Hvordan temperaturbehandling og kaldvalsing påvirker kobber/aluminium laminater

For å oppnå høykvalitets Cu/Al/Cu laminater, er det nødvendig å gjennomgå flere nøye kontrollerte prosesser, inkludert kaldrulling og termisk behandling. Laminatene som benyttes i denne undersøkelsen, har tykkelser som varierer fra 10 mm til 0,5 mm, og hver av disse har spesifikke produksjonstrinn for å oppnå ønsket ytelse. Figur 3.32 viser fremstillingsprosessen av Cu/Al/Cu-laminater som benytter en in-tube metode, hvor spesifikke temperaturer og rullingsteknikker er avgjørende for sluttresultatet.

Når Cu og Al bindes sammen gjennom disse prosessene, dannes intermetalliske lag mellom de to metallene, og tykkelsen på disse lagene er svært temperaturavhengig. Ved lavere temperaturer, slik som 350°C, er diffusjonen mellom atomene begrenset, og derfor dannes et smalt intermetallisk lag. Økende temperaturer, som ved 550°C, gjør at atomene får nok energi til å bryte gjennom diffusjonsbarrierer, noe som resulterer i tykkere og mer uttalte reaksjonslag. Dette fører til at grensesnittet mellom Cu og Al får en bølgelignende struktur, og denne bølgemorfologien blir mer uttalt jo høyere temperaturen i annealingsprosessen er.

Figurene 3.33 og 3.34 illustrerer hvordan tykkelsen på de diffrakterte lagene reduseres etter kaldvalsing, og hvordan atomdiffusjonen mellom Cu og Al blir mer ujevnt fordelt. Dette skjer fordi kobberatomer lettere kan diffundere inn i aluminiumets gitterstruktur, noe som skyldes de ulike gitterkonstantene for Cu og Al. Cu har en gitterkonstant på 0,3615 nm, mens Al har en på 0,4082 nm, og dette gjør at Cu-atomene lettere kan trenge inn i Al-gitteret.

Videre kaldvalsing reduserer ikke bare tykkelsen på de intermetalliske lagene, men påvirker også peelingstyrken, som er en viktig indikator på limstyrken til laminatene. Som vist i Figur 3.36, øker peelingstyrken etter kaldvalsing, unntatt når laminatene er annealed ved 550°C, hvor ytterligere bearbeiding kan føre til en nedgang i ytelsen. Dette skjer fordi de sprø forbindelsene dannet ved høy temperatur ikke kan rekonstruere de sterke intermetalliske lagene etter kaldvalsing.

Den kjemiske sammensetningen på peelingoverflaten av laminatene gir også viktig informasjon om reaksjonsgraden og de fysiske egenskapene til materialet. Etter peeling av de kaldvalsede laminatene, viser det seg at overflaten er mye mer ujevn sammenlignet med de annealed stripene. Mikroskopiske bilder viser tilstedeværelsen av "risdough" og "salient" strukturer, som er indikatorer på dannelsen av CuAl og Al. Disse strukturer er assosiert med høyere mekaniske egenskaper og mer robust integrasjon mellom Cu og Al.

Temperaturbehandling og kaldvalsing spiller en avgjørende rolle i både dannelsen av de intermetalliske forbindelsene og den mekaniske ytelsen til Cu/Al/Cu laminater. Det er viktig å forstå at mens høyere temperaturer kan resultere i tykkere og mer stabile intermetalliske lag, kan det også gjøre materialet sprøtt, spesielt når temperaturen overstiger et visst punkt. Kaldvalsing kan bidra til å forbedre peelingstyrken, men det krever at laminatene er behandlet under de rette forholdene for å unngå at de intermetalliske lagene blir for sprø og kan bryte sammen under mekanisk stress.

Hvordan Cryorulling Forbedrer Mekaniske Egenskaper i Laminater av AA1050/AA6061

Frakturmorfologien til rullet AA1050/AA6061-laminater etter strekkprøving viser karakteristiske forskjeller avhengig av prosesseringsmetode og etterfølgende behandlinger. Når vi ser på frakturen i de ARBed (Accumulated Roll Bonding) prøvene, er delaminering mellom lagene av AA1050 og AA6061 et fremtredende trekk. Denne delamineringen indikerer at grensebindingen mellom de to metallene er relativt svak, noe som fører til uensartet deformasjon under strekkbelastning. AA1050-laget viser større nakking, noe som indikerer at det bidrar mer til strekkingen av laminatene, mens delamineringen er en av hovedfaktorene som påvirker frakturen.

I kontrast, ved frakturen av de cryorullede prøvene, er det ingen synlig delaminering, noe som tyder på en betydelig forbedring i grensebindingen mellom metallene. Denne forbedrede sammensetningen tillater at lagene kan deformeres sammen på en koordinert måte. Cryorulling, en prosess hvor materialene blir rullet ved lav temperatur, kan dermed forbedre interfasens styrke og gi laminater med overlegne mekaniske egenskaper.

Mikroskopiske observasjoner av frakturen etter strekkprøving viser at deformasjonen til laminatene har en duktil frakturmorfologi preget av dimpler. Størrelsen på dimplene i prøvene varierer, og er størst og dypest i prøven A3. Denne variasjonen i dimplestørrelse kan tilskrives forskjellene i ytelsen mellom de ulike metaller i laminatene, samt en "dragging"-effekt mellom lagene som skaper dimpler i AA1050-laget nær grensesnittet med AA6061-laget. Denne forskjellen er tydelig i samsvar med resultatene fra strekkprøvingene og viser hvordan interaksjonen mellom de ulike lagene påvirker den samlede frakturmorfologien.

Aldring er en annen behandling som kan påvirke de mekaniske egenskapene til laminater. Etter aldringsbehandling blir kvaliteten på grensebindingen mellom lagene i laminatene forbedret, og flere delamineringer blir eliminert, som det vises i de aldringbehandlede prøvene A5+PA og C2+PA. Aldringen fører til dannelse av utfellinger som reduserer materialets forlengelse etter toppen av aldringsprosessen, men påvirker ikke den duktilt sprø frakturen vesentlig.

Når det gjelder de mekaniske egenskapene, har cryorulling vist seg å være effektiv i å forbedre styrken (UTS – ultimate tensile strength) av laminatene, uten at forlengelsen reduseres betydelig. Etter topass cryorulling har styrken økt med omtrent 48 % i forhold til de første ARB-syklene. Dette skjer hovedsakelig på grunn av tre faktorer: forbedring i grensebindingen mellom de to metallene, høyere dislokasjonsdensitet, og en betydelig kornforfining. Cryorulling undertrykker dynamisk rekreasjon, som øker dislokasjonsdensen og reduserer avstanden mellom dislokasjonene. Økt dislokasjonsmotstand resulterer i høyere stressbehov under videre plastisk deformasjon, og styrken øker som følge av dette.

Kornforfining, en prosess hvor kornstørrelsen reduseres, er en annen viktig mekanisme som bidrar til økt styrke. Dette skjer fordi et større antall korngrensene skaper flere hindringer for dislokasjonenes bevegelse. Ifølge den klassiske Hall-Petch-ligningen har kornforfining en signifikant effekt på materialstyrken. Mens ARB, som er en alvorlig plastisk deformasjonsteknikk, også kan redusere kornstørrelsen, når prosessen en metningsgrense etter flere sykluser. Cryorulling kan imidlertid overvinne denne metningsgrensen, noe som resulterer i en finere kornstruktur og dermed forbedrede mekaniske egenskaper.

Når laminatene er aldringsbehandlet, viser det seg at en optimalt valg av temperatur for aldring (som 100°C) gir de beste styrkene. Ved slike behandlinger viser laminatene også forbedrede mekaniske egenskaper sammenlignet med tidligere studier av Al/Al-laminater, som viste høy styrke, men lav forlengelse. Denne studien demonstrerer at kombinasjonen av cryorulling og lavtemperatur aldring kan gi laminater med både høy styrke og god forlengelse.