El 18 de abril, en el Foro de Extrusión de Aluminio Industrial de la Conferencia y Exposición de la Industria del Aluminio AICE 2025 SMM (20.ª), organizado por SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), SMM Metal Trading Center y Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., y coorganizado por Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. y Lezhi County Qianrun Investment Promotion Service Co., Ltd., el profesor y supervisor de doctorado GENG Lin, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto de Tecnología de Harbin, compartió el estado actual de la preparación, el procesamiento y la aplicación de los compuestos de matriz de aluminio.
Antecedentes de la investigación sobre los compuestos de matriz de aluminio
Demanda nacional importante de compuestos de matriz metálica
Aeroespacial: Aviones grandes, helicópteros pesados, vehículos aéreos no tripulados, aviones embarcados, vehículos hipersónicos, vehículos del espacio cercano y aviones de transporte estratégico.
Espacial: Vehículos de lanzamiento de carga pesada, misiones tripuladas a la Luna, bases lunares, muestreos de Marte, exploración de pequeños cuerpos celestes, exploración del sistema de Júpiter y satélites.
Otros campos: Robótica, transporte ferroviario, vehículos de energía nueva (VEN), equipos de exploración de aguas profundas/profundidades terrestres/polares, electrónica 3C, etc.
Los compuestos de matriz metálica han dado el primer paso hacia las aplicaciones de ingeniería a gran escala en los campos de la industria aeroespacial, la defensa, la electrónica, la maquinaria de construcción y otros campos de China, convirtiéndose en uno de los materiales básicos irremplazables para los grandes proyectos nacionales.
Presentó la historia del desarrollo de los compuestos de matriz de aluminio y señaló que China se encuentra entre los primeros países del mundo en cuanto al número total de artículos y el número de artículos altamente citados sobre compuestos de matriz de aluminio.
►Estado actual de la I+D sobre los compuestos de matriz de aluminio en China: Se concentra principalmente en campos de fabricación de alta gama, como la industria aeroespacial y la defensa.
Los compuestos de matriz de aluminio han logrado una amplia aplicación en campos de fabricación de alta gama, como la industria aeroespacial y la defensa, satisfaciendo las demandas de producción a pequeña escala, de variedad múltiple y personalizada.
►Uno de los problemas de cuello de botella en la aplicación generalizada: El problema de inversión de la tenacidad-resistencia, en el que la rigidez y la resistencia aumentan, mientras que la plasticidad disminuye.
El diseño de refuerzo y tenacidad de materiales compuestos basado en la configuración inspirada en la naturaleza se ha convertido en la principal tendencia en el desarrollo de los materiales compuestos de matriz de aluminio en los últimos años.
En cuanto a la tecnología de preparación, los factores que influyen en los sistemas compuestos son complejos: es necesario elegir tecnologías de preparación de alta calidad que se adapten a diferentes sistemas compuestos para satisfacer las demandas de aplicaciones complejas de acoplamiento de múltiples campos.
En cuanto a la tecnología de conformado y procesamiento, el mecanismo de evolución de la microestructura durante el proceso de conformado es complejo: es necesario desarrollar tecnologías de conformado y procesamiento adecuadas para satisfacer las demandas de control preciso de la forma y las propiedades de componentes complejos de paredes delgadas.
Tecnología de preparación de materiales compuestos de matriz de aluminio
La preparación de materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados de forma discontinua implica diversos procesos complejos. El desarrollo de tecnologías de preparación adecuadas es la clave para obtener materiales compuestos de alto rendimiento.
II. Tecnología de preparación de materiales compuestos de matriz de aluminio - Método de fase sólida (metalurgia de polvos)
El método de fase sólida se refiere al proceso de preparación de materiales compuestos de matriz metálica con la matriz en estado sólido.
Ventajas: temperatura de preparación más baja, reacciones interfaciales fácilmente controlables, microestructura fina y alto rendimiento del material compuesto.
Proporciona análisis de casos relevantes, incluidos materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas cerámicas de configuración uniforme basadas en procesos tradicionales de molienda en bolas, materiales compuestos CNT/Al con una configuración de ladrillo y mortero basada en metalurgia de polvos en escamas, materiales compuestos de matriz de aluminio multimodales basados en molienda en bolas de varios pasos y materiales compuestos de matriz de aluminio reforzados con materiales de cambio de fase.
II. Tecnología de preparación de materiales compuestos de matriz de aluminio - Método de fase sólida (prensado isostático en caliente)
El proceso de prensado isostático en caliente consiste en colocar el producto en un recipiente sellado, aplicar una presión isotrópica al producto y, al mismo tiempo, aplicar una alta temperatura. Bajo los efectos combinados de la alta temperatura y la presión, el producto experimenta sinterización y densificación.
La mayoría de las prensas isostáticas en caliente a escala de producción tienen una temperatura de funcionamiento máxima de aproximadamente 1400 °C, con presiones máximas que van desde 100 hasta 200 MPa. El tonelaje total de la prensa isostática en caliente moderna más grande es de aproximadamente 400.000 kN (40.000 toneladas-fuerza).
Ejemplo: Durante la preparación mediante prensado isostático en caliente de compuestos SiCp/Al con alta fracción volumétrica, la aleación de aluminio de la matriz se encuentra en una región bifásica sólido-líquido, lo que facilita una mayor densificación del compuesto bajo condiciones de alta temperatura y presión.
II. Tecnología de preparación de compuestos de matriz de aluminio - Método de fase líquida (colada por compresión)
Preparación de preformas: Preparación de preformas uniformemente porosas mediante sedimentación física; preparación de preformas con configuración biomimética mediante métodos como colada por congelación e impresión 3D.
Preparación de compuestos: Infiltración de aluminio fundido en los poros de la preforma mediante presurización mecánica para lograr la preparación de compuestos de alto rendimiento.
Se discuten casos relevantes, incluidos compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de configuración uniforme, compuestos de matriz de aluminio reforzados con tricomas de configuración uniforme y compuestos de matriz de aluminio de configuración biomimética.
II. Tecnología de preparación de compuestos de matriz de aluminio - Método de fase líquida (infiltración a presión al vacío)
La infiltración a presión al vacío es similar a la colada por compresión, principalmente implica la preparación de preformas porosas cerámicas en primer lugar, seguida de la combinación de un entorno de vacío y condiciones de presurización por presión de gas para permitir que el fundido de aleación de aluminio llene los microporos de la preforma y se solidifique, preparando así compuestos de matriz de aluminio.
Se presentan casos relevantes de compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de baja expansión y alta fracción volumétrica y compuestos de matriz de aluminio de configuración biomimética.
II. Tecnología de preparación de compuestos de matriz de aluminio - Método de fase líquida (colada por agitación)
Principio básico: Añadir directamente partículas al fundido semisólido del metal de la matriz para aumentar el esfuerzo de cizallamiento durante la agitación, permitiendo una dispersión uniforme de las partículas en el fundido metálico. Posteriormente, calentar rápidamente hasta el estado líquido para mejorar la fluidez de la colada y, finalmente, colar en lingotes, piezas coladas, etc.
Tecnologías clave: Mejora de la humectabilidad entre el fundido y la fase de refuerzo, dispersión uniforme de la fase de refuerzo y control de la oxidación y la absorción de gas en el fundido metálico.
Ventajas tecnológicas: Adecuado para la producción a escala industrial; proceso simple y bajos costes de fabricación.
Capacidad de preparación: La escala de producción de la fundición por agitación suele oscilar entre unos pocos kilogramos en el laboratorio y varias decenas de toneladas en la producción industrial.
Describe casos como la tecnología de preparación de fundición por agitación para compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de SiC, compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de grafito e ingotes de fundición de compuestos de partículas de TiB₂ generadas por reacción in situ.
El método de sales fluoradas implica principalmente la reacción de dos sales, generando subproductos de sales fluoradas; el método de aleación madre no produce subproductos, pero tiene altos requisitos para las materias primas; el lingote de fundición de compuestos de partículas de TiB₂ generadas por reacción in situ puede alcanzar actualmente un máximo de 11 t, proporcionando lingotes para el posterior procesamiento plástico para preparar componentes grandes.
Las partículas de TiB₂ presentan una distribución en forma de red. Su tamaño puede controlarse dentro del rango nanométrico a submicrométrico, con formas de partículas regulares y sin aglomeración significativa; las partículas de TiB₂ generadas por reacción in situ tienen una buena unión interfacial con la matriz de aluminio y están en una relación coherente, lo que las convierte en partículas cerámicas de refuerzo ideales.
Las partículas de TiB₂ son excelentes refinadores de grano. En el metal fundido, las partículas de TiB₂ actúan como núcleo para la nucleación heterogénea, proporcionando más sitios de nucleación durante la cristalización del metal, lo que finalmente resulta en granos más finos y uniformes; cerca de las partículas de TiB₂ existen una gran cantidad de enredos de dislocaciones como partículas de segunda fase, lo que dificulta eficazmente el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, mejorando así la resistencia del material.
En comparación con la aleación de matriz, la resistencia última HCF de los compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas de TiB₂ aumenta entre un 22 % y un 44 %, alcanzando hasta 730 MPa; las partículas finas de TiB₂ pueden inhibir la iniciación de grietas por fatiga, evitando la tendencia a la iniciación prematura de grietas por fatiga debido a la desunión entre partículas e interfaces y la fractura de partículas.
Tecnología de preparación de compuestos de matriz de aluminio - Método de fabricación aditiva
Basado en la tecnología de fabricación aditiva, permite la conformación a medida de componentes metálicos estructurales complejos con una estructura de material integrada, proporcionando un nuevo enfoque tecnológico para el diseño y la fabricación de componentes de alto rendimiento en la industria aeroespacial, principalmente dividido en fabricación aditiva láser, fabricación aditiva por arco, fabricación por fricción y agitación, etc.
Tecnología de Preparación de Compuestos de Matriz de Aluminio - Método de Fabricación Aditiva (Fabricación Aditiva por Láser)
Bajo la acción de un rayo láser, el polvo metálico se funde y solidifica rápidamente para formar una nueva capa de material. Este proceso se lleva a cabo capa por capa hasta que se construye un objeto tridimensional completo; basándose en las partículas de refuerzo especificadas y la matriz de Al que se han añadido, se puede lograr un refinamiento de grano inducido. La menor incompatibilidad interatómica entre la matriz α-Al y TiB₂ conduce a una disminución de la subenfriamiento crítico de nucleación ΔT, lo que puede reparar la formación de grietas en aleaciones propensas a agrietarse durante el proceso L-PBF.
La adición de partículas duras de segunda fase puede refinar significativamente la microestructura, lo que resulta en una mayor resistencia a la fluencia debido al refuerzo de los límites de grano, como se ha verificado en aleaciones AlSi10Mg reforzadas con TiB₂ y aleaciones Al2024 reforzadas con TiC/TiH₂. Además del refuerzo de los límites de grano, la resistencia a la fluencia de la aleación L-PBF TiB₂/AlSi10Mg aumenta hasta aproximadamente 362-407 MPa debido a la mayor resistencia al movimiento de dislocaciones causada por las partículas duras.
II. Tecnologías de Fabricación de Compuestos de Matriz de Aluminio - Fabricación Aditiva (Fricción-Agitación)
La fabricación aditiva por fricción-agitación (FSAM) implica la deformación plástica local de materiales metálicos mediante una herramienta de agitación giratoria de alta velocidad, seguida de la acumulación capa por capa bajo presión para lograr la fabricación de estructuras metálicas altamente densas. Las ventajas de la FSAM incluyen el procesamiento a baja temperatura, el ahorro de energía y la protección del medio ambiente, la aplicabilidad a materiales difíciles de soldar y bajas tensiones residuales. Se utiliza principalmente para la composición de materiales disímiles y la reparación de componentes de alto valor, adecuado para la conformación eficiente a gran escala de materiales como aleaciones de aluminio y aleaciones de magnesio.
La interfaz NiTip/Al preparada mediante fabricación aditiva por fricción-agitación presenta una buena unión sin la formación de productos de reacción dañinos. La adición de NiTip forma una microestructura de grano fino con buena dispersión, acelerando la recuperación dinámica al aumentar la deformación de la matriz y promoviendo la recristalización dinámica a través de la nucleación estimulada por partículas.La microestructura fina y única, el NiTip uniformemente disperso y la interfaz NiTip/Al bien unida mejoran notablemente la resistencia sin afectar negativamente a la ductilidad.
II. Tecnologías de Fabricación de Compuestos de Matriz de Aluminio - Fabricación Aditiva (Aditiva por Arco)
La fabricación aditiva por arco es una tecnología de impresión 3D de deposición dirigida de energía (DED) basada en los principios de la soldadura por arco, que construye piezas depositando materiales metálicos capa por capa.
El tamaño de grano de la aleación TiN/Al-Zn-Mg-Cu se refina de 459,3 μm a 104,6 μm, atribuido a la formación de partículas de Al₃Ti que actúan como agentes nucleantes, lo que resulta en un aumento de la resistencia a la tracción tanto en la dirección horizontal como vertical. En la dirección horizontal, la resistencia a la tracción aumenta de 207 MPa a 284 MPa.
Conformado y Procesamiento de Compuestos de Matriz de Aluminio
III. Conformado y Procesamiento de Compuestos de Matriz de Aluminio - Extrusión en Caliente
La extrusión en caliente permite la producción de perfiles de sección transversal compleja, aplicando únicamente tensiones de compresión y cizallamiento durante el proceso de conformado, lo que resulta en un buen acabado superficial de las piezas producidas. La simulación por ordenador puede ayudar a los ingenieros de proceso a comprender los patrones de flujo del metal durante la extrusión de perfiles, predecir defectos por adelantado, optimizar el diseño de la matriz y mejorar la calidad del perfil.
III. Conformado y Procesamiento de Compuestos de Matriz de Aluminio - Forja
Basándose en la simulación del comportamiento del flujo del material, se pueden predecir posibles defectos de deformación, proporcionando una base teórica para formular medidas de proceso que eviten la formación de grietas. Al establecer un mapa de trabajo en caliente basado en el modelo de material dinámico, se pueden predecir con precisión las condiciones óptimas de procesamiento del material.
Se estableció un modelo de acoplamiento termomecánico multiescala para compuestos para simular el proceso de deformación y la microestructura. Como resultado, se desarrollaron con éxito en un solo intento piezas forjadas de SiC/Al con diámetros que van de 1760 a 2500 mm.
Se realizaron simulaciones numéricas del proceso de forja isotérmica de palas/carcasas utilizando software de elementos finitos para obtener datos de distribución de deformación y carga. Luego, se formularon parámetros razonables del proceso de forja, lo que resultó finalmente en piezas forjadas con microestructura y propiedades ideales.
Mediante la combinación de la simulación por elementos finitos y los experimentos de compresión en caliente, se investigó la influencia de los parámetros del proceso de deformación en el campo de daños, el campo de tensiones-deformaciones y el campo de temperatura durante el proceso de forja de los compuestos SiCp/Al.
El problema de la fisuración en las piezas de forja de compuestos heterogéneos y de difícil deformación se abordó mediante la combinación de forja por estampación con un proceso de forja bidireccional y un proceso de forja con camisa. Se logró la fabricación experimental de grandes piezas forjadas anulares de compuestos de matriz de aluminio mediante forja en matriz de precisión isotérmica, con una excelente calidad de conformado y un refinamiento notable de la forma y las dimensiones.
Conformado y procesamiento de compuestos de matriz de aluminio - Laminación
Al simular la distribución de tensiones residuales durante el proceso de laminación, se pueden optimizar los parámetros del proceso de laminación para reducir la generación de tensiones residuales, mejorando así la calidad y la precisión de los productos laminados. Durante el proceso de laminación, existe un mecanismo de fragmentación y transformación de fase de pequeño tamaño, así como un mecanismo de refinamiento en el que las fases de gran tamaño se fragmentan en otras más pequeñas.
Después de la laminación, el material forma una microestructura fibrosa con granos alineados a lo largo de la dirección de laminación, lo que resulta en una estructura de grano alargada. La laminación se puede dividir en laminación en frío y laminación en caliente. La laminación en frío aumenta significativamente la resistencia y la dureza debido a los efectos de endurecimiento por deformación, pero reduce la plasticidad. La laminación en caliente da lugar a una microestructura más uniforme con tensiones internas más bajas, pero menor resistencia.
Al optimizar los parámetros de laminación y las rutas de proceso, se pueden preparar perfiles adecuados para aplicaciones automotrices o aeroespaciales.
III. Conformado y procesamiento de compuestos de matriz de aluminio - Soldadura
Sobre un sustrato de aleación de aluminio A356, se puede fabricar un compuesto de estructura gradiente mediante una capa de soldadura fuerte de compuesto SiCp/Al con diferentes contenidos. El área de soldadura está libre de defectos, es continua y no presenta grietas ni poros, con una buena unión en la interfaz de la estructura gradiente.
III. Conformado y procesamiento de compuestos de matriz de aluminio - Mecanizado
Compuestos de matriz de aluminio reforzados con partículas: Los principales parámetros que afectan el proceso de rectificado incluyen la velocidad del disco de rectificado (vs), la velocidad de la mesa (vw), la profundidad de rectificado (ap) y el espesor máximo de la viruta sin deformar (hmax).Entre estos, el rectificado a altas velocidades de la muela abrasiva (vs) produce compuestos con mayor calidad superficial y zonas de deposición más dúctiles.
La reducción del espesor de la viruta no deformada (hmax) disminuirá el número de granos abrasivos efectivos que participan en el rectificado, controlando así el tamaño de los poros en la superficie del compuesto y el espesor de la capa dañada, lo que es beneficioso para reducir la formación de microfisuras y poros subsuperficiales.
Los principales parámetros que afectan al proceso de torneado incluyen la velocidad del husillo (n), la velocidad de avance (f), el radio de la punta (r0), la profundidad de corte, etc. Una baja velocidad del husillo y una baja velocidad de avance son propicias para reducir la concentración de tensiones en los compuestos, minimizando el colapso, la extracción y la picadura del SiCp.
Compuestos de matriz de aluminio reforzados con tricitas: La fase de refuerzo consiste en tricitas con una gran relación de aspecto, que presentan anisotropía, lo que hace que el proceso de corte sea más complejo.
Aplicaciones de los compuestos de matriz de aluminio
IV. Aplicaciones de los compuestos de matriz de aluminio - En el extranjero
Se presentan las aplicaciones en el extranjero de los compuestos de matriz de aluminio y se señala que el desarrollo de los compuestos de matriz de aluminio discontinuos en el extranjero está impulsado por la demanda y la innovación tecnológica, integrando estrechamente la optimización de los procesos de preparación con los requisitos multidominio.
Aeroespacial: El desarrollo de compuestos de matriz de aluminio ligeros, de alta resistencia y alto módulo ha hecho posible fabricar aviones y satélites ligeros, flexibles y de alto rendimiento en la industria aeroespacial moderna.
Armamento: Los compuestos de matriz de aluminio reforzados discontinuamente poseen características como ligereza, alta resistencia, resistencia a altas temperaturas y resistencia al impacto en el campo del armamento, mejorando significativamente la movilidad del equipo, la supervivencia en el campo de batalla y la vida útil.
Electrónica 3C: Los compuestos de matriz de aluminio, especialmente los compuestos de matriz de aluminio reforzados con SiC, son adecuados para fabricar revestimientos de dispositivos electrónicos, disipadores de calor y otros componentes electrónicos debido a sus ventajas de bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y buena conductividad térmica.
