Qual è l’evoluzione microstrutturale e le proprietà meccaniche dei compositi metallici Al/TiC durante il processo ARB?

L’industria dei compositi metallici ha visto un notevole progresso negli ultimi decenni, in particolare grazie a tecnologie avanzate di formatura e rinforzo, come l'Advanced Rolling Bonding (ARB). L'evoluzione microstrutturale e le proprietà meccaniche degli Al/TiC (alluminio/Titanio Carbide) durante il processo ARB sono temi di grande rilevanza per applicazioni ad alte prestazioni, dove si richiedono materiali leggeri ma resistenti, con caratteristiche di durezza e resistenza alla corrosione elevate.

Durante il processo ARB, la microstruttura degli Al/TiC evolve in modo significativo. Inizialmente, le particelle di TiC sono distribuite in modo irregolare, ma man mano che il materiale subisce ulteriori cicli di deformazione, si osserva una riduzione della dimensione delle particelle e una loro distribuzione sempre più omogenea. Questo fenomeno è particolarmente importante, poiché una dispersione fine e uniforme delle particelle di TiC contribuisce alla maggiore resistenza alla deformazione plastica del composito. Inoltre, l'interfaccia tra le particelle di TiC e la matrice metallica diventa più solida e stabile con l'aumento dei cicli di ARB, migliorando le proprietà generali del materiale.

Oltre a ciò, è fondamentale considerare l'effetto della temperatura e delle condizioni di deformazione sul comportamento delle particelle di TiC durante il processo. A temperature troppo elevate, le particelle di TiC possono subire fenomeni di agglomerazione, che compromettono l’omogeneità del rinforzo e riducono l'efficacia del processo. Per contro, una deformazione a bassa temperatura potrebbe non consentire una distribuzione adeguata delle particelle di TiC, limitando i benefici del rinforzo.

Il processo ARB, purtroppo, non è privo di limitazioni. Sebbene offra vantaggi evidenti in termini di costi e controllo del processo rispetto ad altre tecnologie di produzione di compositi, la qualità del materiale finale dipende strettamente dalla gestione accurata delle variabili di processo. La formazione di una solida interfaccia metallurgica tra la matrice e il rinforzo è cruciale per garantire le prestazioni ottimali, e questo può essere influenzato negativamente da difetti come la formazione di porosità o la mancanza di una distribuzione omogenea del rinforzo.

Infine, l'adozione di particelle nano-ceramiche in compositi metallici rappresenta una delle direzioni più promettenti per il miglioramento delle proprietà meccaniche e fisiche dei materiali. In particolare, i compositi rinforzati con particelle ceramiche di dimensioni nanometriche hanno il potenziale di migliorare ulteriormente le proprietà termiche e di resistenza al danno, rendendoli particolarmente utili per applicazioni in ambiti come l'industria aerospaziale, la difesa e l'energia, dove la combinazione di leggerezza, forza e resistenza alle alte temperature è cruciale.

Questi materiali, purtroppo, non sono ancora perfetti e necessitano di ulteriori sviluppi per ottimizzare il loro comportamento sotto condizioni di carico estremo. La ricerca futura si concentrerà sicuramente sul miglioramento della distribuzione e stabilità delle particelle nano-ceramiche, nonché sull'efficienza dei processi di fabbricazione che possano ridurre i costi e migliorare le prestazioni in larga scala.

Come la deformazione plastica severa e le inclusioni nanoscala causano la formazione di pori nella laminatura Cu/Al/Cu

Durante la laminatura, si verifica una concentrazione di tensione nel lato di uscita del materiale, come mostrato in Figura 3.30b, dove il massimo stress di trazione nel strato di alluminio (Al) è una funzione del rapporto di spessore tra Al e Cu. L'equazione (3.16) descrive chiaramente come lo stress di trazione aumenti al diminuire dello spessore del strato di alluminio. Questa concentrazione di tensione è direttamente correlata alla formazione di una struttura nano-porosa nel laminato Cu/Al/Cu a seguito della laminatura, un fenomeno che deve essere preso in considerazione quando si progettano nuovi materiali compositi.

Il fallimento dei materiali omogenei e eterogenei è solitamente causato dalla nucleazione e dalla crescita di pori o microfessure nei punti deboli del materiale. La frattura di un materiale fortemente deformato avviene a causa delle concentrazioni locali di stress, che sono spesso associate a interfacce debolmente legate tra inclusioni dure e la matrice morbida, o interfacce contaminate e confini di grano. Nella presente ricerca, sono stati utilizzati fogli di AA1230, che contengono elementi di lega come Fe + Si (0,7%) e Cu (0,1%). Questi elementi sono più difficili da deformare rispetto alla matrice di alluminio. Le inclusioni a livello nanometrico, visibili in Figura 3.31, svolgono un ruolo cruciale nel generare concentrazioni di stress locali che portano alla formazione di pori di dimensioni nanometriche.

È più probabile che la formazione della maggior parte dei pori sia causata dall'ossidazione superficiale tra i sottostrati di Al introdotta durante il processo di laminatura a più passaggi. Questa separazione potrebbe verificarsi nell'interfase Al/Al2O3|Al2O3/Al, che rappresenta il punto più debole sotto tensione di trazione nel lato di uscita del processo di laminatura, favorendo così l'inizio e la crescita dei vuoti. Questo tipo di fenomeno di decoesione tra i grani di alluminio lungo il piano basale porta alla formazione di una struttura a schiuma con pareti facettate durante il processo di laminatura, e dovrebbe essere contrastato dalla deformazione duttile con più sistemi di scorrimento, che promuovono la morfologia di frattura a cavità di Al nei test di trazione.

La separazione da decoesione che avviene sotto la tensione di trazione nella direzione normale potrebbe anche essere legata a bolle d'aria residue o a contaminanti superficiali intrappolati tra i sottostrati di Al. Il fallimento prematuro del materiale nel strato di alluminio in questa direzione potrebbe essere associato al rinforzo del materiale durante il processo di laminatura, che accelera principalmente lo sviluppo dell'allungamento del materiale nella direzione di laminazione. Il meccanismo dietro questa osservazione non è ancora completamente compreso, e sono necessari ulteriori studi per sviluppare un nuovo modello in grado di gestire il processo dinamico dei materiali eterogenei a più strati nella produzione di nuovi materiali avanzati.

L'elevata resistenza dell'interfaccia di fase tra Cu e Al rispetto alla struttura intergranulare interna dell'alluminio porta direttamente alla formazione di una struttura a sandwich a schiuma senza difetti significativi nella regione di legame tra i strati di Cu e Al. Questo comportamento del materiale deve essere compreso in modo più approfondito per prevedere e ottimizzare la sua lavorabilità nei processi industriali.

Come il Rapporto di Riduzione Influenza il Comportamento di Legame dell'Interfaccia

Il comportamento di legame dell'interfaccia è strettamente legato al rapporto di riduzione e alle condizioni di deformazione, come dimostrato dalle osservazioni micrografi SEM delle zone di legame dell'interfaccia su campioni sottoposti a deformazione compressiva. A partire da un rapporto di riduzione pari a zero, in cui la zona di interfaccia è perlopiù disconnessa, fino a un valore elevato di riduzione, si osservano notevoli cambiamenti nella morfologia della zona di legame.

Quando il rapporto di riduzione è pari a zero, la zona di interfaccia è per lo più separata, con una formazione di legame limitata a piccole aree locali dove la temperatura e la resistenza termica non uniforme favoriscono una piccola diffusione atomica. In questi casi, le distanze tra le interfacce sono troppo ampie per consentire un salto diretto degli atomi attraverso la fessura, impedendo un legame significativo. Al contrario, quando il rapporto di riduzione aumenta, ad esempio al 10%, la zona di legame si espande, sebbene non completamente, a causa della presenza di ampie cavità che persistono nell'interfaccia. La deformazione compressiva favorisce il contatto tra le protuberanze sulle interfacce, aumentando la superficie di contatto e migliorando il legame grazie alla combinazione della diffusione atomica indotta dallo stress e dai gradienti termici.

All'aumentare del rapporto di riduzione, la zona di transizione del legame si restringe gradualmente e la differenza nella microstruttura tra la zona di transizione e il resto della matrice diventa meno marcata. In questo caso, l'aumento della deformazione porta a una maggiore diffusione atomica, favorendo il processo di legame tra le interfacce. Con un rapporto di riduzione pari al 50%, i grani nella zona di legame sono simili a quelli della matrice, e la microstruttura non è più costituita solo da ferrite, come evidenziato nelle micrografie SEM.

L'analisi quantitativa della zona di legame, rappresentata dalla relazione tra il numero di cavità residue e il rapporto di riduzione, indica che la qualità del legame dell'interfaccia migliora con l'aumento del rapporto di riduzione. Man mano che la deformazione aumenta, cresce anche la forza di diffusione atomica, accelerando il processo di legame. Questo fenomeno è ulteriormente esacerbato dall'aumento della distorsione del reticolo, che aggiunge energia al sistema, favorendo la formazione di legami.

Un altro fattore cruciale che incide sul comportamento del legame dell'interfaccia è il numero di passaggi di deformazione. Quando il numero di passaggi aumenta, la deformazione totale viene distribuita su più fasi, ma ogni singolo passaggio apporta una minore deformazione, il che può causare una formazione incompleta del legame e un maggior numero di cavità residue. Al contrario, quando il numero di passaggi è ridotto, come nel caso di una deformazione singola che porta a un 50% di riduzione, le cavità residue sono molto meno evidenti, con un legame dell'interfaccia decisamente migliore.

Anche la velocità di deformazione gioca un ruolo determinante. A velocità elevate, come 15 s⁻¹, le cavità nell'interfaccia sono più grandi e distribuite linearmente. Tuttavia, man mano che la velocità di deformazione diminuisce, la qualità del legame dell'interfaccia migliora, con una riduzione della dimensione e del numero delle cavità. A velocità di deformazione molto basse (0,01 s⁻¹), il legame dell'interfaccia è ottimale, e la zona di transizione diventa praticamente indistinguibile.

Il comportamento di legame dell'interfaccia è, quindi, il risultato di un'interazione complessa tra fattori come il rapporto di riduzione, il numero di passaggi di deformazione e la velocità di deformazione. Ogni fattore influisce direttamente sulla diffusione atomica, sulla ricristallizzazione e sulla formazione del legame tra le interfacce. Le cavità residue, che sono indicative di legami incompleti, diminuiscono significativamente con un aumento del rapporto di riduzione, una diminuzione del numero di passaggi e una riduzione della velocità di deformazione.

Come l'aggiunta di HEAp migliora le proprietà meccaniche e la lavorabilità dei compositi AA2024/HEAp

Il comportamento della dislocazione nei materiali compositi è uno degli aspetti fondamentali che determinano la loro resistenza meccanica. L'interazione tra le dislocazioni e i piani di scivolamento può aumentare significativamente la resistenza alla deformazione plastica, contribuendo così a rafforzare il materiale. In particolare, il ridotto ingrandimento volumetrico ottenuto in seguito alla deformazione plastica gioca un ruolo positivo nel miglioramento delle proprietà di resistenza alla dislocazione. In questo contesto, i compositi AA2024 rinforzati con particelle HEAp (High Entropy Alloy Particles) presentano un notevole miglioramento delle proprietà meccaniche, grazie principalmente alla loro microstruttura evolutiva e alla distribuzione omogenea delle particelle rinforzanti.

I compositi AA2024/HEAp sono stati preparati utilizzando una tecnologia di fusione convenzionale, un metodo che consente la produzione industriale in larga scala del materiale. Durante il processo di fusione dell'alluminio, sono stati introdotti gli HEAp attraverso una mescolatura meccanica, che ha permesso di distribuire uniformemente le particelle nel matrice di alluminio. L'addizione di HEAp ha avuto un effetto significativo sulla microstruttura del composito, con una notevole riduzione delle dimensioni dei grani, il che ha portato a una maggiore resistenza del materiale.

Le immagini al microscopio elettronico a scansione hanno rivelato che le particelle cristalline, in particolare quelle in AA2024, sono distribuite in modo reticolato intorno ai bordi di grano e alle sotto-strutture dei grani. Con l'aumento della percentuale di HEAp, la densità delle particelle cristalline è aumentata, ma le loro dimensioni sono diminuite e la morfologia è diventata più discontinua. Queste modifiche nella microstruttura sono una conseguenza dell'arricchimento delle particelle cristalline in aree ad alta energia, come i confini dei grani e le sotto-sotto-strutture.

Dal punto di vista meccanico, l'addizione di HEAp ha portato a un miglioramento della durezza e della resistenza alla trazione dei compositi AA2024/HEAp. In particolare, i campioni con l'1% di HEAp hanno mostrato un aumento significativo della durezza e una resistenza alla trazione maggiore rispetto ai campioni senza HEAp. Tuttavia, un'aggiunta del 3% di HEAp ha causato una lieve diminuzione della resistenza alla trazione, associata a una riduzione dell'allungamento. Un altro aspetto interessante riguarda il trattamento termico post-laminazione: i compositi sottoposti a criorolatura (laminazione a −100°C) hanno mostrato un miglioramento sia della resistenza alla trazione che dell'allungamento, con proprietà complessive superiori rispetto a quelli trattati con altre tecniche di lavorazione.

L'influenza della criorolatura sui compositi AA2024/HEAp si è dimostrata particolarmente efficace nel migliorare la durezza e la resistenza meccanica complessiva del materiale, mentre il trattamento di invecchiamento artificiale ha permesso di ottimizzare ulteriormente le prestazioni del composito. I risultati hanno mostrato che il composito con l'1% di HEAp, dopo un trattamento di invecchiamento naturale, ha raggiunto una resistenza alla trazione di 543 MPa, con un allungamento del 10%, un miglioramento significativo rispetto ai valori ottenuti per l'AA2024 senza HEAp.

L'addizione di HEAp ai compositi AA2024 non si limita solo alla rifinitura della grana, ma contribuisce anche alla formazione di una maggiore quantità di confini di sotto-grano, che svolgono un ruolo cruciale nell'ulteriore miglioramento delle prestazioni meccaniche. La sostituzione del rame (Cu) nei composti cristallini con altri elementi, come il cobalto (Co), il ferro (Fe) e il nichel (Ni), ha influito sul comportamento complessivo del composito, riducendo la dimensione media dei grani e aumentando la discontinuità morfologica, migliorando quindi le proprietà meccaniche del materiale.