Hur påverkar temperaturbehandling och kallvalsning styrkan hos Cu/Al/Cu-laminat?

Tillverkningen av Cu/Al/Cu-laminat är en komplex process som kräver noggrant kontrollerade steg för att uppnå högkvalitativa material. För att uppnå en högavkastning i produktionen är det nödvändigt att laminaten har tillräcklig fasthet och kontinuitet i gränsytan mellan de olika lagren av koppar och aluminium. En viktig del av processen är val av temperaturer vid härdning och kylning, samt graden av kallvalsning som tillämpas efter det initiala tillverkningssteget.

I en experimentell studie på Cu/Al/Cu-laminat med varierande tjocklek på mellan 10 mm och 0,5 mm, undersöktes effekterna av temperatur och kallvalsning på laminitternas struktur och egenskaper. Vid tillverkning av dessa laminat är det avgörande att kantarna är fria från uppenbara sprickor, vilket gör att laminaten kan uppnå högre utbyte och kvalitet. Genom att använda ett in-tube metod (figur 3.32) uppnås en sammanfogen struktur mellan koppar och aluminium utan synliga defekter.

Vid ytterligare kallvalsning minskade diffusionslagrets bredd och dess kontinuitet bröts upp, särskilt för de laminat som var upphettade till högre temperaturer. Detta berodde på att det spröda IMC-lagret sprack vid den höga valskraften, vilket ledde till en deformation av de intermetalliska lagren (figur 3.33d-f). För laminaten som var kallvalsade till 0,5 mm, var det tydligt att de översta skikten förlorade sin integritet, vilket orsakade en fragmentering av de IMC som senare pressades in i aluminiumsubstratet.

Linjescanning av Cu/Al-gränssnittet visade att diffusjonsbredden minskade dramatiskt efter den kalla valsningsprocessen, och att diffusionsförmågan för Cu i Al var starkare än Al i Cu, vilket är ett resultat av skillnader i atomstorlek och diffusionskoefficienter för de två materialen. Detta observerades genom att difussionen hos Cu atomer i Al var mer uttalad än motsatt diffussion vid lägre temperaturer (fig. 3.34). För högre temperaturer ökade denna skillnad markant, vilket också bekräftades av experimenten.

Det är också intressant att notera att när den termiska behandlingen utfördes vid höga temperaturer (över 300 °C), bildades spröda intermetalliska föreningar som Cu9Al4, CuAl och CuAl2 vid gränssnittet, vilket påverkade laminatens mekaniska egenskaper. Denna förändring i gränsskiktet påverkade även hållfastheten hos de tillverkade materialen. När laminaten kallvalsades efter upphettning kunde vissa spröda föreningar brytas upp, vilket resulterade i en ökad draghållfasthet, särskilt för de laminat som härdades vid 350 och 450 °C. För de som behandlades vid 550 °C var det emellertid svårt att uppnå hög hållfasthet eftersom de intermetalliska lagren förblev spröda.

För att förstå de mekaniska egenskaperna hos dessa laminat måste vi också beakta effekterna av Kirkendall-effekten, som orsakar bildandet av hålrum nära kopparsubstratet. Vid den höga temperaturen och diffusionsbehandlingen koncentrerades voids och svaga lager, vilket minskade sammanhållningen mellan koppar och aluminium. Denna effekt påstås ha en direkt inverkan på det mekaniska svaret hos laminaten vid utmattning eller vid utsättning för höga påfrestningar.

De mekaniska egenskaperna hos Cu/Al/Cu-laminaten efter både härdning och kallvalsning bekräftades i experiment där peelingstyrkan mättes. För laminaten efter kylning visade det sig att den genomsnittliga peelingstyrkan ökade vid de lägre behandlingstemperaturerna (350 °C och 450 °C) men minskade för de laminat som var behandlade vid 550 °C (figur 3.36). Den kallvalsade laminatens peelingstyrka var markant högre än för de icke-kallvalsade varianterna, och detta var särskilt tydligt för de som var härdade vid 350 °C och 450 °C.

För att ytterligare förbättra och optimera tillverkningsprocessen av Cu/Al/Cu-laminat är det avgörande att förstå de detaljerade effekterna av både temperaturbehandling och kallvalsning på mikrostukturen och mekaniska egenskaper. Det krävs en noggrann balans mellan processparametrarna för att säkerställa både hållfasthet och långsiktig stabilitet i de tillverkade materialen.

Hur påverkar kryogena temperaturer och deformationsprocesser de mekaniska egenskaperna hos Al/HEAp MMCs?

Vid kryogena temperaturer ackumuleras en stor mängd lagrad energi på grund av den höga dislokationstätheten, vilket kan förfina kornen under rullningsprocessen. Förfiningen av kornstorleken för Al/HEAp MMCs efter ACR (asymmetrisk kryorullning) reduceras till 179 nm, vilket är betydligt finare än kornstorleken för AR (åldrad rullning) Al/HEAp MMCs, som är 237 nm. I denna process kan mekanismen för Orowan-förstärkning spela en viktig roll i att förbättra materialets hållfasthet. När dislokationerna hindras av nanoskaliga partiklar, ökar materialets mekaniska egenskaper. I denna studie observerades att HEAp-partiklarna i kompositerna förfinades avsevärt efter den asymmetriska kryorullningsprocessen, vilket bekräftar att Orowan-förstärkningen fortfarande är aktiv i Al/HEAp MMCs.

Det är också viktigt att notera att plastisk deformation under kryorullning minskar mikrohålrum och andra defekter i materialet. Detta innebär att de mekaniska egenskaperna hos Al/HEAp MMCs avsevärt förbättras, vilket återspeglas i de ökade hållfastheterna och elasticiteterna vid sträckbrott. Jämförelser av de mekaniska egenskaperna hos ACR Al/HEAp MMCs med andra aluminium-matriskompositer (AMC) visade att de Al/HEAp MMCs som genomgick kryorullning hade exceptionella mekaniska egenskaper.

I en annan del av studien undersöktes de mekaniska egenskaperna för Al/HEAp MMCs vid extrema temperaturer, inklusive kryogena förhållanden. Det visade sig att de mekaniska egenskaperna för dessa kompositer vid 173 K var avsevärt förbättrade jämfört med vid rumstemperatur (298 K). Vid 30 % rullning hade den kryogena hållfastheten för Al/HEAp MMCs ökat med upp till 21,8 % i jämförelse med rumstemperatur, vilket bekräftar att dessa material är mycket lämpliga för användning i miljöer med extrema temperaturer.

Det är också viktigt att förstå att de mekaniska förbättringarna hos Al/HEAp MMCs i kryogena förhållanden inte bara beror på den mikroskopiska strukturen utan även på materialets förmåga att motstå defekter som mikrohål och svagare gränser mellan partiklar och matrisen. Kryorullning visar sig vara en effektiv metod för att undvika dessa problem och ge ett mer hållbart och starkt material, särskilt i extremt kalla miljöer. De mekaniska egenskaperna vid kryogena temperaturer är särskilt användbara för tillämpningar inom områden som rymdteknik, cryogenik och andra applikationer som kräver hög hållfasthet vid låga temperaturer.

Hur cyklisk bearbetning och cryorullning påverkar mekaniska egenskaper hos Al/TiC-kompositer

Vid framställning av aluminiumbaserade kompositer, såsom Al/TiC, är metodvalet för bearbetning av avgörande betydelse för materialets slutgiltiga mekaniska egenskaper. En av de mest effektiva teknikerna är ARB (Accumulative Roll Bonding), som möjliggör upprepad deformation av materialet för att förbättra de mekaniska egenskaperna genom att minska kornstorleken och förbättra bindningen mellan de olika lagren av materialet. När denna teknik kombineras med cryorullning, en process som använder flytande kväve för att sänka temperaturen vid bearbetningen, kan ytterligare förbättringar uppnås när det gäller styrka och hållbarhet hos kompositmaterial.

Under de första ARB-cyklerna var sammansättningen av TiC-partiklarna relativt ojämnt fördelad, med större kluster som kunde ses i materialet. Efter ett flertal bearbetningscykler, som i ARB-5, hade dessa kluster brutits ner till mindre partiklar, vilket ledde till en mer homogen fördelning av TiC i aluminiummatrisen. Denna finare fördelning bidrog till förbättrade egenskaper hos kompositen, såsom ökad draghållfasthet och förbättrad slitstyrka. Det är också värt att notera att porositeten vid gränssnittet mellan TiC-partiklarna och aluminium reducerades avsevärt under denna process.

En viktig aspekt att beakta vid denna typ av bearbetning är relationen mellan styrka och duktilitet. Som regel ökar styrkan i ett material genom att minska kornstorleken, men detta går ofta på bekostnad av materialets duktilitet. I fallet med Al/TiC-kompositer visades det att styrkan ökade markant med ett ökande antal bearbetningscykler, medan duktiliteten minskade något. Denna minskning av duktilitet kan vara en följd av bristande bindning vid Al/TiC-gränssnittet och klusterbildning av TiC-partiklar, som inte alltid bryts ner tillräckligt under de inledande bearbetningscyklerna.

En annan viktig observation är hur deformationsmekanismerna och sprickbildningens riktning kan analyseras genom att undersöka dimple-strukturerna på materialets brustna ytor. Dimples, som bildas vid duktil sprickbildning, ger viktig information om hur materialet reagerar på påfrestningar under bearbetning. Det visades att dimplesna ofta bildades vid dynamiska skjuvspänningar och oregelbundna töjningar, vilket är typiskt för material som genomgår plastisk deformation. När antalet ARB-cykler ökade, blev dimplesna mer fördelade och jämna, vilket indikerar att materialet började uppvisa en mer enhetlig respons på de belastningar som applicerades under bearbetningen.

I samband med bearbetningen av Al/TiC-kompositer observerades också en ökning i materialets hårdhet och elastiska modul. Hårdheten, som ofta används som ett snabbt och effektivt mått på materialets mekaniska styrka, visade en signifikant ökning, särskilt i de material som genomgått cryorullning. Den elastiska modulen, som relaterar till materialets styvhet, var också högre i de cryorullade proverna, vilket gör materialet mer motståndskraftigt mot deformation under belastning.

En annan intressant aspekt av denna process är den effekt som kornrefinering har på mekaniska egenskaper. Kornrefinering innebär att de små korn som bildas under bearbetning blir mer stabila, vilket förbättrar materialets styrka. Forskning har visat att detta sker genom att gränserna för de stora vinkelgränserna (HAGBs) blir tätare, vilket leder till en minskad sprickbildning och förbättrad hållfasthet. Processen med ARB och cryorullning gör att materialet inte bara får en finare kornstruktur, utan även att dess elasticitet och uthållighet ökar, vilket gör det mer lämpat för tillämpningar som kräver höga mekaniska prestanda.

Hur införandet av SUS304 mellanlager förbättrar bindningsstyrkan i Cu/Al-laminat under valsbearbetning

Vid valsbearbetning av metalliska laminat är одной из главных проблем улучшение прочности соединения между различными металлами. В случае Cu/Al/Cu ламинатов, добавление промежуточного слоя из SUS304 имеет ключевое значение для увеличения прочности соединения между меди и алюминием. Основной механизм улучшения заключается в взаимодействии SUS304 с матрицей, что приводит к образованию более прочного и устойчивого соединения благодаря различным процессам, таким как упрочнение и влияние на образование межметаллических соединений (IMCs).

Предложенный механизм связывания через SUS304 межслой включает несколько аспектов. Во-первых, этот слой препятствует образованию IMCs, что позволяет сохранить диффузию элементов, важных для прочности соединения. Во-вторых, сам SUS304 действует как механическое препятствие, создавая «механический джоггл» — область, которая способствует более надежному сцеплению между металлами. И, наконец, SUS304 межслой удлиняет путь деформации слоя упрочнения, что в свою очередь улучшает прочность соединения.

При проведении анализа с использованием сканирования по линии и экспериментов с различными степенями прокатки (50%, 70% и 80%) было обнаружено, что при увеличении степени прокатки количество SUS304 фрагментов на интерфейсе Cu/Al растет. Эти фрагменты оказывают влияние на площадь контакта, а также на процесс деформации, что приводит к улучшению механических характеристик соединения.

Однако, несмотря на все преимущества, увеличение прокатки приводит к увеличению микроразрывов в некоторых образцах. Это указывает на то, что полное устранение дефектов на интерфейсе между металлами невозможно, и всегда существует риск наличия пустот, что снижает прочность соединения.

Особое внимание стоит уделить тому, как именно происходит перераспределение деформаций между различными слоями. В образцах с SUS304 межслоем наблюдается значительное улучшение структуры зерен, особенно в областях, ближайших к интерфейсу. Это связано с высокой эффективностью сдвигового напряжения, создаваемого SUS304. Однако важно подчеркнуть, что хотя зерна становятся тоньше, на определенных стадиях прокатки могут возникать микротрещины, которые не всегда приводят к увеличению прочности.

Таким образом, использование SUS304 в качестве промежуточного слоя в Cu/Al/Cu ламинатах при прокатке значительным образом улучшает механические характеристики этих соединений, увеличивая их прочность и устойчивость к разрыву. Этот подход, несмотря на определенные ограничения, обещает быть эффективным при производстве многослойных материалов для различных инженерных приложений, где важна высокая прочность соединений между различными металлами.