Qual è l'effetto delle temperature di ricottura e della riduzione della laminazione sulla forza di adesione dei laminati Cu/Al/Cu?

Il processo di produzione dei laminati Cu/Al/Cu, utilizzando il metodo in-tube, comporta una serie di fasi critiche che influenzano notevolmente le proprietà meccaniche del prodotto finale. I laminati, con uno spessore che varia da 10 mm a 0,5 mm, richiedono passaggi di laminazione a freddo che garantiscano una superficie liscia, senza crepe evidenti, per ottenere un rendimento elevato del materiale. Durante il processo di laminazione, la connessione tra il rame (Cu) e l’alluminio (Al) è determinata da strati intermetallici che si formano all’interfaccia dei due metalli, e la qualità di questi strati dipende fortemente dalle condizioni termiche e dalla successiva riduzione in spessore.

Tuttavia, il processo di riduzione in spessore mediante laminazione a freddo, specialmente quando il materiale è ricotto a temperature elevate (come 550°C), ha un impatto negativo sulla continuità e sull'adesione dell'interfaccia di legame. I laminati ricotti a 550°C, con uno strato intermetallico spesso, mostrano fratture evidenti nella zona di diffusione dopo laminazione, a causa delle forze elevate che penetrano nella struttura del laminato. Questo porta a una riduzione della forza di adesione, poiché gli strati intermetallici, essendo fragili, si rompono durante il processo di laminazione, riducendo la resistenza al distacco tra i materiali.

Un altro aspetto importante da considerare è l'effetto Kirkendall, che porta alla formazione di vuoti vicino alla superficie del rame durante la ricottura. La migrazione degli atomi attraverso l'interfaccia Cu/Al può generare uno strato debole che riduce ulteriormente la forza di adesione, creando aree vulnerabili che compromettono l'integrità del legame. L'analisi delle superfici di distacco, osservata mediante SEM e spettroscopia EDS, rivela che la rugosità della superficie di distacco è strettamente correlata alla resistenza al distacco. Superfici più rugose indicano una migliore integrazione tra i materiali, mentre una superficie liscia è tipica di legami più deboli, caratterizzati da difetti come piccole crepe e vuoti.

Infine, è importante osservare come la riduzione dello spessore e l'annealing influenzino non solo la forza di adesione ma anche la morfologia del legame tra i metalli. La formazione di fasi intermetalliche come Cu9Al4 e CuAl è cruciale per determinare la resistenza meccanica e la durabilità del materiale. Nei campioni ricotti a 350°C e ulteriormente ridotti in spessore, la superficie di distacco risulta molto più ruvida, con la comparsa di nuovi composti che contribuiscono a migliorare le proprietà meccaniche del laminato.

Come il trattamento criogenico influenza le proprietà meccaniche degli Al/HEAp MMCs

L'aumento della densità di dislocazioni durante l'ACR non è solo una risposta alla deformazione, ma anche una conseguenza della natura dell'ambiente criogenico. L'alta densità di dislocazioni, combinata con i confini di grano più fini, aumenta la difficoltà del movimento dislocazionale, migliorando così la resistenza al cedimento plastico del materiale. Questo fenomeno è ulteriormente amplificato dal meccanismo di rinforzo di Orowan, che ostacola il movimento delle dislocazioni attraverso particelle nanoscopiche presenti nel materiale, come nel caso del particolato HEAp. L'HEAp in questi compositi si rifinisce ulteriormente durante il trattamento criogenico, aumentando il numero di particelle dislocate, come mostrato nell'immagine SEM del materiale dopo il trattamento.

Quando si osservano i composti Al/HEAp in ambienti criogenici, la struttura dei particolati HEAp rimane ben distribuita e senza la formazione di microvuoti tra la matrice e le particelle, il che garantisce una forte adesione interfaccia tra i componenti. Le immagini TEM rivelano una densità di dislocazioni più elevata attorno alle particelle HEAp, con una crescente formazione di celle dislocazionali, che indicano il continuo accumulo di dislocazioni che contribuiscono al miglioramento delle proprietà meccaniche del materiale.

Le tecniche di analisi come la diffrazione XRD e l'analisi EDS mostrano che i composti HEAp hanno una struttura BCC (Body-Centered Cubic) caratteristica e una distribuzione uniforme degli elementi, inclusi Cr, Co, Fe e Ni. Tali caratteristiche contribuiscono ulteriormente al miglioramento delle proprietà meccaniche dei compositi, dimostrando la stabilità e l'efficacia del trattamento criogenico nella modifica delle loro caratteristiche strutturali.

In sintesi, l'ACR conferisce agli Al/HEAp MMCs una microstruttura più fine, con una densità di dislocazioni superiore rispetto agli AR Al/HEAp MMCs. Questo trattamento contribuisce a un rafforzamento significativo, che si riflette non solo nella maggiore resistenza alla deformazione plastica, ma anche nella robustezza delle proprietà meccaniche a temperature criogeniche. Inoltre, l'interazione tra la matrice di alluminio e le particelle HEAp, esaltata dall'ACR, è fondamentale per ottenere una combinazione ottimale di resistenza, durezza e duttilità.

L'importanza di questi miglioramenti non si limita solo alla comprensione della resistenza meccanica del materiale, ma riguarda anche l'applicazione di questi composti in ambienti estremi, dove le performance a basse temperature sono cruciali. La capacità di ottenere materiali con microstrutture migliorate e proprietà meccaniche superiori apre nuove possibilità per l'uso di Al/HEAp MMCs in tecnologie avanzate, dalla aeronautica alla medicina, dove la combinazione di leggerezza e resistenza è fondamentale.