Hoe Intermetallische Deeltjes de Mechanische Eigenschappen van Al/Ti-Laminaten Beïnvloeden

In het proces van de vorming van TiAl3, een intermetaal dat ontstaat door de chemische reactie tussen titanium (Ti) en aluminium (Al), is de reactie Ti + 3Al → TiAl3 energetisch gunstig. Gedurende de initiële periode van deze reactie is de snelheid van de vorming van TiAl3 aan het Ti/Al-oppervlak constant, aangezien dit proces in de vaste fase plaatsvindt. Na de initiële nucleatie groeien de TiAl3-deeltjes, waardoor het aantal Al-atomen aan het interface tussen Ti en TiAl3 afneemt. Dit leidt tot een verandering in de dynamiek van de Al-diffusie door de interstices tussen de TiAl3-deeltjes. Hierdoor kan TiAl3 afbreken aan het Ti-oppervlak, wat de nucleatie van nieuwe TiAl3-deeltjes bevordert.

Belangrijk is dat er geen bewijs is voor de vorming van een bufferzone tussen Ti en TiAl3 in SEM- en TEM-analyses. Dit geeft aan dat Ti-atomen trager in Al diffunderen dan andersom, wat invloed heeft op de mechanische eigenschappen van de Al/Ti-laminaten tijdens het annealingproces. Gedurende de annealing, naarmate de tijd toeneemt, zullen alle pure Ti reageren met Al, wat leidt tot de vorming van een ring van TiAl3-deeltjes. Bij langere annealingtijden zullen de TiAl3-deeltjes groter worden en verder uit elkaar komen te liggen.

Het vervormingsmechanisme van Al/Ti-laminaten kan variëren afhankelijk van de annealingtijd. Experimenten die finite-element-simulaties van de laminaten onder verschillende annealingtijden uitvoeren, tonen aan dat de treksterkte en vervormbaarheid van de laminaten verbeteren naarmate de tijd van annealing toeneemt. In het begin (na een annealingtijd van 6 uur) zijn de maximale rekken klein, maar ontstaan er vaak scheuren aan de interfaces tussen Ti en TiAl3 door de aanwezigheid van vacuüms. Dit resulteert in een lager rekvermogen, sterkte en breukrek. Bij een annealingtijd van 12 uur vermindert het aantal vacuüms, waardoor de rekgrens en rekbaarheid verbeteren. Verder, bij 24 uur, verdwijnen de vacuüms grotendeels, wat resulteert in een verdere verbetering van de rekbaarheid door de webstructuur in de Al-matrix.

De vervorming van Al/Ti-laminaten na langdurige verhitting vertoont ook afwijkende eigenschappen, zoals de aanwezigheid van een abnormaal hoge residuele dislocatiedichtheid in de Al-zone. Deze dislocaties komen voort uit de reactie tussen Ti en Al en de vorming van intermetallische deeltjes, wat leidt tot een hoge dichtheid van dislocaties in de Al-zone, vooral bij de grens van de TiAl3-deeltjes. Deze abnormaal hoge dislocatiedichtheid kan de mechanische prestaties van het materiaal beïnvloeden, waardoor de rekbaarheid en sterkte afnemen bij verdere verhitting.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is de dynamiek van de TiAl3-vorming en de diffusieprocessen die optreden tijdens het annealen. Deze reacties beïnvloeden niet alleen de microstructuur, maar ook de mechanische eigenschappen van de Al/Ti-laminaten op fundamentele manieren. Het is essentieel om de interacties tussen de verschillende deeltjes, de verhoudingen tussen Ti en Al en de impact van vacuüms en dislocaties te begrijpen, aangezien deze factoren sterk bijdragen aan de prestaties van de materialen bij verschillende toepassingen. Bovendien speelt de afstemming van de annealingtijden en temperaturen een cruciale rol in het optimaliseren van de mechanische eigenschappen van deze laminaten, waarbij een balans moet worden gevonden tussen het verbeteren van de sterkte en het behouden van de gewenste ductiliteit.

Hoe beïnvloedt cryoroling de mechanische eigenschappen van Al/TiC nanocomposieten?

Tijdens de accumulatieve walsbewerking (ARB) van aluminium-matrixcomposieten versterkt met titaniumcarbide (TiC), speelt de aard van de korrelgrenzen een doorslaggevende rol in het gedrag van de microstructuur. Korrels met hoge hoekgrenzen (HAGBs) beschikken over een grotere energietoestand dan die met lage hoekgrenzen (LAGBs), wat de neiging tot precipitatievorming in de nabijheid van de korrelgrenzen versterkt. Deze verhoogde energie draagt bij aan een efficiëntere verspreiding van versterkende deeltjes langs deze grenzen.

De toepassing van ARB in combinatie met cryoroling leidt tot significante veranderingen in de mechanische eigenschappen van de Al/TiC-composieten. Bij aanvang, in de toestand van gedeeltelijk gegloeide AA1050-platen, bedraagt de rek bij breuk slechts 6%, de hardheid 41 HV en de uiteindelijke treksterkte 135 MPa. Echter, al na enkele ARB-cycli met cryoroling neemt de treksterkte toe tot 308 MPa — meer dan 2,5 keer die van het uitgangsmateriaal. Deze versterking wordt toegeschreven aan een combinatie van werkversteviging en de uniforme verdeling van TiC-deeltjes binnen de aluminium matrix.

In de beginstadia van ARB speelt werkversteviging de dominante rol. De nog niet volledig verspreide TiC-deeltjes vormen grote lagen die lokale spanningsconcentraties veroorzaken, waardoor een verhoogde dislocatiedichtheid optreedt. Bij toenemende cycli worden de TiC-deeltjes verder verfijnd en gelijkmatiger verdeeld, wat resulteert in een sterkere binding tussen matrix en deeltjes en daarmee een structurele versterking op macroschaal. Zowel de rekgrens als de uiteindelijke treksterkte vertonen een continue stijging en bereiken hun maximum na drie cryorolingcycli.

Opmerkelijk is de waargenomen omkering van de typische relatie tussen sterkte en vervormbaarheid. Tijdens standaard ARB-processen neemt de rek bij breuk af naarmate de sterkte toeneemt, zoals zichtbaar is in de cyclus ARB-5 waar de treksterkte 226 MPa bedraagt, maar de rek gereduceerd is tot 2,7%. Daarentegen bevordert cryoroling niet alleen de sterkte, maar herstelt ook deels de vervormbaarheid van het materiaal: na cryoroling-3 wordt een rek van 4,3% bereikt. Deze verbeterde ductiliteit is te danken aan de vorming van subkorrels die lokale slip vergemakkelijken.

Twee mechanismen zijn primair verantwoordelijk voor de mechanische versterking: korrelverfijning en de aanwezigheid van TiC-nanodeeltjes. Naarmate de ARB-cycli vorderen, neemt de fractie van misgeoriënteerde korrelgrenzen toe, wat gepaard gaat met een toename van ultrafijne korrels. Deze verfijning verhoogt niet alleen de sterkte, maar heeft ook invloed op de elasticiteitsmodulus. Waar zuiver aluminium een modulus van ongeveer 68 GPa vertoont, worden na ARB-3, ARB-5 en cryoroling-3 respectievelijk waarden van 72 GPa, 77 GPa en 84 GPa bereikt. Dit vertegenwoordigt een stijging tot 20% ten opzichte van het uitgangsmateriaal.

Microscopische analyses van breukoppervlakken bevestigen een verbeterde hechting tussen matrix en versterkingsdeeltjes. Bij afwezigheid van TiC-deeltjes vertoont het breukoppervlak diepe en brede dimpels, typerend voor ductiel gedrag. In composieten echter worden de dimpels kleiner en onregelmatiger, wat wijst op een complex samenspel van breukmechanismen waarin zowel ductiele als brosachtige kenmerken worden gecombineerd.

De aanwezigheid van porositeit rond versterkende deeltjes blijkt een cruciale factor te zijn die de vervormbaarheid beperkt. Een goede verdeling van TiC en de reductie van poriën dragen bij aan een betere rek. Bovendien verhinderen TiC-deeltjes de voortplanting van dislocaties, wat resulteert in een verhoogde sterkte, maar een afname van ductiliteit. De bijdrage van stapelfouten in het Al rooster kan de rek lichtjes verbeteren, vooral als deze fouten optreden in combinatie met goed verbonden lagen en optimale deeltjesverdeling.

De ARB met cryoroling blijkt een robuuste methode voor het vervaardigen van Al/TiC nanocomposieten met uitzonderlijke sterkte-eigenschappen. Door gecontroleerde microstructuurevolutie, via korrelverfijning en uniforme verdeling van versterkende deeltjes, ontstaat een materiaal dat hoge sterkte combineert met behoud van rekbaarheid. Deze balans is zeldzaam in conventioneel vervormd aluminium, en positioneert deze methode als bijzonder aantrekkelijk voor toepassingen waar zowel mechanische prestaties als structurele integriteit vereist zijn.

Bij de verdere interpretatie van deze resultaten is het belangrijk te beseffen dat de rol van TiC niet beperkt blijft tot mechanische versterking. De interactie tussen deeltjes en matrix beïnvloedt fundamentele plastische mechanismen zoals dislocatieglijden, korrelgrensmigratie en poriegroei. Bovendien is de cryoroling-procedure effectief in het onderdrukken van herstelfenomenen die optreden bij warmwalsen, waardoor de fijne microstructuur behouden blijft. Tenslotte kan de anisotropie in de microstructuur, ontstaan door richtinggebonden rek tijdens cr

Hoe het SUS304 Interlaag de Hechtingskracht van Cu/Al Laminaten Versterkt: Mechanismen en Effecten van Warmwalsen

Cu/Al/Cu-laminaten met een dunne SUS304-interlaag van 30 μm werden vervaardigd via warmwalsverbinding. De beginmaterialen waren T2 koper (Cu) en AA1060 aluminium (Al) platen. Deze platen werden respectievelijk verhit tot 873 K en 673 K gedurende 2 uur om een volledig homogene grove korrelstructuur te verkrijgen, waarna ze in dezelfde afmetingen van 100 × 50 × 1 mm werden gesneden. Voor de warmwalsverbinding werden de Cu- en Al-platen met een draadborstel bewerkt om de oxidelaag en verontreinigingen van het oppervlak te verwijderen. Vervolgens werden de Cu-, Al- en SUS304-platen gestapeld en met aluminium klinknagels bevestigd. Deze gestapelde platen werden voorverwarmd tot 723 K gedurende 1 minuut en daarna met een snelheid van 1 m/min gewalst.

De afpelsterkte van Cu/Al/Cu-laminaten met of zonder SUS304-interlaag werd bepaald bij verschillende walsverminderingen. De afpelsterkte nam toe met de walsvermindering. Wanneer de walsvermindering relatief laag was, namelijk 50%, vertoonden zowel de W-50%- als de WO-50%-monsters een vrijwel parallelle lijn met een waarde dicht bij nul, wat aangaf dat de verschillende metalen niet goed gebonden waren. Bij een walsvermindering van 70% vertoonden de afpelsterktecurves van W-70% en WO-70% duidelijke verschillen. De afpelsterkte van WO-70% bleef nagenoeg hetzelfde, maar die van W-70% vertoonde een piek-dal-vorm, waarbij de piekwaarde ongeveer 15,5 N/mm was, vijf keer hoger dan die van WO-70%. Toen de walsvermindering verder werd verhoogd naar 80%, nam de afpelsterkte van WO-80% toe tot 8,3 N/mm en die van W-80% tot 17,8 N/mm bij de piekwaarde.

Microscopisch onderzoek van de Cu/Al/Cu-laminaten zonder SUS304-interlaag toonde een rechte en continue interface, zonder scheuren of holtes, zelfs bij hogere walsverminderingen. In de gevallen met de SUS304-interlaag werd de SUS304-folie echter in kleine fragmenten gebroken, die in de Cu/Al-matrix werden ingebed en zich gedistribueerd bevonden in de Cu/Al-interface. Dit kwam door de beperkte vervormbaarheid van de SUS304-folie, die niet voldoende vervormde om een uniforme hechting te verkrijgen.

De dikte van de SUS304-interlaag nam af naarmate de walsvermindering toenam, maar de verhouding was niet lineair. In het beginstadium verminderde de dikte slechts een klein beetje, wat geen significante verbetering van de afpelsterkte opleverde. Echter, bij een walsvermindering van 70% en 80% verminderde de dikte van de SUS304-interlaag respectievelijk tot 22,8 μm en 19,5 μm, wat resulteerde in een aanzienlijke toename van de afpelsterkte. De misvorming van de verschillende metalen veroorzaakte schuifdeformatie in de Cu/Al-interface, wat leidde tot het nekken en breken van de SUS304-interlaag.

De verandering in de schuifbandhoeken aan beide zijden van de interface was opmerkelijk. Terwijl de walsvermindering toenam, verminderde de hoek aan de Cu-zijde (φ1) van 25,8° naar 16,9° en aan de Al-zijde (φ2) van 32,8° naar 22,9°. Deze veranderingen duiden op een grotere uniformiteit van de vervorming van de verschillende metalen. Het verschil tussen φ1 en φ2 verminderde, wat aangeeft dat de vervorming beter was verdeeld.

Een belangrijke opmerking is dat de afpelsterkte niet alleen afhankelijk is van de aanwezigheid van de SUS304-interlaag, maar ook van de mate van vervorming van de interface en de mate van verdeling van de SUS304-fragmenten. Dit betekent dat de productieomstandigheden zoals de walsvermindering nauwkeurig gecontroleerd moeten worden om de gewenste eigenschappen van de laminaten te bereiken.

Waarom zijn composietmaterialen de toekomst van pantsertechnologie en energieopslag?

Om deze beperkingen te overwinnen, zijn wetenschappers en ingenieurs op zoek gegaan naar composietmaterialen. Composietpantser bestaat uit verschillende lagen van zowel metalen als niet-metalen materialen, die strategisch worden gestapeld om hun effectiviteit te maximaliseren. Deze lagen zijn zo ontworpen dat ze de energie van inkomende projectielen kunnen absorberen en dissiperen. Vaak bestaan deze materialen uit vier tot vijf lagen die elkaar afwisselen, met een ruimte tussen de lagen die helpt bij het afvangen van de energie. De kernen van de penetrerende projectielen kunnen door deze lagen veranderen van richting, of zelfs gebroken worden door de verschillende hardheden van de lagen. Hierdoor heeft composietpantser een veel hogere weerstand tegen penetratie dan homogeen pantser. In dezelfde gewichtscategorie is de weerstand van composietpantser tegen pantserdoorborende projectielen twee keer zo hoog als die van homogeen staalpantser.

Composietpantser wordt verder onderverdeeld in verschillende soorten: metaal-metalen composieten, metaal-niet-metaal composieten en spatiërende pantserstructuren. Elk van deze varianten biedt sterke, veelzijdige bescherming, die niet alleen de weerstand tegen impact verbetert, maar ook bijdraagt aan de vermindering van het totale gewicht van de bepantsering. Het gebruik van lichtere legeringen in combinatie met hoogtoughness-legeringcomposieten helpt niet alleen het gewicht van het materiaal te verlagen, maar verbetert tegelijkertijd de prestaties.

Een ander opvallend voorbeeld van composietmaterialen in energieopslag is de ontwikkeling van innovatieve brandstofstaven voor kernreactoren. Deze brandstofstaven maken rechtstreeks contact met uraniumbrandstof en spelen een cruciale rol in het regelen van de intensiteit van nucleaire reacties. De combinatie van staal en vanadium in een sandwichstructuur voor brandstofstaven zorgt ervoor dat deze bestand zijn tegen temperaturen tot 700°C en tegelijkertijd resistent blijven tegen harde straling, mechanische stress en chemische belasting. Dit type composietmaterialen biedt een belangrijke oplossing voor de lange termijn werking van kernreactoren, wat essentieel is voor de toekomst van kernenergie als een betrouwbare bron van koolstofvrije elektriciteit.

De potentie van composieten ligt niet alleen in hun veelzijdigheid, maar ook in hun vermogen om de uitdagingen van de toekomst aan te gaan. Dit geldt zowel voor de verbetering van beschermingssystemen, zoals pantser in de krijgsmacht, als voor de toepassing in technologieën die gericht zijn op een duurzamere en efficiëntere energieproductie. De integratie van verschillende materialen biedt nieuwe mogelijkheden om de prestaties te verbeteren zonder concessies te doen aan het gewicht, de kosten of de veiligheid. Het is dus van essentieel belang om te blijven investeren in de ontwikkeling en optimalisatie van deze materialen om de technologische vooruitgang op lange termijn te kunnen waarborgen.