Pada 18 April, di Konferensi Industri Aluminium & Pameran Industri Aluminium AICE 2025 SMM (ke-20) - Forum Ekstrusi Aluminium Industri, yang diselenggarakan oleh SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), SMM Metal Trading Center, dan Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., serta diselenggarakan bersama oleh Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. dan Lezhi County Qianrun Investment Promotion Service Co., Ltd., Profesor dan Pembimbing Doktoral GENG Lin dari Sekolah Ilmu dan Teknik Bahan Institut Teknologi Harbin berbagi status terkini tentang persiapan, pengolahan, dan penerapan komposit matriks aluminium.
Latar Belakang Penelitian Komposit Matriks Aluminium
Permintaan Nasional yang Signifikan untuk Komposit Matriks Logam
Aerospace: Pesawat besar, helikopter berat, pesawat tak berawak, pesawat berbasis kapal induk, kendaraan hipersonik, kendaraan ruang angkasa dekat, dan pesawat angkut strategis.
Ruang Angkasa: Roket peluncur berat, misi bulan berawak, pangkalan bulan, pengambilan sampel Mars, eksplorasi benda langit kecil, eksplorasi sistem Jupiter, dan satelit.
Bidang Lainnya: Robotika, transportasi rel, kendaraan listrik baru (NEV), peralatan eksplorasi laut dalam/bumi dalam/kutub, elektronik 3C, dll.
Komposit matriks logam telah mengambil langkah pertama menuju aplikasi teknik berskala besar di bidang aerospace, pertahanan, elektronik, mesin konstruksi, dan bidang lainnya di Tiongkok, menjadi salah satu bahan baku dasar yang tidak dapat digantikan untuk proyek-proyek nasional besar.
Ia memperkenalkan sejarah pengembangan komposit matriks aluminium dan menunjukkan bahwa Tiongkok berada di peringkat atas secara internasional dalam hal jumlah total makalah dan jumlah makalah yang sering dikutip tentang komposit matriks aluminium.
►Status Terkini R&D Komposit Matriks Aluminium di Tiongkok: Terutama terkonsentrasi di bidang manufaktur kelas atas seperti aerospace dan pertahanan.
Komposit matriks aluminium telah mencapai penerapan yang luas di bidang manufaktur kelas atas seperti aerospace dan pertahanan, memenuhi permintaan untuk produksi batch kecil, multi-varietas, dan disesuaikan.
►Salah Satu Isu Hambatan dalam Penerapan yang Luas: Masalah inversi kekakuan-ketangguhan, di mana kekakuan dan kekuatan meningkat sementara plastisitas menurun.
Desain penguatan dan pengkerasan komposit berbasis konfigurasi yang terinspirasi alam telah menjadi tren utama dalam pengembangan komposit matriks aluminium dalam beberapa tahun terakhir.
Dalam hal teknologi persiapan, faktor-faktor yang mempengaruhi sistem komposit sangat kompleks: Teknologi persiapan berkualitas tinggi yang sesuai dengan sistem komposit yang berbeda perlu dipilih untuk memenuhi tuntutan aplikasi kopling multi-bidang yang kompleks.
Dalam hal teknologi pembentukan dan pengolahan, mekanisme evolusi mikrostruktur selama proses pembentukan sangat kompleks: Teknologi pembentukan dan pengolahan yang sesuai perlu dikembangkan untuk memenuhi tuntutan kontrol bentuk dan sifat yang tepat dari komponen berdinding tipis yang kompleks.
Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium
Persiapan komposit matriks aluminium yang diperkuat secara tidak kontinu melibatkan berbagai proses yang kompleks. Mengembangkan teknologi persiapan yang sesuai adalah kunci untuk mendapatkan komposit berkinerja tinggi.
II. Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Fasa Padat (Metalurgi Serbuk)
Metode fasa padat mengacu pada proses persiapan komposit matriks logam dengan matriks dalam keadaan padat.
Keuntungan: Suhu persiapan yang lebih rendah, reaksi antarmuka yang mudah dikendalikan, mikrostruktur yang halus, dan kinerja komposit yang tinggi.
Ini memberikan analisis kasus yang relevan, termasuk komposit matriks aluminium yang diperkuat dengan partikel keramik yang dikonfigurasi secara seragam berdasarkan proses penggilingan bola tradisional, komposit CNT/Al dengan konfigurasi bata-dan-mortir berdasarkan metalurgi serbuk serpih, komposit matriks aluminium multimodal berdasarkan penggilingan bola multi-langkah, dan komposit matriks aluminium yang diperkuat dengan bahan perubahan fase.
II. Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Fasa Padat (Tekanan Isostatik Panas)
Proses tekanan isostatik panas melibatkan penempatan produk dalam wadah tertutup, penerapan tekanan isotropik pada produk sambil secara bersamaan menerapkan suhu tinggi. Di bawah efek gabungan suhu tinggi dan tekanan, produk mengalami sintering dan densifikasi.
Sebagian besar mesin tekanan isostatik panas berskala produksi memiliki suhu operasi maksimum sekitar 1400°C, dengan tekanan maksimum berkisar antara 100 hingga 200 MPa. Total tonase mesin tekanan isostatik panas modern terbesar adalah sekitar 400.000 kN (40.000 ton-gaya).
Contoh: Selama persiapan penekanan isostatik panas untuk komposit SiCp/Al dengan fraksi volume tinggi, paduan aluminium matriks berada dalam wilayah dua fase padat-cair, sehingga memudahkan densifikasi komposit dalam kondisi suhu dan tekanan tinggi.
II. Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Fase Cair (Pengecoran Tekan)
Persiapan Preform: Mempersiapkan preform berpori seragam melalui sedimentasi fisik; mempersiapkan preform dengan konfigurasi biomimetik menggunakan metode seperti pengecoran beku dan pencetakan 3D.
Persiapan Komposit: Menyusupkan aluminium cair ke dalam pori-pori preform melalui penekanan mekanis untuk mencapai persiapan komposit berkinerja tinggi.
Bagian ini membahas kasus-kasus yang relevan, termasuk komposit matriks aluminium yang diperkuat dengan partikel dengan konfigurasi seragam, komposit matriks aluminium yang diperkuat dengan whisker dengan konfigurasi seragam, dan komposit matriks aluminium dengan konfigurasi biomimetik.
II. Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Fase Cair (Infiltrasi Tekanan Vakum)
Infiltrasi tekanan vakum mirip dengan pengecoran tekan, terutama melibatkan persiapan preform berpori keramik terlebih dahulu, diikuti oleh kombinasi lingkungan vakum dan kondisi penekanan tekanan gas untuk memungkinkan lelehan paduan aluminium mengisi mikropori preform dan membeku, sehingga mempersiapkan komposit matriks aluminium.
Bagian ini memperkenalkan kasus-kasus yang relevan dari komposit matriks aluminium yang diperkuat partikel dengan fraksi volume tinggi dan rendah ekspansi serta komposit matriks aluminium dengan konfigurasi biomimetik.
II. Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Fase Cair (Pengecoran dengan Pengadukan)
Prinsip Dasar: Langsung menambahkan partikel ke dalam lelehan semi-padat logam matriks untuk meningkatkan tegangan geser selama pengadukan, sehingga memungkinkan dispersi seragam partikel dalam lelehan logam. Selanjutnya, dengan cepat memanaskan hingga keadaan cair untuk meningkatkan fluiditas pengecoran, dan akhirnya dituangkan menjadi ingot, coran, dll.
Teknologi kunci: Peningkatan kelembapan antara lelehan dan fase penguat, dispersi seragam fase penguat, dan pengendalian oksidasi dan penyerapan gas dalam lelehan logam.
Keunggulan teknologi: Cocok untuk produksi berskala industri; prosesnya sederhana dan biaya pembuatannya rendah.
Kapasitas persiapan: Skala produksi pengecoran dengan pengadukan biasanya berkisar dari beberapa kilogram di laboratorium hingga beberapa puluh ton dalam produksi industri.
Ini menjelaskan secara rinci tentang kasus-kasus seperti teknologi persiapan pengecoran dengan pengadukan untuk komposit matriks aluminium yang diperkuat partikel SiC, komposit matriks aluminium yang diperkuat partikel grafit, dan komposit matriks aluminium yang diperkuat TiB₂ secara in-situ.
Metode garam fluorida terutama melibatkan reaksi dua jenis garam, menghasilkan produk sampingan berupa garam fluorida; metode paduan utama tidak menghasilkan produk sampingan tetapi memiliki persyaratan yang tinggi terhadap bahan baku; ingot pengecoran komposit partikel TiB₂ yang dihasilkan melalui reaksi in-situ saat ini dapat mencapai maksimal 11 ton, menyediakan ingot untuk pengolahan plastik berikutnya untuk membuat komponen besar.
Partikel TiB₂ menunjukkan distribusi seperti jaringan. Ukuran mereka dapat dikendalikan dalam kisaran nanometer hingga submikron, dengan bentuk partikel yang teratur dan tidak ada aglomerasi yang signifikan; partikel TiB₂ yang dihasilkan melalui reaksi in-situ memiliki ikatan antarmuka yang baik dengan matriks aluminium dan berada dalam hubungan yang koheren, menjadikannya partikel keramik penguat yang ideal.
Partikel TiB₂ adalah penghalus butir yang sangat baik. Dalam logam cair, partikel TiB₂ bertindak sebagai inti untuk nukleasi heterogen, menyediakan lebih banyak situs nukleasi selama kristalisasi logam, yang akhirnya menghasilkan butir yang lebih halus dan lebih seragam; sejumlah besar kusut dislokasi ada di dekat partikel TiB₂ sebagai partikel fase kedua, secara efektif menghambat pergerakan dislokasi selama deformasi, sehingga meningkatkan kekuatan material.
Dibandingkan dengan paduan matriks, kekuatan akhir HCF komposit matriks aluminium yang diperkuat partikel TiB₂ meningkat sebesar 22% hingga 44%, mencapai hingga 730 MPa; partikel TiB₂ yang halus dapat menghambat inisiasi retak lelah, menghindari kecenderungan inisiasi retak lelah yang prematur karena pelepasan ikatan antarmuka partikel dan patah partikel.
Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Manufaktur Aditif
Berdasarkan teknologi manufaktur aditif, memungkinkan pembentukan bentuk bersih komponen logam struktural yang kompleks dengan struktur material yang terintegrasi, menyediakan pendekatan teknologi baru untuk desain dan pembuatan komponen berkinerja tinggi dalam bidang aerospace, terutama dibagi menjadi manufaktur aditif laser, manufaktur aditif busur, manufaktur gesekan aditif, dll.
Teknologi Persiapan Komposit Matriks Aluminium - Metode Manufaktur Aditif (Manufaktur Aditif Laser)
Di bawah pengaruh sinar laser, bubuk logam dilelehkan dan cepat dipadatkan untuk membentuk lapisan material baru. Proses ini dilakukan lapis demi lapisan hingga objek tiga dimensi yang lengkap terbentuk; berdasarkan partikel penguat yang telah ditentukan dan matriks Al yang telah ditambahkan, penyempitan butir dapat dicapai. Ketidaksesuaian antaratom yang lebih rendah antara matriks α-Al dan TiB₂ menyebabkan penurunan pendinginan nukleasi kritis ΔT, yang dapat memperbaiki pembentukan retak pada paduan yang rentan terhadap retak selama proses L-PBF.
Penambahan partikel keras fase kedua dapat secara signifikan memperbaiki struktur mikro, menghasilkan kekuatan luluh yang lebih tinggi karena penguatan batas butir, seperti yang telah diverifikasi pada paduan AlSi10Mg yang diperkuat TiB₂ dan paduan Al2024 yang diperkuat TiC/TiH₂. Selain penguatan batas butir, kekuatan luluh pada paduan L-PBF TiB₂/AlSi10Mg meningkat menjadi sekitar 362-407 MPa karena peningkatan ketahanan terhadap gerakan dislokasi yang disebabkan oleh partikel keras.
II. Teknologi Pembuatan Komposit Matriks Aluminium - Manufaktur Aditif (Gesekan Aduk)
Manufaktur aditif gesekan aduk (FSAM) melibatkan deformasi plastik lokal pada material logam menggunakan alat aduk berputar berkecepatan tinggi, diikuti oleh akumulasi lapis demi lapis di bawah tekanan untuk mencapai pembuatan struktur logam yang sangat padat. Keuntungan dari FSAM termasuk pengolahan pada suhu rendah, konservasi energi dan perlindungan lingkungan, penerapan pada material yang sulit dilas, dan tegangan residual yang rendah. Hal ini terutama digunakan untuk penggabungan material yang berbeda dan perbaikan komponen bernilai tinggi, cocok untuk pembentukan material dalam skala besar yang efisien seperti paduan aluminium dan paduan magnesium.
Antarmuka NiTip/Al yang dipersiapkan melalui manufaktur aditif gesekan aduk menunjukkan ikatan yang baik tanpa pembentukan produk reaksi yang berbahaya. Penambahan NiTip membentuk struktur mikro butir halus dengan dispersi yang baik, mempercepat pemulihan dinamis dengan meningkatkan deformasi matriks dan mempromosikan rekristalisasi dinamis melalui nukleasi yang distimulasi oleh partikel.Struktur mikro halus yang unik, NiTip yang terdispersi secara seragam, dan antarmuka NiTip/Al yang terikat dengan baik secara signifikan meningkatkan kekuatan tanpa mempengaruhi kelenturan secara negatif.
II. Teknologi Pembuatan Komposit Matriks Aluminium - Manufaktur Aditif (Aditif Busur)
Manufaktur aditif busur adalah teknologi pencetakan 3D deposisi energi terarah (DED) berdasarkan prinsip pengelasan busur, yang membangun bagian dengan menumpukkan bahan logam lapis demi lapis.
Ukuran butir paduan TiN/Al-Zn-Mg-Cu dihaluskan dari 459,3 μm menjadi 104,6 μm, yang disebabkan oleh pembentukan partikel Al₃Ti yang bertindak sebagai agen nukleasi, sehingga meningkatkan kekuatan tarik baik dalam arah horizontal maupun vertikal. Dalam arah horizontal, kekuatan tarik meningkat dari 207 MPa menjadi 284 MPa.
Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium
III. Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium - Ekstrusi Panas
Ekstrusi panas memungkinkan pembuatan profil penampang kompleks, dengan hanya tekanan kompresi dan geser yang diterapkan selama proses pembentukan, sehingga menghasilkan permukaan bagian yang baik. Simulasi komputer dapat membantu insinyur proses dalam memahami pola aliran logam selama ekstrusi profil, memprediksi cacat sebelumnya, mengoptimalkan desain cetakan, dan meningkatkan kualitas profil.
III. Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium - Penempaan
Berdasarkan simulasi perilaku aliran material, cacat deformasi potensial dapat diprediksi, memberikan dasar teoritis untuk merumuskan langkah-langkah proses untuk mencegah pembentukan retak. Dengan membuat peta kerja panas berdasarkan model material dinamis, kondisi pemrosesan optimal untuk material dapat diprediksi secara akurat.
Model kopling termomekanik multiskala untuk komposit dibuat untuk mensimulasikan proses deformasi dan struktur mikro. Akibatnya, penempaan SiC/Al dengan diameter mulai dari 1760 hingga 2500 mm berhasil dikembangkan dalam satu kali percobaan.
Simulasi numerik proses penempaan isotermal untuk bilah/rumah dilakukan menggunakan perangkat lunak elemen hingga untuk mendapatkan data distribusi regangan dan beban. Parameter proses penempaan yang masuk akal kemudian dirumuskan, yang akhirnya menghasilkan penempaan dengan struktur mikro dan sifat yang ideal.
Dengan menggabungkan simulasi elemen hingga dengan eksperimen kompresi panas, pengaruh parameter proses deformasi pada bidang kerusakan, bidang tegangan-regangan, dan bidang suhu selama proses penempaan komposit SiCp/Al diselidiki.
Masalah retak pada blanko penempaan komposit yang heterogen dan sulit dideformasi diatasi melalui kombinasi penempaan upset dengan can dan proses penempaan dua arah. Forging annular besar dari komposit matriks aluminium berhasil diproduksi percobaan menggunakan penempaan die presisi isothermal, dengan kualitas pembentukan yang sangat baik dan bentuk serta dimensi yang sangat halus.
Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium - Rolling
Dengan mensimulasikan distribusi tegangan sisa selama proses rolling, parameter proses rolling dapat dioptimalkan untuk mengurangi pembentukan tegangan sisa, sehingga meningkatkan kualitas dan presisi produk rolling. Selama proses rolling, terdapat mekanisme fragmentasi fase berukuran kecil dan transformasi fase, serta mekanisme penghalusan di mana fase berukuran besar dipecah menjadi yang lebih kecil.
Setelah rolling, material membentuk mikrostruktur berserat dengan butiran yang sejajar sepanjang arah rolling, menghasilkan struktur butiran yang memanjang. Rolling dapat dibagi menjadi rolling dingin dan rolling panas. Rolling dingin secara signifikan meningkatkan kekuatan dan kekerasan karena efek pengerasan kerja, tetapi mengurangi plastisitas. Rolling panas menghasilkan mikrostruktur yang lebih seragam dengan tegangan internal yang lebih rendah, tetapi kekuatan yang lebih rendah.
Dengan mengoptimalkan parameter rolling dan rute proses, profil yang cocok untuk aplikasi otomotif atau aerospace dapat disiapkan.
III. Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium - Pengelasan
Pada substrat paduan aluminium A356, struktur komposit gradien dapat diproduksi menggunakan lapisan brazing komposit SiCp/Al dengan kandungan yang bervariasi. Area pengelasan bebas dari cacat, kontinu, dan bebas dari retak dan pori, dengan ikatan yang baik pada antarmuka struktur gradien.
III. Pembentukan dan Pengolahan Komposit Matriks Aluminium - Pemesinan
Komposit matriks aluminium yang diperkuat partikel: Parameter utama yang mempengaruhi proses penggerindaan termasuk kecepatan roda gerinda (vs), kecepatan meja (vw), kedalaman penggerindaan (ap), dan ketebalan chip maksimum yang tidak terdeformasi (hmax).Di antara hal tersebut, penggerindaan dengan kecepatan mata gerinda tinggi (vs) menghasilkan komposit dengan kualitas permukaan yang lebih baik dan zona pengendapan yang lebih lentur.
Mengurangi ketebalan chip yang tidak terdeformasi (hmax) akan mengurangi jumlah butir abrasif efektif yang terlibat dalam penggerindaan, sehingga mengendalikan ukuran pori pada permukaan komposit dan ketebalan lapisan yang rusak, yang bermanfaat untuk mengurangi pembentukan mikroretak dan pori-pori di bawah permukaan.
Parameter utama yang mempengaruhi proses bubut meliputi kecepatan spindel (n), laju makan (f), radius hidung (r0), kedalaman pemotongan, dll. Kecepatan spindel dan laju makan yang rendah kondusif untuk mengurangi konsentrasi tegangan pada komposit, meminimalkan keruntuhan, pencabutan, dan pengikisan SiCp.
Komposit matriks aluminium yang diperkuat whisker: Fase penguat terdiri dari whisker dengan rasio aspek yang besar, menunjukkan anisotropi, sehingga membuat proses pemotongan menjadi lebih kompleks.
Aplikasi Komposit Matriks Aluminium
IV. Aplikasi Komposit Matriks Aluminium - Luar Negeri
Artikel ini memperkenalkan aplikasi komposit matriks aluminium di luar negeri dan menunjukkan bahwa pengembangan komposit matriks aluminium diskontinu di luar negeri didorong oleh permintaan dan inovasi teknologi, yang mengintegrasikan secara erat pengoptimalan proses persiapan dengan persyaratan multi-domain.
Aerospace: Pengembangan komposit matriks aluminium yang ringan, kuat, dan modulus tinggi telah memungkinkan pembuatan pesawat terbang dan satelit yang ringan, fleksibel, dan berkinerja tinggi dalam industri aerospace modern.
Persenjataan: Komposit matriks aluminium diskontinu yang diperkuat memiliki karakteristik seperti ringan, kuat, tahan terhadap suhu tinggi, dan tahan terhadap benturan di bidang persenjataan, secara signifikan meningkatkan mobilitas peralatan, kemampuan bertahan hidup di medan perang, dan masa pakai.
3C Elektronik: Komposit matriks aluminium, khususnya komposit matriks aluminium yang diperkuat SiC, cocok untuk pembuatan liner perangkat elektronik, pendingin, dan komponen elektronik lainnya karena keunggulan koefisien ekspansi termal yang rendah, kepadatan rendah, dan konduktivitas termal yang baik.
