Quali sono i meccanismi di legame nei laminati metallici ottenuti mediante tecniche di bonding a freddo?

La tecnica di cold roll bonding, ovvero il legame a freddo, si distingue dalla tecnica tradizionale di legame a caldo, non solo per la temperatura di lavorazione, ma anche per le caratteristiche uniche del processo. A temperatura ambiente, questo processo richiede una riduzione del materiale superiore al 60% durante la prima passata di laminazione, insieme a un equipaggiamento ad alta precisione per garantire la qualità del legame. Tra i principali vantaggi di questa tecnica, c'è la possibilità di regolare facilmente lo spessore delle fasi intermetalliche (IMC) attraverso trattamenti termici, senza compromettere l'integrità del materiale circostante il punto di legame. Inoltre, il processo evita l'ossidazione della matrice metallica, un fenomeno che potrebbe compromettere la qualità del legame in tecniche a caldo.

Una delle applicazioni più studiate di questa tecnica riguarda i laminati Al/Ti ottenuti mediante bonding a freddo e successivo trattamento termico. In uno studio condotto da Yu et al., è stata investigata la microstruttura e le proprietà meccaniche di un laminato Al/Ti/Al sottoposto a diverse durate di annealing. I risultati hanno rivelato che la combinazione di cold roll bonding e annealing consente la formazione di laminati metallici tri-modali, composti da alluminio a grana grossa, titanio a grana ultrafina e particelle di TiAl3. Quando il laminato veniva sottoposto ad annealing per 24 ore, si osservava un incremento significativo della resistenza allo snervamento, accompagnato da una buona duttilità.

Dal punto di vista della microstruttura, dopo la fase di cold roll bonding, le lamine di titanio subiscono una frattura e dispersione nelle lamine di alluminio, creando una struttura complessa in cui la fase più dura, il titanio, subisce una deformazione plastica locale e si separa. In seguito all'annealing, però, si osserva la crescita di una fase intermetallica (TiAl3) tra i due materiali. Questo comportamento evolutivo della microstruttura dipende dal tempo di annealing e dalla temperatura, con l'interfaccia che si modifica significativamente man mano che la fase TiAl3 si espande e distribuisce.

Le simulazioni FE suggeriscono che il processo di formazione di TiAl3 segue due modalità principali: il controllo della reazione e il controllo della diffusione. In una fase iniziale, quando lo strato intermetallico è sottile, la reattività del titanio è il fattore predominante, poiché l'approvvigionamento di atomi di alluminio è quasi istantaneo. Tuttavia, quando il legame intermetallico cresce e diventa più spesso, la diffusione dei componenti tra le fasi diventa il passo determinante.

In pratica, con il passare del tempo di annealing, l'effetto di diffusione diventa sempre più evidente. La crescita dello strato TiAl3, infatti, dipende da un bilanciamento tra la reazione chimica e il movimento degli atomi nel materiale, con la diffusione che assume il controllo man mano che il tempo aumenta.

Dalle osservazioni sperimentali emerge che la durata dell'annealing è fondamentale non solo per la crescita dello strato intermetallico, ma anche per il mantenimento della stabilità della microstruttura complessiva del laminato. Infatti, dopo 48 ore di trattamento termico, non si osservano più strati di titanio puro, ma solo particelle di TiAl3 distribuite in modo più uniforme. Questo indica che la formazione completa del legame tra il titanio e l'alluminio è avvenuta con il massimo della stabilità possibile.

In sintesi, il cold roll bonding combinato con un annealing controllato permette di produrre laminati metallici compositi con proprietà meccaniche notevoli, in particolare per applicazioni che richiedono una combinazione di alta resistenza e buona duttilità. L'evoluzione della microstruttura, che passa da un iniziale stato frammentato e disperso a uno stadio finale di interfacce intermetalliche stabili, è cruciale per il successo di questa tecnologia.

Qual è l'effetto della temperatura di ricottura sull'adesione e le proprietà meccaniche dei laminati Cu/Al/Cu?

L'analisi delle superfici di distacco dei laminati Cu/Al/Cu dopo diverse trattamenti di ricottura evidenzia la complessità dei fenomeni che governano la formazione di legami metallici tra i materiali e il miglioramento delle proprietà meccaniche dei laminati. In particolare, l'effetto della temperatura di ricottura, che varia tra i 350°C e i 550°C, gioca un ruolo cruciale nell'influenzare le proprietà fisiche e meccaniche delle interfacce dei laminati, determinando il tipo e la quantità di fasi intermetalliche che si formano, nonché la forza di adesione tra i metalli.

A temperature di ricottura di 350°C, la superficie di distacco dei laminati mostra la presenza di piccole zone di void residui e una modesta diffusione degli atomi tra il rame (Cu) e l'alluminio (Al), suggerendo che i legami tra i due metalli sono ancora relativamente deboli. Tuttavia, l'applicazione di un ulteriore processo di laminazione a freddo favorisce una maggiore interazione tra gli atomi di Cu e Al, promuovendo la formazione di legami metallici più forti. Le superfici di distacco mostrano una morfologia complessa, con composti come CuAl2 e Cu9Al4 che si formano nelle zone di peeling, indicando un aumento della forza di adesione.

Al contrario, l'aumento della temperatura di ricottura a 550°C produce effetti meno favorevoli. Le superfici di distacco presentano una maggiore quantità di CuAl, una fase intermetallica più dura e fragile, che compromette la qualità del legame metallico. Questo fenomeno è particolarmente evidente dopo l’ulteriore processo di laminazione a freddo, che riduce la larghezza della zona di diffusione, ma non è sufficiente a migliorare la resistenza meccanica globale del laminato. Le caratteristiche della frattura durante il test di trazione mostrano un comportamento fragile e la rottura dell'interfaccia intermetallica contribuisce alla diminuzione della forza di trazione.

L'importanza di una temperatura di ricottura ottimale emerge chiaramente dai test di trazione, che evidenziano come i laminati trattati a 450°C presentino i migliori risultati, con la massima resistenza a trazione e allungamento. La resistenza a trazione dei laminati trattati a 350°C è inferiore, mentre quelli trattati a 550°C, nonostante un’apparente maggiore durezza, mostrano una rottura più fragile e meno plastica. Ciò suggerisce che la creazione di uno strato intermetallico né troppo sottile né troppo spesso è cruciale per ottenere una buona combinazione di resistenza meccanica e plasticità.

Come l'aggiunta di HEAps migliora le proprietà meccaniche degli MMCs AA5083

La distribuzione delle fasi HEAps nei compositi AA5083/HEAps ha un impatto diretto sulle proprietà meccaniche del materiale. Le immagini SEM e la distribuzione delle dimensioni dei grani di AA5083 e degli MMCs AA5083/Al0,5CoCrFeNi con 1% e 3% in peso di HEAps (Fig. 5.17) mostrano chiaramente la differenza tra i materiali colati e quelli trattati. Nella fase di colata, le HEAps sono distribuite in modo relativamente uniforme, con una dimensione media di circa 15–20 μm. Dopo il trattamento di laminazione a freddo, questa dimensione si riduce sensibilmente a 5–10 μm, mentre in alcune aree si osservano fratture delle particelle di HEAps, segnalate dalle linee bianche nei micrografi (Fig. 5.18).

Anche il trattamento di laminazione, sia a caldo che a freddo, influisce significativamente sulle proprietà meccaniche. Dopo una riduzione del 50% dello spessore, la UTS degli MMCs con il 3% di HEAps raggiunge i 380 MPa con la laminazione a caldo e oltre 400 MPa con la laminazione a freddo. Con una riduzione dello spessore dell'80%, la UTS raggiunge i 429 MPa. Tuttavia, l'allungamento a rottura continua a diminuire con l'aumento della percentuale di HEAps e della riduzione dello spessore. La durezza dei materiali aumenta con il trattamento di laminazione, con un incremento di circa il 35% rispetto al materiale colato.

Le osservazioni microstrutturali rivelano che la frattura del materiale colato avviene in modo ductile, con la presenza di ampi dimples sulla superficie di rottura. L'introduzione del 3% di HEAps riduce la dimensione e la densità dei dimples, suggerendo che la frattura avvenga in modo più fragile, con una propagazione lungo il piano di interfaccia tra le particelle di HEAps e la matrice di AA5083. Le immagini SEM delle superfici di frattura dei campioni trattati con laminazione a caldo e a freddo mostrano una struttura di frattura più fine e densa, con dimples più piccoli e profondi nei campioni sottoposti a laminazione a freddo (Fig. 5.20).

L'analisi dei meccanismi che migliorano le proprietà meccaniche degli MMCs AA5083/HEAps durante la laminazione a freddo evidenzia che le HEAps agiscono come nucleanti durante la fase di colata, favorendo la formazione di grani più fini e una migliore distribuzione delle particelle nella matrice di alluminio. La laminazione a freddo provoca una riduzione significativa delle dimensioni delle HEAps, favorendo un miglioramento delle proprietà meccaniche attraverso il rafforzamento da dislocazioni, come dimostrato dai test di trazione e durezza.

È interessante notare che, sebbene le proprietà meccaniche migliorino con l'aggiunta di HEAps, la presenza di difetti da colata, come vuoti e porosità, possa influire negativamente sulle proprietà finali del materiale. I vuoti osservati nelle immagini SEM dei campioni colati (Fig. 5.17) scompaiono dopo il trattamento di laminazione, riducendo l'influenza negativa di tali difetti. Questo fenomeno sottolinea l'importanza del trattamento meccanico post-colata nel miglioramento delle caratteristiche del materiale.

Il miglioramento delle proprietà meccaniche degli MMCs AA5083/HEAps è attribuibile a tre principali meccanismi di rinforzo: il rafforzamento da affinamento dei grani, l'aggregazione dislocazionale e l'interazione tra la matrice e le particelle di HEAps. Questi meccanismi sono cruciali per comprendere come la combinazione di particelle HEAps e trattamento meccanico possa portare a un materiale ad alte prestazioni, adatto per applicazioni industriali in cui è richiesta una resistenza meccanica superiore.

In che modo il processo di Asymmetric Cryorolling (ACR) migliora le proprietà meccaniche degli MMC Al/HEAp?

Il miglioramento delle proprietà meccaniche dei compositi metallico-matrici (MMC) Al/HEAp attraverso il processo di Asymmetric Cryorolling (ACR) è un fenomeno che merita attenzione. Rispetto ai compositi trattati tramite il tradizionale processo di rolling a temperatura ambiente (AR), il processo ACR ha mostrato significativi aumenti della microdurezza e della resistenza meccanica, conferendo ai materiali trattati una maggiore durabilità e prestazioni superiori in vari contesti.

Innanzitutto, è stato osservato che la microdurezza degli MMC Al/HEAp sottoposti a ACR è aumentata del 7,2% rispetto ai campioni trattati con AR. Il valore della microdurezza per i compositi ACR è cresciuto in modo proporzionale all'incremento della riduzione di laminazione, che, passando dal 80% al 90%, ha visto un aumento da 76 HV a 84 HV. Questi risultati suggeriscono che l'ACR sia particolarmente efficace nel migliorare la durezza dei materiali, un aspetto cruciale per la loro resistenza all'usura e la loro durata in condizioni di stress meccanico.

Un altro aspetto che distingue i compositi ACR dai trattamenti AR è l'allungamento. Mentre i campioni AR mostrano un allungamento del 4,3%, i campioni ACR hanno raggiunto un allungamento del 7%. Questo aumento suggerisce che, nonostante l'incremento della resistenza, i compositi ACR non sacrificano la duttilità, il che è fondamentale per applicazioni in cui è richiesta una buona deformazione plastica prima della rottura.

Le morfologie di frattura sottolineano ulteriormente le differenze tra i due trattamenti. Nei campioni AR, si osservano superfici di frattura caratterizzate da fratture fragili e fessure, con una presenza limitata di dimples, che indicano una frattura di tipo fragile. Al contrario, nei campioni ACR, la morfologia di frattura è dominata da una maggiore densità di dimples, segno di una frattura di tipo mista e una buona duttilità, anche a riduzioni elevate come quella del 95%. Questo comportamento dimostra che il processo ACR non solo aumenta la resistenza dei materiali, ma migliora anche le loro proprietà di deformazione, prevenendo la rottura fragile.

Inoltre, l’aumento della densità di dislocazioni durante l’ACR, grazie alla differenza di temperatura tra i processi AR e ACR, contribuisce a un aumento della resistenza meccanica. La maggiore densità di dislocazioni impedisce il movimento delle dislocazioni stesse, rafforzando la struttura del materiale. Questo fenomeno è complementato dal rafforzamento tramite il disallineamento della griglia atomica, che aumenta la resistenza alla scivolamento delle dislocazioni, migliorando ulteriormente la resistenza del composito.

Un aspetto cruciale, spesso trascurato, è il miglioramento delle proprietà di deformazione nei compositi trattati tramite ACR. Sebbene il processo migliori in modo significativo la resistenza alla trazione e alla deformazione plastica, esso conserva un equilibrio tra rigidità e duttilità, che è fondamentale per applicazioni in cui la combinazione di alta resistenza e capacità di deformazione è essenziale. L'ACR, infatti, evita il compromesso che spesso si verifica in altri processi di lavorazione dei metalli, dove l'incremento della durezza può portare alla riduzione della duttilità, conferendo così ai materiali trattati una maggiore versatilità.