Hvordan intermetalliske partikler og diffusjon påvirker deformasjonsmekanismen i Al/Ti-laminerte materialer under anløpning

I prosessen med dannelse av intermetalliske partikler i Al/Ti-laminerte materialer, er det flere viktige faser som påvirker både de mekaniske egenskapene og deformasjonsmekanismen under forskjellige anløpningstider. Dette kan i stor grad bidra til forståelsen av hvordan disse materialene oppfører seg når de utsettes for stress og temperaturforhold, spesielt i sammenheng med teknologiske anvendelser der styrke og duktilitet er kritiske.

Diffusjonen av Al gjennom materialet er drevet av konsentrasjonsgradienter og rekrystallisasjon som følger deformasjonen under valsing. Når tilstrekkelig med Al-atomer har diffundert til den ferske Ti-overflaten, reagerer de med Ti og danner nye TiAl3-partikler. På denne måten kan det dannes et system av sammenhengende intermetalliske lag. Denne prosessen fører til dannelsen av en TiAl3-ringstruktur i materialet, noe som kan observeres i mikroskopiske bilder av materialet etter anløpning. I tilfeller hvor Al-laget er mye tykkere enn Ti-laget, vil denne reaksjonen fortsatt dominere over tid, og dannelsen av nye TiAl3-partikler fortsetter å skyve de eldre partiklene inn i den rene Al-regionen.

Deformasjonsmekanismen i Al/Ti-laminerte materialer endres betydelig med varigheten av anløpningsprosessen. Når anløpningstiden er kort, som ved 6 timers anløpning, kan materialet ha lav styrke og elongasjon. Dette skyldes dannelsen av tomrom og sprekker i grensesnittet mellom Ti og TiAl3. Denne typen feil er et resultat av voids dannet på grunn av Kirkendall-effekten og forskjellen i molar volum mellom titan og aluminium.

Etter lengre anløpningstider, som 12 timer, blir disse tomrommene redusert, noe som gir en høyere strekkfasthet og økt elongasjon. For eksempel, ved 12 timers anløpning, er deformasjonen mer homogen, og materialet oppnår den høyeste frakturspenningen. Ved 24 timers anløpning ses ytterligere forbedringer, ettersom voids ved grensesnittene mellom TiAl3/Al og TiAl3/Ti elimineres, og Al-matriksen begynner å deformeres på en mer sammenhengende måte. Dette skaper en mer ensartet deformasjonsfordeling i materialet, som fører til bedre duktilitet og uniform elongasjon under strekkprøving.

På den andre siden, ved svært lange anløpningstider, som 168 timer, øker den maksimale ekvivalente spenningen, og materialet mister mye av sin duktilitet. Dette er fordi sprekker kan spre seg raskt mellom TiAl3-partiklene, uten noen grovkornet Al til å stoppe sprekkene nær overflaten. Dette fører til redusert strekkfasthet og lavere bruddstrømning.

En annen bemerkelsesverdig observasjon fra studien er den uvanlig høye dislokasjonsdichtet i de anløpte Al/Ti-laminatene, særlig i den rene Al-regionen. Ved anløpning i 168 timer finner man en residual dislokasjonsdichtet på 7,5 × 10^14 m−2, som er høyere enn den som normalt observeres etter noen typer plastisk deformasjon. Denne høye dislokasjonsdichteten kan føre til uventede mekaniske egenskaper i materialet, som for eksempel høy styrke, men samtidig redusert duktilitet på grunn av den økte propageringen av dislokasjoner.

For å oppsummere, er dannelsen av TiAl3 og de påfølgende diffusjonsprosessene en nøkkelmekanisme som styrer materialets struktur og mekaniske egenskaper under anløpning. Korrekt kontroll av anløpningstiden og temperaturforholdene kan derfor gi mulighet for å designe Al/Ti-laminater med ønsket styrke og duktilitet. Det er viktig å forstå hvordan diffusjon, partikkelvekst og dannelse av voids påvirker disse materialene, og hvordan disse egenskapene kan tilpasses for å møte spesifikke krav i industrielle applikasjoner.

Hva skjer med Cu/Al laminater ved ulike herdeprosesser og intermetalliske lag?

Studier av peelingoverflater på Cu/Al-laminater etter forskjellige varmebehandlingsprosesser viser tydelige sammenhenger mellom temperatur, atomdiffusjon, og dannelse av intermetalliske forbindelser (IMC). Resultatene viser at ulike herdetemperaturer har en betydelig innvirkning på mekaniske egenskaper som trekkstyrke og duktilitet, avhengig av sammensetningen og tykkelsen på de intermetalliske lagene.

Når Cu/Al laminater blir herdet ved 350°C, observeres en peelingoverflate hvor Cu fortsatt er synlig, og det er en svak diffunderende overgang mellom Cu og Al. Dette tyder på en svak diffusjon ved lavere temperaturer, noe som fører til at det dannes et lite intermetallisk lag med relativt lav bindingsevne mellom metallene. Når disse laminatene blir videre kaldvalset, blir diffusjonsbredden redusert, men effekten på trekkstyrken er begrenset, og etterslepet på mekaniske egenskaper er merkbart. Dette viser at det er en grense for effektiviteten av kaldvalsing under forhold med lav temperaturbehandling.

I motsetning til dette, når laminatene varmes opp til 450°C, forsterkes bindingen betydelig. Peelingoverflaten viser ikke lenger noen tegn til rent Cu, og det dannes et robust intermetallisk lag, primært CuAl2, sammen med små mengder Cu9Al4 og Al. Denne temperaturen fremmer en økning i styrken på bindingene, dels fordi eventuelle mikroskopiske hulrom i grensesnittet mellom metaller forsvinner, og overflaten blir mer ru, noe som forbedrer kontakten mellom atomene. Dette intermetalliske laget forsterkes ytterligere ved kaldvalsing, som skaper en jevn og kompakt struktur på peelingoverflaten.

Ved 550°C skjer derimot en reduksjon i den mekaniske styrken. De intermetalliske lagene som dannes, domineres av CuAl, et hardt og sprøtt materiale som ikke bidrar til god mekanisk ytelse. Denne sprøheten svekker bindingen mellom Cu og Al, og kaldvalsing kan ikke kompensere for den negative effekten av et tykt CuAl-lag. Resultatene viser at et mellomliggende herdeintervall på rundt 450°C gir de beste resultatene, hvor laget med intermetalliske forbindelser er tilstrekkelig tykt til å danne sterke metallbindinger uten å bli for sprøtt.

En vesentlig faktor for den mekaniske ytelsen er tykkelsen på de intermetalliske lagene, da for tykke lag kan føre til sprøhet og redusert strekkfasthet. Laminater herdet ved 450°C gir en god balanse mellom styrke og duktilitet. Disse laminatene har en høyere ultimate trekkstyrke og en god grad av elongering ved brudd. Sammenlignet med laminater herdet ved 350°C, som viste svakere mekaniske egenskaper, og de som ble behandlet ved 550°C, som hadde sprøtt brudd, fremstår 450°C herdeprosessen som optimal for ytelse i strekkprøver.

Videre er effekten av SUS304 interlag en interessant komponent i Cu/Al laminater. Ved å bruke SUS304 som mellomlag kan man se betydelige forskjeller i deformasjonsegenskapene avhengig av tykkelsen på folien. Jo tykkere SUS304 folien er, desto bedre blir flatheten av grensesnittet mellom lagene, noe som resulterer i høyere mekanisk styrke og bedre binding. Dette skjer fordi tykkere SUS304 interlag deformeres mer jevnt under kaldvalsingsprosessen, mens tynnere folier lettere brytes og fører til dårligere grenseflatestruktur.

For å oppnå den beste ytelsen i Cu/Al laminater, er det avgjørende å finne den rette balansen i varmebehandlingsprosessen og tykkelsen på de intermetalliske lagene. For laminater med et SUS304 interlag er det viktig at folien har tilstrekkelig tykkelse til å gi god deformabilitet og stabilitet under kaldvalsingen.

Hvordan forskjellige valseteknikker påvirker de mekaniske egenskapene til Al/Mg-Li-laminater

De mekaniske egenskapene til Al/Mg-Li-laminater kan forbedres gjennom ulike valseteknikker som resulterer i forskjellige mikroskopiske strukturer og teksturer i materialet. Observasjoner gjort under transmissjons-elektronmikroskopi (TEM) viser at ved bruk av tilbakevalsning (RTR) dannes det mange dislokasjonstangler ved korngrenser, mens kontrollert valsing (CR) fremmer en bedre mekanisk låsing av laminerte lag. I tilfelle av RTR ble det observert små sprekker ved bindegrensesnittet mellom lagene, noe som ikke var tilfelle under CR, hvor grensesnittet forble intakt og homogent.

Videre analyse av teksturene til β-Li-fasen i Mg-Li-lagene gjennom polefigurer og orienteringstetthetsfunksjoner (ODF) bekrefter at CR-metoden førte til en høyere intensitet av de viktige rulleteksturene sammenlignet med RTR, spesielt i α-fiber og γ-fiber. Dette kan bety at CR fører til en sterkere, mer stabil tekstur som er gunstig for materialets styrke og deformasjonsegenskaper.

For α-Mg-fasen i Mg-Li-lagene ble det også observert forskjeller i teksturintensiteten etter ulike valsingsteknikker. Mens den klassiske prisme- og pyramidalteksturen i denne fasen var sterkere etter CR, viste RTR-metoden en mer variert tekstur med høyere slipaktivering i prisme-retningen. Dette kan forklare hvorfor laminater bearbeidet med CR har bedre tøyningsegenskaper, mens de bearbeidet med RTR viser høyere styrke men lavere duktilitet.

Når det gjelder de mekaniske egenskapene, viste strekk-strekk kurvene at laminater produsert med HR og CR hadde lavere strekkstyrke (UTS) enn de laget med HR og RTR, men derimot en mye høyere total tøyning. Dette gjør at laminater produsert med CR er mer egnede for applikasjoner som krever høy duktilitet og god formbarhet, selv om styrken er litt lavere. Dette er et viktig kompromiss i materialdesign, der man må balansere mellom styrke og duktilitet, avhengig av bruksområdet.

Hardhetstestene av Al- og Mg-Li-lagene viste også interessante resultater, der Mg-Li-laget hadde høyere mikrohardhet etter bruk av RTR, noe som kan bidra til økt motstand mot plastisk deformasjon. Imidlertid var det en mer stabil hardhet etter CR, noe som indikerer at CR-metoden kan føre til et mer homogene og mindre sprøtt materiale.

For å oppsummere, har både RTR og CR sine fordeler og ulemper avhengig av hva som er viktigst for applikasjonen. RTR gir høyere styrke, men med redusert duktilitet og større risiko for delaminering og sprøhet, mens CR gir bedre duktilitet og stabilt vedheft, men med litt lavere styrke. Derfor er valget av valsingsteknikk en nøkkelfaktor for å tilpasse Al/Mg-Li-laminater til spesifikke tekniske krav.

Hvordan Kjølerulling Påvirker Mekaniske Egenskaper og Mikrostuktur av Cu/Al Laminater

I løpet av prosesseringen av Cu/Al-laminater gjennom ARB-teknikk (akkumulativ rullbonding) er mikrostukturene og de mekaniske egenskapene til materialene nært knyttet til de spesifikke plastiske egenskapene til de ulike lagene i komposittmaterialet. Denne effekten er også observerbar i Al/Ni-kompositter under akkumulativ rullbonding, der intermetallic lagene av AlCu når en tilstand med plastisk ustabilitet betydelig tidligere enn Al-laget når de utsettes for cryorulling ved -190 °C. Denne plastiske ustabiliteten kan føre til en økt risiko for nekking, som reduseres når temperaturen under rullingen økes.

Tensile egenskapene til sandwichkompositter som Cu/Al kan forutses ved hjelp av blandingsregelen, der man tar et gjennomsnitt av komponentenes egenskaper veid etter tverrsnittsarealet til de enkelte lagene. Dette kan uttrykkes som en ligning, der styrken av tomrommene regnes som null. Når andelen av tomroms laget øker, vil styrken reduseres kraftig, noe som forklarer den reduserte ultimate strekkstyrken i komposittene som gjennomgår cryorulling ved -100 °C og -190 °C.

Cu/Al laminater kan fremstilles vellykket ved ARB-teknikken. Det er blitt gjennomført flere studier som sammenligner effekten av etterfølgende kaldrulling og cryorulling på mikrostukturene og de mekaniske egenskapene til Cu/Al laminatene. Det er spesielt viktig å forstå hvordan cryorulling kan forbedre både strekkstyrken og den termiske stabiliteten i disse laminatene, noe som har blitt dokumentert i flere studier.

Mikrostukturell utvikling av Cu/Al-laminater etter ARB og cryorulling viser klare forskjeller i strukturen. Etter den første ARB-syklusen dannes veldefinerte lamellstrukturer med flate Cu/Al-grensesnitt. Etter flere ARB-sykluser blir Cu-lagene mer utsatt for nekking og til og med brudd, som vist i mikroskopiske bilder, noe som skyldes forskjellen i flytespenning og herdeegenskaper mellom Cu og Al. Denne tendensen til nekking har også blitt observert i andre komposittmaterialer og gir opphav til skjærbånd, som kan observeres ved et vinklet mønster i de mikroskopiske bildene.

En annen viktig observasjon er interfasen mellom Cu og Al, som ved cryorulling viser færre dannede intermetalliske forbindelser (IMC), som CuAl2 og CuAl. Dette er et positivt tegn, da dannelsen av slike forbindelser kan føre til sprøhet i materialet. Cryorulling bidrar dermed til å redusere dannelsen av disse sprø intermetalliske lagene, noe som igjen bidrar til en betydelig forbedring av de mekaniske egenskapene til laminatene.

Når det gjelder de strekkegenskaper som er knyttet til disse Cu/Al-laminatene, viser det seg at etter hvert som ARB-syklusen øker, øker strekkstyrken betydelig, fra 222 MPa i den første syklusen til 269 MPa i den sjuende syklusen, på grunn av kornforfining og akkumulering av dislokasjoner. Etterfølgende rullprosesser kan ytterligere forbedre strekkstyrken ved å endre den lokale nekking og gjøre Cu/Al-lagene tynnere, samtidig som cryorullingen bidrar til en høyere strekkstyrke sammenlignet med kaldrulling. Det er viktig å merke seg at dette også fører til redusert duktilitet, som er en vanlig egenskap for kompositter fremstilt ved ARB-teknikken.

Videre viser temperaturstabiliteten i Cu/Al-laminater at materialene som er behandlet ved cryorulling, har bedre motstand mot temperaturrelaterte forandringer enn de kaldrullede, som ytterligere bekrefter de termiske fordelene ved cryorulling.