Hur påverkar härdningstiden växten av TiAl3-lagret i Al/Ti-laminat och dess mekaniska egenskaper?

I studien av Al/Ti-laminat under härdningsbehandlingar observeras att tjockleken på intermetalliska lager, såsom TiAl3, förändras beroende på uppvärmningstiden. Diagram 3.3b visar hur tjockleken på detta lager (T) förändras med härdningstid (t), där förändringen följer en dubbel exponentiell kurva enligt formlerna i ekvationerna (3.2) och (3.3). Detta innebär att tillväxten av TiAl3-lagret är snabb initialt men avtar med längre härdningstid.

Under de första 48 timmarna av härdning finns det fortfarande rester av rent Ti i laminaten, och lageravlagringarna av TiAl3 växer snabbt. Efter den första perioden saktar tillväxten ner, och vid 168 timmar (7 dagar) är all Ti helt omvandlad till TiAl3, och partiklarna i lagret separeras av större mellanrum. TEM-bilder av TiAl3-lagret för olika härdningstider visar den mikroskopiska utvecklingen av detta lager: från små voids och distinkta partiklar vid korta tider till mer homogena strukturer vid längre tider.

I den mikroskopiska bilden av Al/Ti-laminat efter härdning under 6 timmar, som visas i Figur 3.4a, syns tomrum vid gränssnittet mellan Ti och Al. Denna bild visar också det så kallade "Kirkendall-effekten", där en skillnad i diffusion mellan Ti och Al-atomkärnor leder till bildandet av porer vid gränsytan av det intermetalliska lagret. Detta fenomen har observerats i flera IMC (intermetalliska föreningar) och används även i tillverkningen av porösa Ti-Al-legeringar.

De mekaniska egenskaperna hos Al/Ti-laminat förändras också med härdningstiden. Figur 3.5 visar att materialet efter kallvalsning uppvisar förbättrad draghållfasthet men låg duktilitet. När Ti-blad införs i laminatet ökar sträckgränsen till 210 MPa, men det leder till en minskning av duktiliteten. Efter en härdning på 6 timmar vid 873 K sjunker sträckgränsen avsevärt, och duktiliteten förblir låg. Efter 12 timmar av härdning ökar dock sträckgränsen till 100 MPa, och materialets elongering förbättras. Det är möjligt att den låga sträckgränsen vid kortare härdningstider beror på kvarvarande porer vid gränsen mellan TiAl3 och Al, som är synliga i bilder från TEM.

För att ytterligare förstå den mikrostrukturella utvecklingen av laminatet under härdning, är det intressant att notera att en trimodal struktur utvecklas, där Al-matrisen består av grova korn, Ti finns som ultrafina korn, och TiAl3-partiklar är utspridda oregelbundet i matrisskiktet. Detta sker enligt den diffusionsteori som beskrivs av Ficks andra lag, där koncentrationen av atomer vid gränssnittet mellan Ti och Al förändras beroende på diffusionstiden (härdningstiden). Förkortat kan denna modell förklara hur fördelningen av TiAl3 förändras under den initiala härdningen, men misslyckas att tillräckligt förklara varför dessa partiklar vid längre härdningstider inte är lika jämnt fördelade.

För att förstå dessa mekanismer är det viktigt att notera att diffusionen i Al/Ti-laminat sker snabbt i början, men med tiden sker en långsammare omvandling av Ti till TiAl3, och denna övergång påverkar både mikrosstruktur och de mekaniska egenskaperna. Eftersom TiAl3 är en intermetallisk förening med mycket olika difusionshastigheter för Ti och Al-atomer, får detta en stor inverkan på både den makroskopiska hållfastheten och mikroskopiska strukturen. Ju längre härdningstid, desto större skillnader kan uppstå i kornstorlek och partikeldistribution, vilket i sin tur påverkar både de mekaniska och strukturella egenskaperna hos laminatet.

Hur förbättrar tillsats av HEAps mekaniska egenskaper i MMCs genom kornförfining och dislokationsstyrkning?

HEAps har också förmågan att förbättra vätbarheten i gjutprocessen, vilket underlättar en högre nucleationshastighet och förbättrar kornförfiningen ytterligare. Detta beror på deras förmåga att främja heterogen nukleation i AA5083-matrisen. Genom att hjälpa till med denna process omvandlas fler kristallämnen till kärnor, vilket ytterligare minskar kornstorleken och ökar materialets styrka.

En annan viktig förstärkningsmekanism är den geometriska nödvändiga dislokationen (GND), som genereras av termiska och elastiska modulsmismatchar mellan matrisen och HEAps. Under gjutningen skapas termiska spänningar på grund av skillnader i termisk expansion, vilket orsakar en plastisk deformation av matrisen och bildandet av GNDs. Dessa GNDs hindrar dislokationer från att röra sig under deformation, vilket leder till en ökning av materialets styrka. Beräkningar av dislokationsdensiteten, som genereras av CTE-mismatchen, visar att denna mekanism är signifikant i förhållande till styrkan hos de förstärkta materialen.

Lastöverföringsstyrkning är ytterligare en kritisk mekanism som påverkar mekaniska egenskaper hos MMCs. Eftersom HEAps är mycket starkare än AA5083, fungerar de som de primära bärarna av last under deformation, vilket resulterar i att större del av den applicerade lasten överförs till HEAps. Detta ökar materialets förmåga att motstå deformation under påfrestningar. Medan dislokationer ackumuleras i materialet, särskilt nära HEAps, förblir deras storlek relativt liten, vilket bidrar till ett mer homogent och robust material. Denna effekt blir särskilt påtaglig när partikeldiametern för förstärkningen är större än 10 μm.

En annan aspekt som är viktig att förstå är hur den ökade dislokationstätheten påverkar den dynamiska återhämtningen och rekristallisationen. När HEAps tillsätts till AA5083 hindras rekristallisationen av det nya materialet, vilket leder till en högre rekristallisationstemperatur och ett lägre rekristallisationsgrad under samma förhållanden. Detta beror på att HEAps fungerar som ett hinder för kornens tillväxt och bildning under uppvärmning, vilket gör att materialet bibehåller sina mekaniska egenskaper även vid högre temperaturer.

De mekanismer som beskrivs ovan samverkar för att förbättra MMCs mekaniska egenskaper. Förutom att kornstorleken minskas och dislokationer hindras från att röra sig, bibehålls materialets styrka och hårdhet över längre perioder och vid högre temperaturer. I experiment där cryorullning användes för att bearbeta MMCs, observerades att dessa material behåller högre brottstyrka än traditionella, varmvalsade prover. Det visar på fördelarna med cryorullning, som genererar fler dislokationer och därmed ytterligare förstärker materialet genom en ökning av den geometriska nödvändiga dislokationen.

En annan aspekt som har betydelse för bearbetning är att när MMCs genomgår deformation, uppstår en ny förstärkningsmekanism när partiklarnas storlek minskar ytterligare. När partiklarna är tillräckligt små, kan en pinningeffekt inträda, vilket innebär att de små HEAps fungerar som barriärer för dislokationer och förhindrar ytterligare deformation. Denna effekt är särskilt viktig när det gäller att förhindra materialutmattning och förlänga livslängden för komponenter som utsätts för tunga belastningar.

För att förstå den fulla effekten av tillsatsen av HEAps i MMCs, är det också viktigt att beakta deras roll i de olika stadierna av bearbetning, särskilt i relation till temperaturförändringar och mekanisk belastning. Cryorullning, som är en teknik för att bearbeta material vid mycket låga temperaturer, ger fördelar i form av ökad dislokationsdensitet och förhindrad dynamisk återhämtning, vilket resulterar i betydligt högre brottstyrka. Detta kan vara avgörande för applikationer där materialet utsätts för extrema förhållanden.