18 апреля на 20-й конференции и выставке алюминиевой промышленности AICE 2025 SMM и форуме по промышленному алюминиевому экструдированию, организованных компаниями SMM Information & Technology Co., Ltd. (SMM), SMM Metal Trading Center и Shandong Aisi Information Technology Co., Ltd., а также совместно организованных компаниями Zhongyifeng Jinyi (Suzhou) Technology Co., Ltd. и Lezhi County Qianrun Investment Promotion Service Co., Ltd., профессор и научный руководитель аспирантов ГЭН Линь из Школы материаловедения и инженерии Харбинского института технологии рассказал о текущем состоянии подготовки, обработки и применения алюминиевых матричных композитов.
Исследовательский фонд алюминиевых матричных композитов
Важный национальный спрос на металлические матричные композиты
Аэрокосмическая отрасль: большие самолеты, тяжелые вертолеты, беспилотные летательные аппараты, палубные самолеты, гиперзвуковые летательные аппараты, ближнекосмические аппараты и стратегические транспортные самолеты.
Космическая отрасль: тяжелые ракеты-носители, пилотируемые лунные миссии, лунные базы, забор проб с Марса, исследование малых небесных тел, исследование системы Юпитера и спутники.
Другие отрасли: робототехника, железнодорожный транспорт, новые энергетические транспортные средства (НЭТ), оборудование для глубоководных/глубокоземных/полярных исследований, электроника 3С и т.д.
Металлические матричные композиты сделали первый шаг к широкомасштабному инженерному применению в таких отраслях Китая, как аэрокосмическая отрасль, оборона, электроника, строительная техника и другие, став одним из незаменимых основных сырьевых материалов для крупных национальных проектов.
Он рассказал об истории развития алюминиевых матричных композитов и отметил, что Китай входит в число мировых лидеров по общему количеству публикаций и количеству цитируемых статей по алюминиевым матричным композитам.
►Текущее состояние НИОКР по алюминиевым матричным композитам в Китае: в основном сосредоточено в таких высокотехнологичных производственных областях, как аэрокосмическая отрасль и оборона.
Алюминиевые матричные композиты получили широкое применение в таких высокотехнологичных производственных областях, как аэрокосмическая отрасль и оборона, удовлетворяя потребности в мелкосерийном, многоассортиментном и индивидуальном производстве.
►Одна из проблем, сдерживающих широкое применение: проблема инверсии прочности и вязкости, при которой жесткость и прочность возрастают, а пластичность снижается.
В последние годы основным направлением развития алюминиевых матричных композитов стала конструкция, основанная на усилении и закалке композитов, вдохновленная природой.
Что касается технологии изготовления, то факторы, влияющие на композиционные системы, являются сложными: для удовлетворения требований сложных приложений с многополевым взаимодействием необходимо выбирать высококачественные технологии изготовления, соответствующие различным композиционным системам.
Что касается технологии формообразования и обработки, то механизм эволюции микроструктуры в процессе формообразования является сложным: для удовлетворения требований точного контроля формы и свойств сложных тонкостенных деталей необходимо разработать подходящие технологии формообразования и обработки.
Технология изготовления алюминиевых матричных композитов
Изготовление дисперсно-армированных алюминиевых матричных композитов включает в себя различные сложные процессы. Разработка подходящих технологий изготовления является ключом к получению высокопроизводительных композитов.
II. Технология изготовления алюминиевых матричных композитов — твердофазный метод (порошковая металлургия)
Твердофазный метод относится к процессу изготовления металлических матричных композитов с матрицей в твердом состоянии.
Преимущества: более низкая температура изготовления, легко контролируемые межфазные реакции, мелкая микроструктура и высокая производительность композита.
В нем представлены анализы соответствующих случаев, включая алюминиевые матричные композиты, армированные равномерно расположенными керамическими частицами, изготовленные на основе традиционных процессов шаровой мельницы, композиты CNT/Al с кирпично-растворной конфигурацией, изготовленные на основе пластинчатой порошковой металлургии, мультимодальные алюминиевые матричные композиты, изготовленные на основе многоступенчатой шаровой мельницы, и алюминиевые матричные композиты, армированные фазопревращающимися материалами.
II. Технология изготовления алюминиевых матричных композитов — твердофазный метод (горячее изостатическое прессование)
Процесс горячего изостатического прессования включает в себя помещение изделия в герметичный контейнер, приложение изотропного давления к изделию при одновременном приложении высокой температуры. Под совместным воздействием высокой температуры и давления изделие подвергается спеканию и уплотнению.
Большинство горячих изостатических прессов промышленного масштаба имеют максимальную рабочую температуру около 1400°C, а максимальное давление колеблется от 100 до 200 МПа. Общая грузоподъемность крупнейшего современного горячего изостатического пресса составляет около 400 000 кН (40 000 тонн-силы).
Пример: при подготовке композитов SiCp/Al с высокой объемной долей методом горячего изостатического прессования матричный алюминиевый сплав находится в двухфазной области твердое тело—жидкость, что способствует более легкой плотности композита в условиях высокой температуры и давления.
II. Технология изготовления алюминиевых матричных композитов — метод жидкой фазы (экструзионное литье)
Подготовка заготовки: изготовление равномерно пористых заготовок путем физического оседания; изготовление заготовок с биомиметической конфигурацией с использованием таких методов, как литье с замораживанием и 3D-печать.
Подготовка композита: пропитывание расплавленного алюминия в поры заготовки путем механического давления для достижения изготовления высокопроизводительных композитов.
В нем обсуждаются соответствующие случаи, включая алюминиевые матричные композиты, усиленные равномерно расположенными частицами, алюминиевые матричные композиты, усиленные равномерно расположенными волокнами, и алюминиевые матричные композиты с биомиметической конфигурацией.
II. Технология изготовления алюминиевых матричных композитов — метод жидкой фазы (вакуумное давление пропитывания)
Вакуумное давление пропитывания аналогично экструзионному литью, в основном включающее сначала подготовку керамических пористых заготовок, затем сочетание вакуумной среды и условий давления газового давления для того, чтобы расплав алюминиевого сплава заполнял микропоры заготовки и затвердевал, тем самым изготавливая алюминиевые матричные композиты.
В нем представлены соответствующие случаи алюминиевых матричных композитов с низким коэффициентом теплового расширения, усиленных частицами с высокой объемной долей, и алюминиевых матричных композитов с биомиметической конфигурацией.
II. Технология изготовления алюминиевых матричных композитов — метод жидкой фазы (литье с перемешиванием)
Основной принцип: непосредственное добавление частиц в полутвердое расплав матричного металла для увеличения сдвигового напряжения во время перемешивания, что обеспечивает равномерное распределение частиц в расплаве металла. Затем быстро нагревают до жидкого состояния для улучшения текучести литья и, наконец, отливают в слитки, отливки и т.д.
Ключевые технологии: улучшение влажности между расплавом и фазой армирования, равномерное распределение фазы армирования и контроль окисления и поглощения газа в расплаве металла.
Технологические преимущества: Подходит для промышленного масштаба производства; простой процесс и низкие производственные затраты.
Мощность подготовки: Масштаб производства при вихревой литьевой технологии обычно варьируется от нескольких килограммов в лабораторных условиях до нескольких десятков тонн в промышленном производстве.
В нем подробно рассматриваются такие случаи, как технология вихревой литьевой подготовки для композитов на алюминиевой матрице, усиленных частицами SiC, композитов на алюминиевой матрице, усиленных частицами графита, и композитов на алюминиевой матрице, усиленных in-situ TiB₂.
Метод фторидных солей в основном включает реакцию двух солей, приводящую к образованию побочных продуктов в виде фторидных солей; метод мастер-сплава не дает побочных продуктов, но предъявляет высокие требования к сырью; инготы из композитного литья с частицами TiB₂, образованными in-situ, в настоящее время могут достигать максимального веса 11 тонн, обеспечивая инготы для последующей пластической обработки для изготовления крупных деталей.
Частицы TiB₂ имеют сетевое распределение. Их размер может контролироваться в диапазоне от нанометров до субмикрометров, с правильной формой частиц и без значительного агломерирования; частицы TiB₂, образованные in-situ, имеют хорошее интерфейсное сцепление с алюминиевой матрицей и находятся в когерентных отношениях, что делает их идеальными керамическими частицами для усиления.
Частицы TiB₂ являются отличными зерноуменьшителями. В расплавленном металле частицы TiB₂ выступают в качестве ядра для гетерогенного зарождения, обеспечивая большее количество мест зарождения при кристаллизации металла, что в конечном итоге приводит к образованию более мелких и однородных зерен; вблизи частиц TiB₂ как частиц второй фазы существует большое количество запутанных дислокаций, эффективно препятствующих движению дислокаций во время деформации, тем самым повышая прочность материала.
По сравнению с матричным сплавом предельная прочность при высокочастотных циклических нагрузках композитов на алюминиевой матрице, усиленных частицами TiB₂, увеличивается на 22-44%, достигая до 730 МПа; мелкие частицы TiB₂ могут препятствовать возникновению усталостных трещин, избегая тенденции к преждевременному возникновению усталостных трещин из-за отслоения частиц от интерфейса и разрушения частиц.
Технология подготовки композитов на алюминиевой матрице - метод аддитивного производства
Основанная на технологии аддитивного производства, она позволяет формировать сложные конструктивные металлические детали с интегрированной материально-конструктивной структурой, обеспечивая новый технологический подход для проектирования и изготовления высокопроизводительных деталей в аэрокосмической отрасли, в основном разделенный на лазерное аддитивное производство, дуговое аддитивное производство, фрикционное вихревое производство и т.д.
Технология изготовления композитов на алюминиевой основе — метод аддитивного производства (лазерная аддитивная технология)
Под действием лазерного луча металлический порошок плавится и быстро затвердевает, образуя новый слой материала. Этот процесс осуществляется слой за слоем до тех пор, пока не будет сформирован полноценный трехмерный объект; на основе добавленных заданных частиц армирующего материала и алюминиевой матрицы можно добиться индуцированного улучшения структуры зерен. Более низкое межатомное несоответствие между матрицей α-Al и TiB₂ приводит к снижению критического переохлаждения при зарождении зерен ΔT, что может предотвратить образование трещин в сплавах, склонных к трещинообразованию во время процесса L-PBF.
Добавление твердых частиц второй фазы может значительно улучшить микроструктуру, что приводит к повышению предела текучести за счет упрочнения границ зерен, как это было подтверждено в сплавах TiB₂-армированного AlSi10Mg и TiC/TiH₂-армированного Al2024. Помимо упрочнения границ зерен, предел текучести сплава L-PBF TiB₂/AlSi10Mg повышается примерно до 362-407 МПа из-за повышенного сопротивления движению дислокаций, вызванного твердыми частицами.
II. Технологии изготовления композитов на алюминиевой основе — аддитивное производство (фрикционное сварное)
Фрикционное сварное аддитивное производство (FSAM) включает в себя локальную пластическую деформацию металлических материалов с помощью высокоскоростного вращающегося сварочного инструмента, за которой следует накопление слоев под давлением для достижения изготовления высокоплотных металлических конструкций. Преимущества FSAM включают в себя низкотемпературную обработку, энергосбережение и защиту окружающей среды, применимость к материалам, сложным для сварки, и низкие остаточные напряжения. Он в основном используется для соединения разнородных материалов и ремонта дорогостоящих компонентов, подходит для эффективного масштабного формования таких материалов, как алюминиевые и магниевые сплавы.
Интерфейс NiTip/Al, полученный с помощью фрикционного сварного аддитивного производства, обладает хорошим сцеплением без образования вредных реакционных продуктов. Добавление NiTip образует мелкозернистую микроструктуру с хорошей дисперсией, ускоряя динамическое восстановление за счет увеличения деформации матрицы и способствуя динамической рекристаллизации за счет стимулируемого частицами зарождения зерен.Уникальная мелкозернистая микроструктура, равномерно диспергированные частицы NiTip и хорошо связанный интерфейс NiTip/Al значительно повышают прочность без ухудшения пластичности.
II. Технологии изготовления композитов на алюминиевой матрице - Аддитивное производство (дуговая аддитивная технология)
Дуговая аддитивная технология производства — это технология 3D-печати с направленным напылением энергии (DED), основанная на принципах дуговой сварки, при которой детали формируются путем пошагового нанесения металлических материалов.
Размер зерен сплава TiN/Al-Zn-Mg-Cu уменьшается с 459,3 мкм до 104,6 мкм, что объясняется образованием частиц Al₃Ti, выступающих в качестве затравливающих агентов, что приводит к повышению прочности при растяжении как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях. В горизонтальном направлении прочность при растяжении возрастает с 207 МПа до 284 МПа.
Формообразование и обработка композитов на алюминиевой матрице
III. Формообразование и обработка композитов на алюминиевой матрице - Горячая экструзия
Горячая экструзия позволяет изготавливать профили сложного сечения, при этом в процессе формообразования применяются только сжатие и сдвиговое напряжение, что обеспечивает хорошее качество поверхности изготовленных деталей. Компьютерное моделирование может помочь технологам понять закономерности течения металла во время экструзии профиля, предсказать дефекты заранее, оптимизировать конструкцию штампов и улучшить качество профиля.
III. Формообразование и обработка композитов на алюминиевой матрице - Ковка
На основе моделирования поведения потока материала можно предсказать возможные деформационные дефекты, обеспечивая теоретическую основу для разработки технологических мер по предотвращению образования трещин. С помощью построения карты горячей обработки на основе динамической модели материала можно точно предсказать оптимальные условия обработки материала.
Была разработана многомасштабная термомеханическая модель композитов для моделирования процесса деформации и микроструктуры. В результате были успешно разработаны SiC/Al ковки диаметром от 1760 до 2500 мм с первой попытки.
С помощью конечно-элементного программного обеспечения были проведены численные моделирования изотермического процесса ковки лопаток/корпусов для получения данных о распределении напряжений и нагрузок. Затем были разработаны разумные параметры процесса ковки, что в конечном итоге привело к получению ковок с идеальной микроструктурой и свойствами.
С помощью сочетания моделирования конечных элементов и экспериментов по горячему прессованию исследовалось влияние параметров процесса деформации на поле повреждений, поле напряжений-деформаций и поле температуры во время процесса ковки композитов SiCp/Al.
Проблема трещинообразования в неоднородных и труднодеформируемых заготовках для ковки композитов решалась путем сочетания штамповки с использованием бандажа и двунаправленного процесса ковки. Были успешно изготовлены опытные образцы крупных кольцевых отливок из алюминиевых матричных композитов с использованием изотермической точной штамповки, отличающиеся превосходным качеством формообразования и значительно улучшенной формой и размерами.
Формообразование и обработка алюминиевых матричных композитов — прокатка
С помощью моделирования распределения остаточных напряжений во время процесса прокатки можно оптимизировать параметры процесса прокатки, чтобы уменьшить образование остаточных напряжений, тем самым повышая качество и точность прокатываемой продукции. Во время процесса прокатки существует механизм дробления мелких фаз и фазовых превращений, а также механизм измельчения, при котором крупные фазы разбиваются на более мелкие.
После прокатки материал образует волокнистую микроструктуру с зернами, выровненными вдоль направления прокатки, что приводит к удлинению зерен. Прокатка может быть разделена на холодную и горячую. Холодная прокатка значительно повышает прочность и твердость из-за эффектов холодной деформации, но снижает пластичность. Горячая прокатка приводит к более однородной микроструктуре с более низкими внутренними напряжениями, но с более низкой прочностью.
Путем оптимизации параметров прокатки и технологических маршрутов можно изготавливать профили, пригодные для автомобильного или аэрокосмического применения.
III. Формообразование и обработка алюминиевых матричных композитов — сварка
На основе из алюминиевого сплава A356 можно изготовить композит с градиентной структурой с использованием пайки слоем композита SiCp/Al с различным содержанием. Сварная зона не имеет дефектов, является непрерывной и свободной от трещин и пор, с хорошим сцеплением на границе градиентной структуры.
III. Формообразование и обработка алюминиевых матричных композитов — механическая обработка
Композиты с алюминиевой матрицей, армированные частицами: основные параметры, влияющие на процесс шлифования, включают скорость шлифовального круга (vs), скорость стола (vw), глубину шлифования (ap) и максимальную толщину недеформированной стружки (hmax).Среди них, шлифование при высоких скоростях шлифовального круга (vs) приводит к получению композитов с более высоким качеством поверхности и более пластичными зонами отложения.
Уменьшение толщины недеформированной стружки (hmax) приведет к уменьшению количества эффективных абразивных зерен, участвующих в шлифовании, тем самым контролируя размер пор на поверхности композита и толщину поврежденного слоя, что способствует уменьшению образования подповерхностных микротрещин и пор.
Основные параметры, влияющие на процесс токарной обработки, включают скорость вращения шпинделя (n), скорость подачи (f), радиус носа (r0), глубину резания и т. д. Низкая скорость вращения шпинделя и скорость подачи способствуют уменьшению концентрации напряжений в композитах, минимизируя разрушение, вырывание и образование ямок на поверхности SiCp.
Композиты на алюминиевой матрице, армированные волокнами: Фаза армирования состоит из волокон с большим отношением длины к диаметру, проявляющих анизотропию, что делает процесс резания более сложным.
Применение композитов на алюминиевой матрице
IV. Применение композитов на алюминиевой матрице — за рубежом
В нем представлены примеры применения композитов на алюминиевой матрице за рубежом и отмечается, что развитие зарубежных дисконтинуальных композитов на алюминиевой матрице обусловлено спросом и технологическими инновациями, тесно связанными с оптимизацией процессов изготовления и многоотраслевыми требованиями.
Аэрокосмическая промышленность: Разработка легких, прочных и высокомодульных композитов на алюминиевой матрице позволила изготавливать легкие, гибкие и высокопроизводительные самолеты и спутники в современной аэрокосмической промышленности.
Вооружение: Дисконтинуальные армированные композиты на алюминиевой матрице обладают такими характеристиками, как легкий вес, высокая прочность, термостойкость и ударопрочность в области вооружения, значительно повышая мобильность оборудования, выживаемость на поле боя и срок службы.
3C-электроника: Композиты на алюминиевой матрице, особенно композиты на алюминиевой матрице, армированные SiC, подходят для изготовления подкладок электронных устройств, радиаторов и других электронных компонентов благодаря своим преимуществам в виде низкого коэффициента теплового расширения, низкой плотности и хорошей теплопроводности.
