendo un'adesione interfaciale solida.

La comprensione dei meccanismi sottostanti al cryorolling è fondamentale per ottimizzare i processi di fabbricazione dei laminati metallici. L'affinamento della microstruttura, la gestione della densità delle dislocazioni e la riduzione della frattura nei materiali compositi sono alcuni dei fattori chiave che determinano il successo di questa tecnologia. Tuttavia, oltre a questi aspetti, è importante considerare anche la compatibilità tra i materiali coinvolti, in particolare per quanto riguarda le loro proprietà termiche e meccaniche, che influenzano significativamente i risultati finali del processo.

Come i trattamenti di laminazione influenzano le proprietà meccaniche dei laminati Al/Mg-Li

L'analisi dei laminati Al/Mg-Li sotto differenti trattamenti di laminazione rivela differenze significative nelle proprietà meccaniche e nelle strutture di orientamento dei vari strati. Le immagini acquisite tramite TEM in condizioni di laminazione a caldo (HR) seguite da un processo di riduzione della deformazione a temperature elevate (RTR) e di riduzione a freddo (CR) mostrano vari cambiamenti nelle dislocazioni e nelle interfacce di legame tra i materiali. In particolare, è stato osservato che il trattamento CR favorisce il meccanismo di bloccaggio meccanico tra i laminati, mentre il trattamento RTR porta a una maggiore densità di dislocazioni che, sebbene aumenti la resistenza meccanica, può anche causare la formazione di fessure nell'interfaccia di legame.

Per comprendere meglio la relazione tra il trattamento di laminazione e la microstruttura dei laminati, si sono esaminati i diagrammi di orientamento dei vari strati, in particolare del β-Li e del α-Mg, ottenuti dopo diverse modalità di laminazione. Il trattamento RTR ha prodotto una texture più marcata nel β-Li, indicando un maggiore accumulo di dislocazioni, mentre il trattamento CR ha migliorato la distribuzione della texture del β-Li e dell'α-Mg, risultando in una maggiore uniformità e, di conseguenza, in un miglioramento delle proprietà meccaniche complessive.

In termini di resistenza alla trazione, il laminato sottoposto a HR+RTR ha mostrato il miglior valore di UTS (resistenza ultima a trazione), ma con una riduzione significativa dell'allungamento, indicando una bassa duttilità. Al contrario, i laminati trattati con HR+CR hanno esibito un buon compromesso tra resistenza e allungamento, con una migliorata duttilità, pur avendo valori di UTS inferiori rispetto al trattamento RTR. Le curve di deformazione e di indurimento da deformazione evidenziano come il trattamento CR porti a un comportamento più omogeneo e meno incline alla frattura immediata, rispetto al trattamento RTR.

La forza di adesione tra i laminati è stata anch'essa influenzata dal tipo di laminazione. I laminati trattati con CR hanno mostrato una maggiore stabilità nella curva di peeling, con una forza di peeling più uniforme e un incremento della forza di adesione con l'aumento del tasso di riduzione. Questo suggerisce che il processo CR favorisce una migliore coesione tra i materiali, migliorando la resistenza al distacco rispetto al processo RTR.

In aggiunta, le misurazioni della microdurezza mostrano che la durezza della fase α-Mg aumenta significativamente dopo il trattamento RTR, mentre per i laminati CR non si osservano cambiamenti significativi. Questo potrebbe essere attribuito alla differenza nella composizione e alla diversa distribuzione delle fasi di β-Li tra i due trattamenti, con il processo RTR che porta a un aumento della fase β-Li, che è meno dura rispetto alla fase α-Mg. Ciò implica che la resistenza meccanica dei laminati durante il trattamento CR potrebbe dipendere in modo critico dalla composizione e dalla microstruttura della fase Mg-Li.

Un aspetto fondamentale da considerare, oltre a questi risultati, è la comprensione del bilanciamento tra resistenza e duttilità nei laminati multistrato. Il trattamento CR, sebbene porti a una maggiore elongazione e a una distribuzione più uniforme delle dislocazioni, potrebbe non essere sempre la scelta migliore se l'obiettivo principale è massimizzare la resistenza. Allo stesso modo, il trattamento RTR, pur offrendo una resistenza superiore, comporta una perdita significativa di duttilità, il che potrebbe limitare la sua applicabilità in scenari dove la deformazione plastica e la resistenza alla frattura sono cruciali. La scelta del trattamento di laminazione, quindi, deve essere basata su un'analisi dettagliata delle esigenze specifiche del materiale in uso e delle sue condizioni di utilizzo.

Come la Crio-Laminazione Asimmetrica Influenza le Proprietà Meccaniche dei Compositi Al/HEAp

Il trattamento di crio-laminazione asimmetrica (ACR) ha dimostrato di influenzare significativamente la microstruttura e le proprietà meccaniche dei compositi a matrice metallica (MMC) di alluminio rinforzati con particelle di HEAps (High Entropy Alloy Particles). Questo processo è in grado di migliorare la resistenza alla frattura e la durezza dei materiali, mantenendo, al contempo, una buona deformazione a rottura, rispetto ad altri trattamenti come la crio-laminazione tradizionale (HR).

Durante il trattamento di crio-laminazione, l'introduzione di particelle di HEAps nel matrice di alluminio causa una limitazione del recupero dinamico e della ricristallizzazione, fenomeni che si verificano normalmente a seguito di deformazioni plastiche. Quando il campo di deformazione viene introdotto nel materiale in un ambiente criogenico, si osserva un impedimento dei processi di recupero e ricristallizzazione. La presenza di particelle di HEAps sembra rafforzare l'interfaccia tra il rinforzo e la matrice, come dimostrato dalle immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM), che rivelano una buona adesione tra le fasi, soprattutto dopo il trattamento di crio-laminazione.

La densità di dislocazione aumenta significativamente quando il materiale subisce una riduzione di spessore tramite il processo di crio-laminazione. Questo accumulo di dislocazioni nella matrice di alluminio contribuisce ad aumentare la resistenza a trazione ultima (UTS). Nelle lastre MMC crio-laminati, la densità di dislocazioni è maggiore rispetto ai campioni trattati con la crio-laminazione tradizionale. L'effetto positivo di questa densità di dislocazioni è evidente nei campioni con maggiore resistenza meccanica e minore formazione di microfessure.

Un altro fenomeno interessante osservato con la crio-laminazione è il miglioramento dell'interfaccia tra le particelle di HEAps e la matrice di alluminio. Le immagini al SEM mostrano che, dopo il trattamento, le particelle di HEAps sono significativamente più piccole rispetto a quelle trattate con il processo di laminazione convenzionale. Questo ridotto dimensionamento delle particelle è indicativo di un miglioramento nella distribuzione e nella coesione tra la matrice e i rinforzi, che ha un impatto positivo sulle proprietà meccaniche globali del materiale.

Inoltre, il trattamento di crio-laminazione asimmetrica (ACR) ha permesso di ridurre la formazione di microvuoti e microfessure nel materiale. In confronto alla laminazione tradizionale a temperatura ambiente (AR), il trattamento ACR ha comportato una significativa diminuzione della densità di micropori, il che si traduce in una maggiore integrità del materiale. Questo è stato dimostrato dalle immagini al SEM e TEM, dove si evidenziano minori imperfezioni nel materiale trattato con il processo di crio-laminazione asimmetrica.

Le proprietà meccaniche, come la durezza micro, mostrano un incremento con l'aumento della riduzione di spessore durante il trattamento. I campioni trattati con ACR hanno mostrato una durezza superiore rispetto ai campioni trattati con AR, a parità di riduzione di spessore. In particolare, i compositi con una frazione di massa di 3% di HEAps hanno mostrato un incremento della durezza micro, che ha raggiunto un valore di 74 HV per i campioni trattati con ACR, rispetto ai 69 HV dei campioni trattati con AR.

Le analisi dei risultati mostrano che il processo ACR consente non solo di migliorare la resistenza meccanica, ma anche di mantenere una buona capacità di deformazione del materiale, aspetto fondamentale per le applicazioni in ambienti di alta resistenza. Il miglioramento delle proprietà meccaniche dei compositi Al/HEAp attraverso il trattamento di crio-laminazione asimmetrica suggerisce un potenziale per l'applicazione di questi materiali in settori che richiedono alta performance, come l'industria aerospaziale e automobilistica.

Nel contesto di questi sviluppi, è importante che il lettore comprenda che l'efficacia del trattamento di crio-laminazione dipende non solo dalla scelta dei materiali di partenza, ma anche dalle condizioni operative del processo, come la temperatura e la velocità di deformazione. Inoltre, il controllo della densità di dislocazione e la gestione delle particelle di rinforzo sono elementi chiave per ottenere i migliori risultati in termini di resistenza e deformabilità. Pertanto, la comprensione dei meccanismi di rafforzamento e della microstruttura risultante è essenziale per ottimizzare il processo e massimizzare le prestazioni dei compositi a matrice metallica.

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