Hvordan temperaturen påvirker peelingoverflaten i Cu-Al-laminater med SUS304-interlagring: En detaljert analyse av mikromorfologi og IMC-faser

Basert på analysen av morfologien til peelingoverflaten på Cu- og Al-sidene kan det konkluderes med at, bortsett fra området som er i kontakt med SUS304-interlaget, de dominerende trekkene på peelingoverflaten er dimples og rugg-lignende morfologier. Peelingbanen skjer hovedsakelig ved Cu/Al-grensesnittet og Cu/SUS304-grensesnittet. Det kan utledes at etter annealing ved 200 °C er bindingstyrken ved Cu/Al-grensesnittet høy, og plastisiteten til Cu- og Al-matrisene har blitt gjenopprettet til et visst nivå.

I analysen av peelingoverflaten på prøven annealed ved 300 °C ble en betydelig tilstedeværelse av glatte peelingfrakturer og parallelle rugg-lignende morfologier observert. EDS-analyser ble utført for å bestemme de spesifikke fasene som er til stede i disse morfologiene, og resultatene indikerte at rugg-lignende morfologier og området mellom de nærliggende ryggene hovedsakelig består av Al-matriksen. De glatte peelingfrakturene består hovedsakelig av IMC-ene Al2Cu og AlCu, med noen områder som inneholder Al4Cu9-fasen. I tillegg ble det observert flere sprekker i IMC-ene på både Cu- og Al-sidene, som hovedsakelig løper parallelt med retningen på de rugg-lignende strukturene.

Videre analyser av de sprø IMC-ene etter annealing ved 400 °C viste at disse hovedsakelig bestod av Al2Cu og AlCu-faser. Mikroskopiske bilder og EDS-analyser bekreftet at bruddene i disse IMC-ene skjer innenfor selve IMC-laget, som igjen indikerer en svakhet i grensesnittet som kan redusere materialets mekaniske integritet. På mikroskopisk nivå ble det også observert små krakeleringer innen IMC-ene, som følge av de indre spenningsakkumuleringene.

Et viktig aspekt ved analysen er betydningen av temperaturen for dannelsen og stabiliteten til IMC-fasene. Ved lavere temperaturer, som ved 200 °C, er IMC-ene mer stabile og opprettholder sterkere bindinger mellom Cu- og Al-laminatene. Ved høyere temperaturer, som 300 °C og 400 °C, er IMC-ene mer sprø og har større tendens til å danne sprekker, noe som svekker grensesnittet betydelig. Denne overgangsprosessen er viktig å forstå når man vurderer materialets langsiktige ytelse i applikasjoner som involverer høy temperatur.

Den mikroskopiske fordelingen av krystallstrukturene, som kan observeres på begge sider av grensesnittene, gir verdifull innsikt i hvordan plastisk deformasjon og dynamisk rekristallisering foregår i Cu- og Al-matrisene. Cu-matrisen viser en viss grad av rekristallisering, spesielt ved grensesnittet mot SUS304-interlaget, som kan tilskrives den plastiske deformasjonen og forbedret kornrefinering. På Al-siden er det en mer jevn distribusjon av rekristalliserte korn og substrukturer, som reflekterer den mykere naturen til Al og den påfølgende plastiske deformasjonen.

Endringen i mikromorfologi som følge av annealing-prosessen er derfor et kritisk tema for forståelsen av hvordan temperatur påvirker materialers ytelse, spesielt i applikasjoner som krever styrke og motstand mot fraktur ved ulike temperaturer. Å forstå disse prosessene kan være avgjørende for å utvikle materialer med ønskede mekaniske egenskaper og optimalisere produksjonsprosesser for Cu-Al laminater og andre sammensatte materialer.

Hvordan tid og varmebehandling påvirker utviklingen av TiAl3-lag i Ti/Al-laminater

I arbeidet med Ti/Al-laminater under varmebehandling er det viktig å forstå hvordan intermetalliske lag som TiAl3 utvikler seg over tid. Som vist i figur 3.3b, reduseres tykkelsen på TiAl3-laget etter hvert som varmebehandlingstiden øker. Dette kan beskrives ved en tidsavhengig funksjon som involverer den komplementære feilfunksjonen, og veksten av det intermetalliske laget skjer i form av en dobbel eksponensiell vekst. I starten, når varmebehandlingstiden er kortere enn 48 timer, er det fortsatt områder med rent Ti i laminatene, og tykkelsen på TiAl3-laget øker raskt. Etterhvert som varmebehandlingstiden øker, reduseres imidlertid veksten av lagets tykkelse.

En grundigere undersøkelse av TiAl3-lagets utvikling viser bilder tatt med transmisjonselektronmikroskopi (TEM) av forskjellige lagtykkelser etter ulike varmebehandlingstider, som vist i figur 3.4. Etter seks timers varmebehandling er det mulig å observere enkelte tomrom nær Ti- og Al-matriksen. Disse tomrommene dannes på grunn av den store forskjellen i diffusjonshastighet mellom Ti- og Al-atomer i de intermetalliske fasene som TiAl3. Dette fenomenet, kjent som "Kirkendall-effekten", er et velkjent fenomen som oppstår i flere intermetalliske forbindelser og har blitt brukt i produksjonen av porøse Ti-Al legeringer.

Når det gjelder de mekaniske egenskapene til Al/Ti-laminatet etter varmebehandling, viser figur 3.5 en utvikling i både strekkstyrke og duktilitet. Etter kaldvalsing og bonding av Al/Ti/Al-laminatet viser materialet økt strekkstyrke, men redusert duktilitet under strekkprøving. Ved 6 timers varmebehandling reduseres strekkstyrken betydelig, og duktiliteten forblir begrenset. Vanligvis gjør varmebehandling materialene mykere og mer duktil, men dette kan også føre til dannelse av tomrom på grensesnittene mellom TiAl3 og Al/Ti-matriksene, som påvirker materialets duktilitet.

Ved 12 timers varmebehandling øker strekkstyrken igjen, og materialet får bedre uniform elongasjon. Denne forbedringen er et resultat av en økning i TiAl3-fasefraksjonen som følge av den langvarige varmebehandlingen. Etter 48 timers varmebehandling er strekkstyrken fortsatt relativt høy, men det er en betydelig økning i deformasjonsherdingen under strekkprosessen, noe som gir høyere strekkstyrke enn ved kortere varmebehandlingstider.

Når varmebehandlingstiden når 168 timer, viser SEM-bilder av bruddflater at fraksjonen av nakking er minimal, sammenlignet med prøver med kortere varmebehandlingstider. Dette kan tyde på at de plastiske deformasjonene i materialet har blitt begrenset, og materialet har oppnådd en mer stabil struktur. Den reduserte strekkstyrken kan være et resultat av endringer i den mikroskopiske strukturen, som for eksempel økt kornvekst eller gjenoppretting av deformasjonsstrukturen i Al-matriksen.

De mekanismene som påvirker utviklingen av TiAl3-laget under varmebehandling er komplekse, og kan beskrives med hjelp av Fick’s andre lov om diffusjon. Diffusjonen av atomer mellom Ti og Al i laminatet skjer ikke på en jevn måte, og TiAl3-partiklene er ikke jevnt fordelt i materialet. I stedet er det en tendens til at TiAl3-partiklene samles nær den opprinnelige Ti-laget og ved grenseflatene mellom TiAl3-partiklene. Dette kan forklares gjennom diffusjonsmekanismer som tar hensyn til atomkoncentrasjonen som funksjon av både diffusjonsdistanse og tid. Diffusjonen av Ti og Al i intermetalliske forbindelser er viktig for å forstå hvordan TiAl3-laget utvikler seg og hvilke strukturelle egenskaper materialet får over tid.

Hvordan SUS304 Interlagring Påvirker Bindingen i Cu/Al Laminater under Rullbånding

Cu/Al/Cu-laminater med en tynn SUS304 interlagring på 30 μm ble fremstilt ved rullbånding. Utgangspunktet var T2 kobber (Cu) og AA1060 aluminium (Al) plater. Begge materialene ble annealerte ved henholdsvis 873 K og 673 K i to timer for å oppnå en fullstendig homogen grovkornet struktur, før de ble skjært til samme størrelse på 100 x 50 x 1 mm. Før rullbånding ble både Cu- og Al-platene børstet med wire for å fjerne oksidlag og kontaminering fra overflaten. Deretter ble Cu-, Al- og SUS304-platene stablet sammen og festet med aluminiumsnitter, før de ble forvarmet til 723 K i ett minutt og deretter rullet med en hastighet på 1 m/min.

Rullbånding er en effektiv prosess for kontinuerlig produksjon av laminater i stor volum, som samtidig unngår behovet for ytterligere sveiseprosesser. Denne studien introduserer SUS304 interlagring i Cu/Al/Cu-laminater ved hjelp av rullbånding, og mekanismene som forsterker den interfaciale bindingen av Cu/Al-laminater er grundig undersøkt. Denne forbedringen skjer gjennom regulering av intermetalliske forbindelser (IMC), mekanisk jogging og skjærdeformasjon.

Testene av peelingstyrken og mikroskopiske bilder fra rullbånding viste at interlagringen av SUS304 hadde stor innvirkning på bindingen mellom kobber- og aluminiumsplatene. Peelingstyrken, som reflekterer bindingens motstand mot separasjon, økte i takt med redusert tykkelse på SUS304 interlagringen og økt rullreduksjon. Når rullreduksjonen var relativt lav (50 %), viste både W-50% og WO-50% prøvene en svak peelingstyrke på nesten null, noe som indikerte at de ulike metallene ikke var godt bundet sammen. Derimot, da rullreduksjonen ble økt til 70 %, ble peelingstyrken betydelig forbedret, spesielt for prøvene med SUS304 interlagring (W-70%), som hadde en topp på ca. 15,5 N/mm, fem ganger høyere enn prøvene uten interlagring (WO-70%).

Som rullreduksjonen økte ytterligere til 80 %, steg både topp- og bunnverdiene for peelingstyrken, og dette gjaldt for prøver med SUS304 interlagring. Mikroskopiske bilder av Cu/Al/Cu-laminater med SUS304 interlagring viste at under rullbånding revnet SUS304-folie i små fragmenter som fordeler seg i Cu/Al-grensesnittet. Denne sprøheten i SUS304-materialet skyldes dets begrensede deformabilitet, noe som førte til at fragmentene ble ujevnt fordelt langs grensen.

Rullbånding med SUS304 interlagring resulterte i et mer komplekst samspill mellom materialenes skjærdeformasjon og mekaniske egenskaper, noe som fremhever viktigheten av kontroll over rullreduksjonen for å optimere bindingseffekten. For peelingoverflaten ble det funnet at fragmentene av SUS304 brøt perpendikulært langs rullebanen, og med økende rullreduksjon ble fragmentene mindre, noe som resulterte i bedre integrering med Cu/Al-grensesnittet.

En viktig observasjon er at som rullreduksjonen økte, ble bindingen mellom Cu- og Al-lagene mer stabil, og tykkelsen på SUS304 interlagringen reduserte seg betydelig, spesielt når rullreduksjonen var høyere enn 70 %. Det ble også observert at når interlagringen av SUS304 ble for tynn, kunne det føre til ufullstendig binding, noe som påvirket materialets styrke og pålitelighet. Derfor er en balansert rullreduksjon avgjørende for å oppnå optimale resultater.

Når man vurderer effektivitetsaspektet ved rullbånding med SUS304 interlagring, er det viktig å merke seg at økt rullreduksjon forbedrer ikke bare mekaniske egenskaper som peelingstyrke, men også kan føre til mer effektiv utnyttelse av materialer og en mer robust binding mellom de ulike metallene. Dette kan ha stor betydning i industrielle anvendelser der holdbarhet og pålitelighet er avgjørende, som i elektriske komponenter eller strukturelle applikasjoner hvor Cu/Al laminater er nødvendige.

I tillegg er det viktig å forstå at prosessen med rullbånding med interlagring ikke er uten utfordringer. For eksempel kan den spesifikke deformabiliteten til SUS304 og dens tendens til å danne fragmenter føre til utfordringer med materialets jevnhet og konsistens på lang sikt. Dette bør tas i betraktning ved design av produksjonsprosesser og ved valg av materialer, spesielt når spesifikke egenskaper som mekanisk styrke eller varmebestandighet er påkrevd.

Hvordan SUS304 interlagring forbedrer bindingen i Cu/Al/Cu-laminater gjennom valsing

I den nylige studien ble det undersøkt hvordan en SUS304-interlagring kan påvirke bindingen av Cu/Al/Cu-laminater under valsing med forskjellige reduksjoner på 50%, 70% og 80%. Resultatene viste betydelige forbedringer i bindingens styrke, som hovedsakelig kan tilskrives tre mekanismer: (1) forbudet mot dannelse av intermetalliske forbindelser (IMC) uten å ofre elementdiffusjonen, (2) den mekaniske koblingen som SUS304-fragmentene gir, og (3) den utvidede deformasjonsstien til det strain-harde laget som øker bindingens styrke.

Ved å bruke en SUS304-interlagring, ble bindingen styrket gjennom en kombinasjon av mekanisk aktivitet og diffusjonsprosesser. SUS304-fragmentene fungerer som en barriere som hindrer dannelse av skadelige IMC-er, og de bidrar også til å mekanisk sammenkoble de forskjellige metallene ved å utvikle små brudd og sprekker som videre øker kontakten mellom Cu- og Al-matrisene. Dette fremmer dannelsen av en sterkere binding over det som ellers kunne vært et svakt kontaktpunkt.

Eksperimentene som ble gjennomført på Cu/Al/Cu-laminater uten SUS304-interlagring (WO) og med SUS304-interlagring (W) avslørte at bindingen i laminatene med SUS304 var mer motstandsdyktig mot sprekker og hadde bedre strukturintegritet. For eksempel viste EBSD-analyser at i prøver som ble utsatt for 50% valsing, hadde de med SUS304-enhet et mer raffinert kornmønster, noe som førte til økt styrke i bindingen.

Det er viktig å merke seg at mekanismen for valsing i slike laminater produserer et strain-hardt lag på overflaten som deretter ekspanderer, sprekker og danner et kontaktområde som styrker bindingen mellom metaller. Denne mekanismen er spesielt viktig i produksjonen av metallkompositter, da det ikke bare er viktig å hindre dannelse av skadelige IMC-er, men også å fremme en sterk mekanisk kontakt mellom de ulike metallene som inngår i sammensetningen.

Videre øker valsingens reduksjon (reduksjon i tykkelse under valsing) ikke bare det mekaniske forholdet mellom de ulike lagene, men også omfanget av deformasjon som bidrar til en mer homogen fordeling av strain-harde lagene. Dette fører til dannelsen av mikrosprøtt og ekstra volum i bindingsflaten, som ytterligere øker styrken på forbindelsen. For eksempel, i laminater med 80% reduksjon, hadde bindingen blitt enda mer raffinerte på grunn av den mer intensive valsingen og den økte grain-refineringen som forekommer i materialene.

Når det gjelder praktiske implikasjoner, viser analysene at det er betydelig gevinst ved å bruke SUS304-interlagring i produksjonen av laminater. Dette gir en mer stabil og sterkere metallkompositt, spesielt i tilfeller hvor det er kritisk å forhindre dannelse av IMC-er som kan svekke materialets mekaniske egenskaper.

I tillegg er det viktig å forstå at den mekaniske effekten av SUS304-fragmentene ikke bare forbedrer bindingens styrke ved direkte kontakt, men også bidrar til å forbedre egenskapene til de deformerte matrisene som Cu og Al ved å introdusere ekstra mekanisk støtte i de områder som ellers kunne være utsatt for brudd. Dette kan være avgjørende for industrien som benytter disse materialene i applikasjoner der høye krav til styrke og stabilitet er nødvendige, for eksempel innenfor bil- og flyindustrien.

Med tanke på videre utvikling er det også viktig å merke seg at det fortsatt er et potensial for å forbedre denne teknologien gjennom finjustering av valsingsteknikker, optimalisering av lagtykkelser, og ytterligere studier på hvordan forskjellige interlagringselementer kan påvirke den endelige produktkvaliteten. Det er også verdt å vurdere hvordan forskjellige metaller kan kombineres med SUS304 for å oppnå ønsket ytelse i spesifikke applikasjoner.