Hur kan kallvalsning och anlösning förbättra de mekaniska egenskaperna hos Al/Ti laminat?

Kallvalsning är en tillverkningsprocess som genomförs vid rumstemperatur och innebär att materialet bearbetas genom att rulla det mellan valsar för att minska dess tjocklek. Till skillnad från den varma valsningen, där temperaturen är avgörande för att möjliggöra bearbetning, sker kallvalsningen utan att materialet värms upp, vilket medför flera fördelar, såsom undvikande av oxidation vid gränssnitten och högre kontroll över intermetalliska föreningars tjocklek. En av de största fördelarna med kallvalsning är att den gör det möjligt att få metallkompositer av hög kvalitet genom en flexibel reglering av IMC-tjockleken (intermetalliska föreningar), som kan justeras med hjälp av efterföljande värmebehandling.

Forskning kring Al/Ti-laminat, som genomgår kallvalsning följt av anlösning, har visat att denna kombination kan ge imponerande mekaniska egenskaper. En studie av Yu et al. (2014) undersökte mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos ett Al/Ti/Al-laminat efter olika anlösningstider. För de laminat som anlöts i 24 timmar visade det sig att materialet hade en betydande förbättring i både utmattningshållfasthet och duktilitet. Detta tyder på att den långsamma tillväxten av TiAl3-fasen under anlösningen spelar en viktig roll i att förstärka materialets förmåga att motstå sprickbildning under ytterligare mekaniska belastningar.

De mikrostrukturella förändringarna som sker i Al/Ti-laminaten vid olika anlösningstider är intressanta att följa. Efter den första kallvalsningen, där Ti-lagren är spruckna och utspridda i Al-lagren, börjar intermetalliska föreningar att utvecklas vid gränsytan mellan Ti och Al när laminaten anlöses. När anlösningstiden förlängs, växer TiAl3-lagret och ändrar den ursprungliga strukturen. Vid anlösning i 6 timmar är TiAl3 den enda fasen som bildas vid Ti/Al-gränssnittet. Vid 12 timmar ökar tjockleken på TiAl3-lagret, vilket i sin tur leder till en ökad stabilitet i materialet. Vid längre anlösningstider (24 timmar och mer) bryts det kontinuerliga Ti-lagret upp i små öar, vilket ger en mer komplex mikrostruktur som bidrar till ökad hållfasthet.

För att förstå mekanismerna bakom dessa förändringar, är det nödvändigt att beakta två huvudsakliga faktorer: reaktionskontroll och diffusionskontroll. Vid korta anlösningstider dominerar reaktionskontrollen, där reaktiviteten hos Ti-sidan gör att Al-atomernas tillgång är tillräcklig för att snabbt bilda TiAl3. Efter en längre anlösningstid, där lagrets tjocklek ökar, blir diffusionen av Ti- och Al-atomer mer begränsad, vilket gör att diffusionskontrollen tar över. Detta förändrar både den interna strukturen och de mekaniska egenskaperna hos laminaten.

Det är också viktigt att förstå att med ökad anlösningstid försvinner det rena Ti-lagret helt och hållet, och istället domineras gränssnittet av TiAl3-fasen, som ger en förbättrad hållfasthet och motståndskraft mot sprickbildning.

För att ytterligare optimera processen kan det vara relevant att undersöka olika bearbetningsförhållanden, såsom hastigheten på valsning och temperaturintervall under anlösning. Dessa faktorer påverkar i hög grad mikrostrukturens utveckling och därmed materialets slutliga prestanda. Det är också viktigt att belysa att, medan kallvalsning och anlösning ger förbättrade egenskaper, de specifika materialegenskaperna hos de ingående metallerna, såsom deras sprödhet eller duktilitet, kommer att ha en avgörande inverkan på laminatens slutliga användbarhet.

Hur påverkar värmebehandling av Al/Ti-laminat deras mikrostruktur och mekaniska egenskaper?

Värmebehandlingen av Al/Ti-laminat, särskilt under lång tidsperiod, medför komplexa förändringar i mikrostrukturen som i sin tur påverkar de mekaniska egenskaperna av materialet. En central process i detta sammanhang är bildandet och utvecklingen av intermetalliska föreningar, där titanaluminid (TiAl3) spelar en avgörande roll. Denna bildning sker genom en kemisk reaktion mellan titanföreningarna och aluminium vid gränsytan mellan materialen, där titanet reagerar med aluminium enligt följande ekvation: Ti + 3Al → TiAl3. Under denna inledande fas är hastigheten för bildandet av TiAl3-konstant, då denna reaktion sker i fast fas.

Vid längre exponeringstider börjar TiAl3-kornen växa, vilket resulterar i att antalet aluminiumatomer vid gränssnittet mellan Ti och TiAl3 minskar. Aluminiumatomerna diffunderar genom mellanrummen mellan TiAl3-partiklarna, vilket orsakar en nedbrytning av TiAl3-kornen på titanytans yta. Om diffusionshastigheten för aluminium är högre i TiAl3-fasen, bildas ett kontinuerligt skikt av TiAl3 på titanets yta. En viktig drivkraft för denna diffusion är koncentrationsgradienten samt rekristalliseringen av den deformerade mikrostrukturen efter valsning.

Vid långvarig värmebehandling bildas nya TiAl3-partiklar som trycker ut de tidigare bildade TiAl3-kornen in i den rena aluminiumzonen. Slutligen reagerar allt rent titan med aluminium och bildar TiAl3 under den förlängda anläggningen, vilket leder till att TiAl3-ringar bildas.

Dessutom observeras vid längre anläggningstider, som efter 168 timmar, en onormalt hög dislokationsdensitet i den rena aluminiumzonen, vilket kan ha negativ inverkan på materialets mekaniska egenskaper. Under denna tidsperiod, efter bildandet av TiAl3, uppstår håligheter vid TiAl3/Al-gränsytorna, som först försvinner efter längre behandlingstider. Den resulterande residuala dislokationsdensiteten vid gränsytan är högre än vad som normalt observeras efter andra plastiska deformationsprocesser.

Dessa förändringar i mikrostrukturen och mekaniska egenskaper är viktiga för att förstå hur Al/Ti-laminat beter sig vid olika temperaturer och anläggningstider. Värmebehandlingens effekt på TiAl3-partiklarna och deras interaktion med aluminium är avgörande för de slutliga mekaniska egenskaperna hos materialet.

Vidare är det viktigt att förstå att bilden av detta system inte är statisk; istället är det ett dynamiskt förhållande mellan materialets sammansättning, värmebehandlingstid och de resulterande mikrostrukturerna som avgör styrkan och hållfastheten hos laminatet. När TiAl3-fasen växer och omorganiseras, kommer också de mekaniska egenskaperna att förändras, vilket kan både gynna och försämra materialets prestanda beroende på de specifika användningsområdena.

Hur bildas nanoporösa strukturer i Cu/Al/Cu-laminat under rullbearbetning?

I materialbearbetning, särskilt vid hård deformation av homogena eller heterogena material, är det vanligt att sprickbildning eller porbildning uppstår vid svaga punkter i materialet. Dessa svaga punkter kan vara lokala koncentrationer av spänning som genereras vid korngränser eller mellan hårda och mjuka områden inom materialet. I denna studie användes AA1230-ark, som innehåller legeringselement som Fe och Si, vilka är svårare att deformera än Al-matrisen. Dessa hårdare inslag kan skapa lokala spänningskoncentrationer och därmed främja bildandet av nanoporer, särskilt nära makroinklusioner.

Trots att inga voids observerades vid gränssnittet mellan Cu och Al, observerades ett stort antal facetterade voids nära Al-lagrets centrum. Dessa voids bildas troligtvis på grund av ytoxidation mellan Al-lagerna som inträffar under flerpassrullning. Denna separation sker vid gränsen mellan Al och Al2O3, vilket är den svagaste punkten under dragspänning på utförsidan av rullbearbetningen. Denna process bidrar till initiationen och tillväxten av voids.

Det är också viktigt att förstå att det finns en stark skillnad mellan gränssnittet mellan Al och Al2O3 och det interna gränssnittet mellan korn inom Al-lagret. Det är denna skillnad som främjar bildandet av den typiska sandwichstrukturen med en porös Al-kärna, medan gränsytan mellan Al och Cu förblir mycket starkare och utan signifikanta defekter. Detta bidrar till materialets stabilitet och dess förmåga att motstå sprickbildning i rullbearbetningsprocessen.

Vid rullning av Al-material sker en komplex plastisk deformation som orsakar både mikroskopiska och makroskopiska förändringar i materialet. I vissa fall, när deformationen är tillräckligt hög, kan materialet uppvisa en blandning av spröd och duktil brottmekanik, där sprickor bildas längs korn- och subkorngränser, samtidigt som mikrovideos växer och sammansmälter. Denna blandning av spröd och duktil brottmekanik är särskilt tydlig vid högre dragspänningar och kan leda till tidig materialfel i Al-lagret, vilket orsakar sprickbildning under rullbearbetningen.

Det är också av vikt att notera att förutom mekaniska faktorer, såsom kornorientering och spänningskoncentrationer, kan även föroreningar som finns kvar i materialet spela en roll för bildandet av dessa voids. Små mängder Si och Fe, som finns naturligt i Al, kan skapa förutsättningar för voidbildning, men det är mer sannolikt att de största delarna av porerna orsakas av ytoxidation mellan Al-lagerna under bearbetningen.

Den komplexa processen för att bearbeta Cu/Al/Cu-laminat genom rullbearbetning kräver en förståelse för både materialets mikroskopiska strukturer och de makroskopiska spänningar som uppstår under deformation. Den detaljerade studien av dessa mekanismer kan hjälpa till att förfina bearbetningstekniker och skapa mer hållbara och effektiva material med minimal defektbildning.

Hur påverkar kryorullning och kallvalsning mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos Cu/Nb-laminat?

Mikrostrukturens utveckling vid åldring av Cu/Nb-laminat visar intressanta detaljer om mekanismen bakom dessa förbättringar. TEM-bilder (överföringselektronmikroskopi) visar att det genomsnittliga lageravståndet i de kallvalsade Cu/Nb-laminaten är 37 nm, utan förekomst av tvillingar i kopparlagret. Å andra sidan har de kryorullade laminaten ett något tunnare lageravstånd på 35 nm, och tvillingar är synliga i kopparlagret. Vid deformation vid kryogena temperaturer (under 103 K) sker det en energiavslappning i korngränserna, vilket främjar bildningen av tvillingar. Vid åldring vid 773 K ökar lageravståndet för både de kryorullade och de kallvalsade proverna, där de kallvalsade laminaten uppvisar en något större ökning (51 nm) jämfört med de kryorullade (45 nm). Trots denna skillnad är det fler tvillingar som bildas i det kryorullade Cu-lagret, vilket tyder på att cryorullning kan skapa förutsättningar för högre densitet av stapelfel och tvillingar, vilket förbättrar laminatens hållfasthet och förmåga att behålla sin struktur vid högre temperaturer.

Gränssnittet mellan koppar- och nioblagren förändras också under åldring. De kryorullade Cu/Nb-laminaten uppvisar initialt ett flackt gränssnitt med en {110} <111> Cu||{001} <110> Nb-orienteringsrelation. Efter åldring vid 773 K förvandlas detta till ett sicksackformigt gränssnitt, där orienteringsrelationen ändras till {110} <111> Cu||{112} <110> Nb. Denna förändring kan bero på tvillingbildning under åldring, vilket också inducerar en omorientering av gränssnittets struktur. I kontrast förblir gränssnittet för de kallvalsade proverna sicksack-format även efter åldring, utan några signifikanta förändringar.

För att sammanfatta dessa resultat visar det sig att kryorullning inte bara förbättrar de mekaniska egenskaperna hos Cu/Nb-laminat, utan också bidrar till en förbättrad termisk stabilitet genom att förhindra snabb förlust av dislokationer under åldring. Detta gör kryorullade Cu/Nb-laminat till ett intressant alternativ för applikationer som kräver hög hållfasthet och långvarig termisk stabilitet.