Em 18 de abril, na Conferência da Indústria de Alumínio e Exposição da Indústria de Alumínio - Fórum de Extrusão de Alumínio Industrial AICE 2025 SMM (20ª), organizada pela SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), SMM Metal Trading Center e Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., e co-organizada pela Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. e pela Lezhi County Qianrun Investment Promotion Service Co., Ltd., o Professor e Orientador de Doutorado GENG Lin, da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia de Harbin compartilhou o status atual da preparação, processamento e aplicação de compósitos de matriz de alumínio.
Contexto de Pesquisa dos Compósitos de Matriz de Alumínio
Demanda Nacional Significativa por Compósitos de Matriz Metálica
Aeroespacial: Grandes aeronaves, helicópteros pesados, veículos aéreos não tripulados, aeronaves embarcadas, veículos hipersônicos, veículos do espaço próximo e aeronaves de transporte estratégico.
Espacial: Foguetes de lançamento pesados, missões lunares tripuladas, bases lunares, amostragem de Marte, exploração de pequenos corpos celestes, exploração do sistema de Júpiter e satélites.
Outros Campos: Robótica, transporte ferroviário, veículos elétricos de nova geração (NEVs), equipamentos de exploração de águas profundas/terra profunda/polares, eletrônicos 3C, etc.
Os compósitos de matriz metálica deram o primeiro passo em direção a aplicações de engenharia em grande escala nos setores aeroespacial, de defesa, eletrônico, de máquinas de construção e outros da China, tornando-se uma das matérias-primas básicas insubstituíveis para os grandes projetos nacionais.
Ele apresentou a história do desenvolvimento dos compósitos de matriz de alumínio e apontou que a China está entre as principais posições internacionalmente em termos do número total de artigos e do número de artigos altamente citados sobre compósitos de matriz de alumínio.
►Status Atual da P&D em Compósitos de Matriz de Alumínio na China: Concentrado principalmente em campos de fabricação de alto nível, como aeroespacial e defesa.
Os compósitos de matriz de alumínio alcançaram ampla aplicação em campos de fabricação de alto nível, como aeroespacial e defesa, atendendo às demandas de produção em pequenas quantidades, com grande variedade e personalizada.
►Um dos Problemas de Gargalo na Aplicação Generalizada: O problema da inversão da resistência-tenacidade, em que a rigidez e a resistência aumentam, enquanto a plasticidade diminui.
O design de reforço e tenacidade de compósitos baseado em configurações inspiradas na natureza tornou-se a principal tendência no desenvolvimento de compósitos de matriz de alumínio nos últimos anos.
Em termos de tecnologia de preparação, os fatores que influenciam os sistemas compósitos são complexos: é necessário escolher tecnologias de preparação de alta qualidade que correspondam a diferentes sistemas compósitos para atender às demandas de aplicações complexas de acoplamento de vários campos.
Em termos de tecnologia de moldagem e processamento, o mecanismo de evolução da microestrutura durante o processo de moldagem é complexo: é necessário desenvolver tecnologias de moldagem e processamento adequadas para atender às demandas de controle preciso da forma e das propriedades de componentes complexos de parede fina.
Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio
A preparação de compósitos de matriz de alumínio reforçados de forma descontínua envolve vários processos complexos. O desenvolvimento de tecnologias de preparação adequadas é a chave para a obtenção de compósitos de alto desempenho.
II. Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fase Sólida (Metalurgia do Pó)
O método de fase sólida refere-se ao processo de preparação de compósitos de matriz metálica com a matriz em estado sólido.
Vantagens: Temperatura de preparação mais baixa, reações interfaciais facilmente controláveis, microestrutura fina e alto desempenho do compósito.
Fornece análises de casos relevantes, incluindo compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas cerâmicas configuradas uniformemente com base em processos tradicionais de moagem em bola, compósitos CNT/Al com configuração de tijolo e argamassa com base em metalurgia do pó em flocos, compósitos de matriz de alumínio multimodais com base em moagem em bola em várias etapas e compósitos de matriz de alumínio reforçados com materiais de mudança de fase.
II. Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fase Sólida (Prensagem Isostática a Quente)
O processo de prensagem isostática a quente envolve colocar o produto em um recipiente selado, aplicar pressão isotrópica ao produto e, simultaneamente, aplicar alta temperatura. Sob os efeitos combinados de alta temperatura e pressão, o produto sofre sinterização e densificação.
A maioria das prensas isostáticas a quente em escala de produção tem uma temperatura máxima de operação de aproximadamente 1400°C, com pressões máximas variando de 100 a 200 MPa. A tonelagem total da maior prensa isostática a quente moderna é de aproximadamente 400.000 kN (40.000 toneladas-força).
Exemplo: Durante a preparação por pressão isostática a quente de compósitos SiCp/Al com elevada fração volumétrica, a liga de alumínio da matriz encontra-se numa região bifásica sólido-líquido, facilitando uma densificação mais fácil do compósito em condições de alta temperatura e pressão.
II. Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fase Líquida (Fundição por Compressão)
Preparação da Pré-forma: Preparar pré-formas uniformemente porosas através de sedimentação física; preparar pré-formas com configuração biomimética usando métodos como fundição por congelamento e impressão 3D.
Preparação do Compósito: Infiltrar alumínio fundido nos poros da pré-forma através de pressurização mecânica para alcançar a preparação de compósitos de alto desempenho.
Discute-se casos relevantes, incluindo compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas uniformemente configuradas, compósitos de matriz de alumínio reforçados com filamentos uniformemente configurados e compósitos de matriz de alumínio com configuração biomimética.
II. Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fase Líquida (Infiltração a Pressão sob Vácuo)
A infiltração a pressão sob vácuo é semelhante à fundição por compressão, envolvendo principalmente a preparação de pré-formas cerâmicas porosas primeiro, seguida da combinação de um ambiente de vácuo e condições de pressurização por pressão de gás para permitir que o metal fundido de liga de alumínio preencha os microporos da pré-forma e solidifique, preparando assim compósitos de matriz de alumínio.
Apresenta-se casos relevantes de compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas de baixa expansão e elevada fração volumétrica e compósitos de matriz de alumínio com configuração biomimética.
II. Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fase Líquida (Fundição por Agitação)
Princípio Básico: Adicionar diretamente partículas ao metal fundido semi-sólido da matriz para aumentar a tensão de cisalhamento durante a agitação, permitindo uma dispersão uniforme das partículas no metal fundido. Posteriormente, aquecer rapidamente até o estado líquido para melhorar a fluidez da fundição e, finalmente, fundir em lingotes, peças fundidas, etc.
Tecnologias-chave: Melhoria da molhabilidade entre o metal fundido e a fase de reforço, dispersão uniforme da fase de reforço e controle da oxidação e absorção de gás no metal fundido.
Vantagens tecnológicas: Adequado para produção em escala industrial; processo simples e baixos custos de fabricação.
Capacidade de preparação: A escala de produção da fundição por agitação varia tipicamente de alguns quilogramas em laboratório a várias dezenas de toneladas na produção industrial.
Aborda casos como a tecnologia de preparação por fundição por agitação para compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas de SiC, compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas de grafite e lingotes de compósitos de matriz de alumínio reforçados com TiB₂ in situ.
O método do sal fluoreto envolve principalmente a reação de dois sais, gerando subprodutos de sais fluoretos; o método da liga-mãe não produz subprodutos, mas tem altos requisitos para as matérias-primas; o lingote de fundição de compósito de partículas de TiB₂ gerado por reação in situ pode atualmente atingir um máximo de 11 toneladas, fornecendo lingotes para posterior processamento plástico para a preparação de componentes grandes.
As partículas de TiB₂ apresentam uma distribuição em rede. Seu tamanho pode ser controlado dentro da faixa nanométrica a submicrométrica, com formas de partículas regulares e sem aglomeração significativa; as partículas de TiB₂ geradas por reação in situ têm uma boa ligação de interface com a matriz de alumínio e estão em uma relação coerente, tornando-as partículas cerâmicas de reforço ideais.
As partículas de TiB₂ são excelentes refinadores de grãos. No metal fundido, as partículas de TiB₂ atuam como núcleo para a nucleação heterogênea, fornecendo mais locais de nucleação durante a cristalização do metal, resultando em grãos mais finos e uniformes; uma grande quantidade de emaranhados de dislocações existe perto das partículas de TiB₂ como partículas de segunda fase, impedindo eficazmente o movimento das dislocações durante a deformação, aumentando assim a resistência do material.
Em comparação com a liga de matriz, a resistência última HCF dos compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas de TiB₂ aumenta de 22% a 44%, atingindo até 730 MPa; partículas finas de TiB₂ podem inibir a iniciação de fadiga, evitando a tendência de iniciação prematura de fadiga devido à desunião partícula-interface e à fratura das partículas.
Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fabricação Aditiva
Baseado na tecnologia de fabricação aditiva, permite a conformação em forma final de componentes metálicos estruturais complexos com material-estrutura integrado, fornecendo uma nova abordagem tecnológica para o projeto e fabricação de componentes de alto desempenho na indústria aeroespacial, principalmente dividida em fabricação aditiva a laser, fabricação aditiva a arco, fabricação por fricção-agitação, etc.
Tecnologia de Preparação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Método de Fabricação Aditiva (Fabricação Aditiva a Laser)
Sob a ação de um feixe laser, o pó metálico é fundido e rapidamente solidificado para formar uma nova camada de material. Este processo é realizado camada por camada até que um objeto tridimensional completo seja construído; com base nas partículas de reforço especificadas e na matriz de Al já adicionadas, pode-se alcançar o refinamento induzido dos grãos. A menor incompatibilidade interatômica entre a matriz α-Al e o TiB₂ leva a uma diminuição do subresfriamento crítico de nucleação ΔT, o que pode reparar a formação de rachaduras em ligas propensas a rachar durante o processo L-PBF.
A adição de partículas duras de segunda fase pode refinar significativamente a microestrutura, resultando em maior resistência ao escoamento devido ao reforço das fronteiras de grãos, conforme verificado em ligas AlSi10Mg reforçadas com TiB₂ e ligas Al2024 reforçadas com TiC/TiH₂. Além do reforço das fronteiras de grãos, a resistência ao escoamento da liga L-PBF TiB₂/AlSi10Mg aumenta para aproximadamente 362-407 MPa devido à maior resistência ao movimento de dislocações causada pelas partículas duras.
II. Tecnologias de Fabricação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Fabricação Aditiva (Friction Stir)
A fabricação aditiva por fricção e agitação (FSAM) envolve a deformação plástica local de materiais metálicos usando uma ferramenta de agitação de alta rotação, seguida pela acumulação camada por camada sob pressão para alcançar a fabricação de estruturas metálicas altamente densas. As vantagens da FSAM incluem processamento a baixa temperatura, economia de energia e proteção ambiental, aplicabilidade a materiais difíceis de soldar e baixo estresse residual. É usada principalmente para a composição de materiais diferentes e o reparo de componentes de alto valor, adequada para a formação eficiente em grande escala de materiais como ligas de alumínio e ligas de magnésio.
A interface NiTip/Al preparada por fabricação aditiva por fricção e agitação apresenta boa ligação sem a formação de produtos de reação prejudiciais. A adição de NiTip forma uma microestrutura de grãos finos com boa dispersão, acelerando a recuperação dinâmica aumentando a deformação da matriz e promovendo a recristalização dinâmica através da nucleação estimulada por partículas.A microestrutura fina e única, o NiTip uniformemente disperso e a interface NiTip/Al bem ligada aumentam significativamente a resistência sem afetar adversamente a ductilidade.
II. Tecnologias de Fabricação de Compósitos de Matriz de Alumínio - Fabricação Aditiva (Aditiva por Arco)
A fabricação aditiva por arco é uma tecnologia de impressão 3D de deposição dirigida de energia (DED) baseada nos princípios da soldagem por arco, que constrói peças depositando materiais metálicos camada por camada.
O tamanho de grão da liga TiN/Al-Zn-Mg-Cu é refinado de 459,3 μm para 104,6 μm, atribuído à formação de partículas de Al₃Ti que atuam como agentes de nucleação, resultando em aumento da resistência à tração tanto na direção horizontal quanto na vertical. Na direção horizontal, a resistência à tração aumenta de 207 MPa para 284 MPa.
Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio
III. Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio - Extrusão a Quente
A extrusão a quente permite a produção de perfis de seção transversal complexa, com apenas tensões de compressão e cisalhamento aplicadas durante o processo de conformação, resultando em bom acabamento superficial das peças produzidas. A simulação por computador pode auxiliar os engenheiros de processo a entender os padrões de fluxo do metal durante a extrusão de perfis, prever defeitos com antecedência, otimizar o projeto do molde e melhorar a qualidade do perfil.
III. Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio - Forjamento
Com base na simulação do comportamento do fluxo do material, é possível prever potenciais defeitos de deformação, fornecendo uma base teórica para a formulação de medidas de processo para evitar a formação de rachaduras. Ao estabelecer um mapa de trabalho a quente baseado no modelo de material dinâmico, as condições ótimas de processamento do material podem ser previstas com precisão.
Um modelo de acoplamento termomecânico multiescala para compósitos foi estabelecido para simular o processo de deformação e a microestrutura. Como resultado, foram desenvolvidos com sucesso em uma única tentativa forjados de SiC/Al com diâmetros variando de 1760 a 2500 mm.
Foram realizadas simulações numéricas do processo de forjamento isotérmico de lâminas/carcaças usando software de elementos finitos para obter dados de distribuição de tensão e carga. Em seguida, foram formulados parâmetros razoáveis do processo de forjamento, resultando em forjados com microestrutura e propriedades ideais.
Combinando a simulação de elementos finitos com experimentos de compressão a quente, investigou-se a influência dos parâmetros do processo de deformação no campo de danos, no campo de tensão-deformação e no campo de temperatura durante o processo de forjamento de compósitos SiCp/Al.
A questão das fissuras em peças brutas de forjamento de compósitos heterogêneos e de difícil deformação foi resolvida através da combinação de forjamento axial com um processo de forjamento bidirecional e de forjamento com invólucro. Peças forjadas anulares grandes de compósitos de matriz de alumínio foram produzidas com sucesso em escala experimental usando forjamento isotérmico de precisão em matriz, com excelente qualidade de conformação e forma e dimensões significativamente refinadas.
Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio - Laminagem
Ao simular a distribuição de tensões residuais durante o processo de laminagem, os parâmetros do processo de laminagem podem ser otimizados para reduzir a geração de tensões residuais, melhorando assim a qualidade e a precisão dos produtos laminados. Durante o processo de laminagem, existe um mecanismo de fragmentação de fases de pequeno tamanho e de transformação de fase, bem como um mecanismo de refinamento em que fases de grande tamanho são quebradas em fases menores.
Após a laminagem, o material forma uma microestrutura fibrosa com grãos alinhados ao longo da direção de laminagem, resultando em uma estrutura de grãos alongados. A laminagem pode ser dividida em laminagem a frio e laminagem a quente. A laminagem a frio aumenta significativamente a resistência e a dureza devido aos efeitos de endurecimento por trabalho, mas reduz a plasticidade. A laminagem a quente resulta em uma microestrutura mais uniforme com menores tensões internas, mas menor resistência.
Otimizando os parâmetros de laminagem e as rotas de processo, podem ser preparados perfis adequados para aplicações automotivas ou aeroespaciais.
III. Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio - Soldagem
Num substrato de liga de alumínio A356, pode ser fabricado um compósito de estrutura gradiente usando uma camada de brasagem de compósito SiCp/Al com conteúdos variáveis. A área de soldagem é livre de defeitos, contínua e sem fissuras e poros, com boa aderência na interface da estrutura gradiente.
III. Conformação e Processamento de Compósitos de Matriz de Alumínio - Usinagem
Compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas: Os principais parâmetros que afetam o processo de retificação incluem a velocidade da rebolo (vs), a velocidade da mesa (vw), a profundidade de retificação (ap) e a espessura máxima da lasca não deformada (hmax).Entre eles, a retificação a altas velocidades da moa (vs) resulta em compósitos com maior qualidade superficial e zonas de deposição mais dúcteis.
A redução da espessura máxima do cavaco não deformado (hmax) diminui o número de grãos abrasivos efetivos envolvidos na retificação, controlando assim o tamanho dos poros na superfície do compósito e a espessura da camada danificada, o que é benéfico para reduzir a formação de microfissuras e poros subsuperficiais.
Os principais parâmetros que afetam o processo de torneamento incluem a velocidade do eixo (n), a taxa de avanço (f), o raio do canto (r0), a profundidade de corte, etc. Baixas velocidades do eixo e taxas de avanço são propícias para reduzir a concentração de tensão nos compósitos, minimizando o colapso, a extração e a picada do SiCp.
Compósitos de matriz de alumínio reforçados com whiskers: A fase de reforço consiste em whiskers com uma grande relação de aspecto, apresentando anisotropia, tornando o processo de corte mais complexo.
Aplicações de Compósitos de Matriz de Alumínio
IV. Aplicações de Compósitos de Matriz de Alumínio - No Exterior
Apresenta as aplicações no exterior de compósitos de matriz de alumínio e salienta que o desenvolvimento de compósitos de matriz de alumínio descontínuos no exterior é impulsionado pela demanda e pela inovação tecnológica, integrando estreitamente a otimização dos processos de preparação com os requisitos multidomínios.
Aeroespacial: O desenvolvimento de compósitos de matriz de alumínio leves, de alta resistência e de alto módulo tornou possível a fabricação de aeronaves e satélites leves, flexíveis e de alto desempenho na indústria aeroespacial moderna.
Armamento: Os compósitos de matriz de alumínio reforçados descontínuos possuem características como leveza, alta resistência, resistência a altas temperaturas e resistência ao impacto no campo do armamento, melhorando significativamente a mobilidade do equipamento, a sobrevivência em campo de batalha e a vida útil.
3C Eletrônicos: Os compósitos de matriz de alumínio, particularmente os compósitos de matriz de alumínio reforçados com SiC, são adequados para a fabricação de revestimentos de dispositivos eletrônicos, dissipadores de calor e outros componentes eletrônicos devido às suas vantagens de baixo coeficiente de expansão térmica, baixa densidade e boa condutividade térmica.
