Hoe Cryorollen de Hechting van Al/Ti/Al Laminaten Beïnvloedt

Ultrafijne en nanokorrels groeien tijdens vervorming bij kamertemperatuur. Voor Al-platen die via ARB (Asymmetric Roll Bonding) zijn verwerkt, kan abnormale korrelgroei tijdens asymmetrisch rollen leiden tot het verdwijnen van de interface tussen lagen. In dit proces groeien de korrels in de zachtere laag onder zware schuifspanningen, zowel bij kamertemperatuur als bij cryogene temperaturen, wat ook bijdraagt aan de interfaciale hechting. Deze dynamiek is cruciaal voor het verbeteren van de prestaties van gelaagde materialen, zoals Al/Ti/Al laminaten, die veelvuldig worden gebruikt in geavanceerde engineeringtoepassingen.

Bij cryorollen is de interface bij −100°C ruw en gekarteld, terwijl bij hogere temperaturen de interface gladder wordt, hoewel de breedte van de interface toeneemt en de vlakheid afneemt. Dit toont aan dat de roltemperatuur de textuur van de interface beïnvloedt, wat een directe impact heeft op de mate van interfaciale hechting. Dit effect is verder versterkt door de vorming van een intermetaallek, wat vooral duidelijk wordt in EDS-analyse (energiedispersieve röntgenspectroscopie), waar de interdiffusie van elementen bij de interface zichtbaar is. De breedte van deze intermetaalleklaag neemt toe met de temperatuur, waarbij cryorollen resulteert in een intermetaalleklaag van ongeveer 2,2 tot 2,4 μm breed, terwijl bij warmwalsen deze breedte toeneemt tot 2,7 μm.

Bij de tests voor de peelsterkte bleek dat de hechting verbeterde met een hogere reductie, ongeacht de wals-temperatuur. De hoogste peelsterkte werd waargenomen bij de specimens die cryorollen onder −100°C hadden ondergaan, wat de superieure prestaties van dit proces benadrukt. Het is duidelijk dat de temperatuur bij cryorollen niet alleen de sterkte van de hechting verbetert, maar ook invloed heeft op de algehele mechanische eigenschappen van het materiaal. De pieksterkte bij cryorollen op −100°C was 7,2 N·mm−1, wat een significante verbetering was ten opzichte van de koude walsingsproeven.

De verandering in de nanohardheid van de Ti- en Al-laag geeft ook waardevolle informatie over de effectiviteit van de verschillende walsprocessen. Cryorollen bij −100°C verhoogde de nanohardheid van zowel de Ti- als de Al-laag, wat suggereert dat het cryogene proces helpt bij het verbeteren van de weerstand tegen deformatie en slijtage, wat belangrijk is voor toepassingen waarbij de materiaaleigenschappen onder extreme omstandigheden getest worden.

De mechanische eigenschappen van de Al/Ti/Al laminaten vertoonden bij cryorollen de beste prestaties, met een treksterkte van 260 MPa bij −100°C en een rek bij breuk van 12,4%. Dit maakt cryorollen bij lage temperaturen een bijzonder waardevolle techniek voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van gelaagde materialen, vooral wanneer duurzaamheid en sterkte van de interlagen essentieel zijn voor de applicatie.

Het is belangrijk te begrijpen dat de interface-eigenschappen niet alleen beïnvloed worden door de temperatuur van het walsen, maar ook door de mate van materiaalsamenhang tussen de lagen. Bij cryorollen wordt de interfaciale hechting versterkt door de vorming van een intermetaallek, wat de cohesie tussen de lagen verhoogt. Dit verhoogt niet alleen de sterkte van het materiaal, maar beïnvloedt ook de ductiliteit, wat van belang is voor toepassingen die onder verschillende omstandigheden functioneren. Dit proces kan dan ook beschouwd worden als een sleuteltechniek voor het verkrijgen van Al/Ti/Al laminaten met zowel uitstekende sterkte als rekvermogen.

Wat is de invloed van de SUS304-interlaag op de hechting tussen Cu/Al-laminaten?

Bij de W-50%-monsters vertoont de Cu/Al-interface in het Cu-gedeelte talrijke richels, die wijzen op een verbeterde hechtssterkte door de verhoogde plastische vervorming van de materialen. De richelstructuren zijn voornamelijk het gevolg van de sterke binding van Cu en Al, waarbij het Cu-matrix wordt samengedrukt door de Al-laag. Aan de Al-zijde zijn de afschilferingsoppervlakken vergelijkbaar, met SUS304-fragmenten die diep in de Al-matrix zijn ingebed, wat duidt op een mechanisch interlocking effect. Dit verbeterde mechanische "joggle" heeft de sterkte van de binding tussen de twee materialen verhoogd.

Met de toevoeging van de SUS304-interlaag, zoals te zien is bij de W-70%-monsters, wordt de plastische vervorming van de Cu-laag verder beperkt door de aanwezigheid van SUS304-fragmenten. Deze fragmenten zorgen ervoor dat lokale spanningen zich concentreren, wat de hechting versterkt. De aanwezigheid van een SUS304-interlaag leidt tot een aanzienlijke toename van de diepte van de hechting, die van 4,5 µm bij W-50% naar 18 µm bij W-70% stijgt. Deze toegenomen hechtingsdiepte verhoogt de mechanische sterkte van het contact tussen de lagen, wat verder wordt ondersteund door de waargenomen toename in de verdichting van de richels en de vorming van deuken aan de Al-zijde.

Bij de W-80%-monsters zijn de verschillen in de morfologie van het afschilferingsoppervlak nog duidelijker. Hier blijven blokken van Al op het Cu-oppervlak achter na de afschilferingstest, wat duidt op een zeer sterke binding tussen de materialen. Het gebruik van SUS304 als tussenlaag leidt ook tot een grotere oppervlakteruwheid en de vorming van cuspide punten, wat het bindingseffect verder versterkt. De hechtingsdiepte bereikt zijn hoogste waarde van 24 µm bij W-80%, wat zorgt voor een aanzienlijk hogere peelingsterkte.

De 3D-morfologie van het afschilferingsoppervlak toont bij de WO-50%-monsters een relatief vlak oppervlak met slechts enkele golven als gevolg van de mismatch in de plastische vervorming tussen Cu en Al. De aanwezigheid van de SUS304-interlaag maakt de hechtingsdiepte dieper dan die van de WO-50%-monsters, wat suggereert dat de SUS304 een cruciale rol speelt bij het verbeteren van de mechanische interlocking tussen de lagen.

Bij de WO-samples (zonder SUS304-interlaag) blijkt uit de 3D-morfologieanalyse dat de oppervlakken na peeling relatief vlak blijven, met een beperkte hechtingsdiepte van minder dan 5 µm, zelfs bij de hoogste rolingverminderingen. Dit suggereert dat zonder SUS304 de hechtingskracht sterk beperkt is door de mismatch van de plastische vervorming tussen de Cu- en Al-lagen. De toevoeging van de SUS304-interlaag zorgt ervoor dat de oppervlakken beter contact maken en de mechanische sterkte van de binding verbetert door de vorming van microbreuken en de diepere verankering van de fragmenten.

Een ander belangrijk aspect is dat de hechtingsdiepte niet strikt gerelateerd is aan de dikte van de SUS304-interlaag. De extrusie van de matrixmaterialen, zoals de uitbultingen in de afschilferingsoppervlakken, kan leiden tot kleine spleten of luchtbellen in de interface, wat de nauwkeurigheid van de metingen kan beïnvloeden. Toch is het duidelijk dat de aanwezigheid van de SUS304-interlaag de hechtingsdiepte aanzienlijk vergroot en de mechanische sterkte van de verbinding verbetert.

De diffusieanalyse van de elementen Cu, Al en SUS304 door de interface toont aan dat de interlaag de vorming van Cu/Al-intermetallische verbindingen (IMC’s) hindert, wat voordelig is voor de algehele hechtingssterkte. Dit gebeurt zonder dat het diffusieproces van de elementen significant wordt belemmerd, wat betekent dat de interlaag een functionele barrière biedt zonder de chemische interacties tussen Cu en Al te verstoren.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de hechtingssterkte en de mechanische prestaties van Cu/Al-laminaten sterk afhankelijk zijn van de manier waarop de materialen worden verwerkt, met name de invloed van de rolingvermindering en de rol van de tussenlaag. De SUS304-interlaag heeft niet alleen invloed op de fysieke eigenschappen van de interface, maar ook op de structurele integriteit van het samengevoegde materiaal, waardoor de prestaties van de verbinding aanzienlijk worden verbeterd. De keuze van de tussenlaag en de controle over de verwerkingsparameters zijn dus van cruciaal belang voor het optimaliseren van de hechting en het verbeteren van de mechanische eigenschappen van Cu/Al-laminaten.