Hoe koude roll-bonding de eigenschappen van metaallaminaten beïnvloedt

Koude roll-bonding is een geavanceerde techniek voor het fabriceren van metaallaminaten, waarbij metalen lagen op kamertemperatuur worden samengevoegd. Deze techniek biedt verschillende voordelen ten opzichte van traditionele warmroltechnieken, zoals het vermijden van oxidatie aan het matrixoppervlak rondom de verbinding en de mogelijkheid om de dikte van intermetallische verbindingen (IMC) door middel van warmtebehandeling nauwkeurig te regelen. De toepassing van koude roll-bonding vereist echter een aanzienlijke verlaging van de dikte (meer dan 60%) tijdens de eerste rolpassage, wat de complexiteit van het proces verhoogt. Het is belangrijk te begrijpen dat de mate van scheurvorming aan de randen van de laminaatmaterialen, vooral wanneer de matrix bestaat uit harde en brosse metalen, een uitdaging vormt voor de kwaliteit van de samengestelde materialen.

De mechanische eigenschappen van de laminaatmaterialen evolueren aanzienlijk naarmate de annealingtijd toeneemt. Finit-elementsimulaties van trekproeven toonden aan dat naarmate de annealingtijd langer wordt, de dikte van de TiAl3-laag toeneemt en het aantal vacuüms tussen de deeltjes geleidelijk afneemt. Bij een annealingtijd van 6 uur is er nog een aanzienlijke hoeveelheid vacuüm aanwezig in de interface tussen de TiAl3-deeltjes en de Al-matrix, maar na 24 uur is dit vacuüm volledig verdwenen. Dit fenomeen suggereert dat de diffusie van Al-atomen en de vorming van intermetallische verbindingen een belangrijke rol spelen in de verdere verbetering van de materiaalstructuur.

De toepassing van koudroll-bonding in combinatie met gecontroleerd annealen kan dus leiden tot het verkrijgen van laminaatmaterialen met uitzonderlijke mechanische eigenschappen, zoals hoge treksterkte en ductiliteit. Deze technieken bieden grote voordelen in de fabricage van metalen composieten, vooral wanneer de eigenschappen van de materialen precies moeten worden afgesteld voor specifieke toepassingen.

Hoe beïnvloedt cryorollen de microstructuur en mechanische eigenschappen van AA1050/AA6061 laminaten tijdens het verouderingsproces?

De microstructurele evolutie van AA1050/AA6061 laminaten ondergaat complexe veranderingen door de combinatie van verschillende mechanische en thermische processen, met name tijdens cryorollen en daaropvolgende veroudering. Tijdens meercyclische accumulatieve roll bonding (ARB) ontstaat een golvende en discontinu lamellaire structuur, wat wijst op lokale nekvorming en breuk binnen de composieten. Dit fenomeen wordt veroorzaakt door de ongelijke stromingseigenschappen en mechanische verschillen tussen de lagen, waarbij de hardere AA6061 laag neigt tot nekvorming en uiteindelijke fractuur, terwijl de zachtere AA1050 laag verdere plastische vervorming moet ondergaan om de structurele veranderingen te accommoderen. Dit plasticiteitsverschil leidt tot instabiliteit, die ook in andere bimetaallaminaten is waargenomen, en wordt beïnvloed door initiële dikteverhoudingen, strain hardening indices en sterktecoëfficiënten van de verschillende lagen.

TEM-microscopie toont aan dat zelfs na veroudering bij lage temperatuur het korrelstructuur van de gewalste monsters een verlengde morfologie met een aanzienlijke hoeveelheid dislocaties behoudt. De aanwezigheid van fijne, bolvormige en naaldvormige precipitates in de matrix beperkt de beweging van dislocaties tijdens trekbelasting, wat de versterking via dislocatiescherpte significant verhoogt. Vergelijkende HRTEM-analyse bevestigt dat de cryogewalste monsters een hogere dislocatiedichtheid hebben dan de conventioneel gewalste, wat de precipitaatvorming stimuleert en daarmee bijdraagt aan de mechanische prestaties.

De analyse van breukoppervlakken laat zien dat de hechting tussen de lagen in cryogewalste laminaten beter is dan bij ARB-monsters. De interface is bij ARB vaak het zwakste punt, waar delaminatie ontstaat door ongelijkmatige vervorming en accumulatie van dislocaties die spanningsconcentraties veroorzaken. Cryorollen versterkt de binding tussen de lagen, wat de algehele integriteit en ductiliteit verbetert. Zowel gewalste als geconditioneerde monsters onder piekleeftijd vertonen ductiele breuk met microholtevorming en coalescentie, wat consistent is met fractuurpatronen in vergelijkbare bimetaallaminaten.

De schematische microstructurele evolutie laat zien dat na drie cycli ARB dislocaties zich ophopen aan de interface en omliggende gebieden door mechanische incompatibiliteit. Cryorollen remt het dynamisch herstel, waardoor dislocaties verstrengeld raken en zich opstapelen tot hoge dichtheden. Tijdens veroudering bevordert deze hoge dislocatiedichtheid de diffusie van legeringselementen zoals Mg en Si, die als heterogene nucleatieplaatsen voor precipitaten dienen. Deze precipitates hinderen de dislocatiebeweging door pinning, waardoor een stabiel verstrengeld netwerk van dislocaties en precipitaten ontstaat dat de mechanische eigenschappen versterkt.

Naast het beschreven mechanisme is het essentieel te begrijpen dat de duurzaamheid van dergelijke laminaten ook afhangt van de stabiliteit van de interface tijdens langdurige gebruiksomstandigheden, waarbij thermische cycli en mechanische belastingen wisselend optreden. Het inzicht in de kinetiek van precipitatie, evenals de invloed van interfaciale spanningen op dislocatiegedrag, vormt een sleutel tot verdere optimalisatie van bimetaallaminaten. Bovendien kunnen andere legeringselementen en warmtebehandelingsschema’s de balans tussen sterkte en ductiliteit verfijnen, waardoor de toepassingsmogelijkheden van deze materialen uitbreiden.

Hoe beïnvloeden houdtijd en reductieverhouding het verbindingsgedrag en de sterkte van hot-roll gelamineerde materialen?

Het verbindingsgedrag van interfaces tijdens hot-roll bonding wordt sterk beïnvloed door de duur van de houdtijd en de reductieverhouding tijdens het walsproces. Bij korte houdtijden, zoals één minuut, vertonen SEM-beelden een duidelijk zichtbare aanwezigheid van resterende holtes in de interfacezone, die lineair verdeeld zijn. Naarmate de houdtijd toeneemt tot vijf minuten, ontstaan er nieuwe korrels in de interfacezone, hoewel een duidelijke overgangszone tussen de verbindingen nog steeds zichtbaar blijft. Bij tien minuten wordt deze overgangszone minder scherp en neemt de grootte van de holtes af. Wanneer de houdtijd twintig minuten bereikt, zijn de korrelgroottes in de interfacezone vergelijkbaar met die in het matrixmateriaal en is de interfacebonding vrijwel volledig. Deze waarnemingen tonen aan dat een langere houdtijd de verbinding verbetert door voldoende gelegenheid te bieden voor atomaire diffusie, wat leidt tot een meer uniforme microstructuur en sterkere interfacebinding.

Volgens de tweede wet van Fick is de atomaire concentratie een functie van zowel diffusieafstand als -tijd, waarbij de diffusieafstand evenredig is met de wortel van de diffusietijd. Dit impliceert dat verlenging van de houdtijd de diffusie exponentieel vergroot, vooral in het beginstadium van het verbindingsproces. De invloed van houdtijd neemt na verloop van tijd wel af, en in vergelijking met de verwarmings­temperatuur is de houdtijd iets minder bepalend voor de kwaliteit van de verbinding. Toch is een voldoende lange houdtijd cruciaal om de interfaces volledig te laten binden.

Microscopisch onderzoek van de breukvlakken laat zien dat bij lage reductieverhoudingen de breuk voornamelijk bestaat uit kleefbreuken, waarbij de verbindingen slecht zijn. Met toenemende reductieverhouding neemt het aantal putbreuken toe, wat duidt op betere verbindingen. Bij reductieverhoudingen boven 40% zijn de breukvlakken volledig putfracturen, een indicatie voor een uitstekende interfacebinding. Dit wijst erop dat het walsen bij hogere reducties niet alleen de verbinding verbetert, maar ook de microstructuur verfijnt door rekristallisatie en korrelgroei.

De onderliggende mechanismen van de interfacebinding tijdens hot-roll bonding zijn sterk verweven met de thermomechanische omstandigheden. Hoge temperatuur en intensieve plastische vervorming stimuleren de rekristallisatie aan de vrije oppervlakken van de interfaces. Door ongelijke energieverdeling ontstaan er kleine korrels die groeien richting de openingen in de interface, waardoor de ruimte tussen de oppervlakken geleidelijk kleiner wordt. De initiële verbinding vindt plaats op de topografisch hogere punten waar de oppervlakken het eerst contact maken. Onder walsdruk vindt gedeeltelijke atomaire binding plaats op deze contactpunten, terwijl de resterende gebieden via atomaire diffusie worden verbonden. Dit resulteert in een discontinu interfacegebied met porositeiten die de systeemenergie verhogen, wat het ontstaan en de groei van nieuwe korrels stimuleert. Deze nieuwe korrels vullen de porositeiten op en repareren de interface via rekristallisatie bij het afkoelen, waardoor de binding homogener en sterker wordt.

Verder is belangrijk te begrijpen dat het mechanisme van rekristallisatie en korrelgroei niet alleen bijdraagt aan het sluiten van porositeiten, maar ook aan de vermindering van interne spanningen en daarmee de duurzaamheid van het gelamineerde materiaal verhoogt. De progressieve overgang van discontinu bonding naar volledige, homogene bonding met matrixsterkte impliceert dat het bondingproces niet alleen een oppervlakkige verbinding creëert, maar een structurele integratie op atomair niveau. Dit inzicht is cruciaal voor het ontwerpen van hot-roll bonding processen die optimaal presterende materialen voortbrengen met lange levensduur en hoge mechanische eigenschappen.