เมื่อวันที่ 18 เมษายน ที่ งานประชุมอุตสาหกรรมอลูมิเนียมและงานแสดงสินค้าอุตสาหกรรมอลูมิเนียม AICE 2025 SMM (ครั้งที่ 20) - ฟอรั่มการรีดอลูมิเนียมอุตสาหกรรม ซึ่งจัดโดย บริษัท เอสเอ็มเอ็ม อินฟอร์เมชั่น แอนด์ เทคโนโลยี จำกัด (SMM), ศูนย์การค้าโลหะ SMM และ บริษัท ซานตง อ้ายซื่อ อินฟอร์เมชั่น เทคโนโลยี จำกัด และร่วมจัดโดย บริษัท ซงอี้เฟิง จินอี้ (ซูโจว) เทคโนโลยี จำกัด และ บริษัท เล่อจื่อ เซี่ยน ฉียนรุ่น เซอร์วิส อินเวสต์เมนท์ โปรโมชั่น จำกัด ศาสตราจารย์และอาจารย์ที่ปรึกษาปริญญาเอก เจิ้ง หลิน จากคณะวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีฮาร์บิน ได้แบ่งปันสถานะปัจจุบันของการเตรียม การแปรรูป และการประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม
พื้นหลังการวิจัยวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม
ความต้องการที่สำคัญของประเทศต่อวัสดุคอมโพสิตโลหะ
อวกาศยาน: เครื่องบินขนาดใหญ่ เฮลิคอปเตอร์หนัก เครื่องบินไร้คนขับ เครื่องบินบรรทุกบนเรือบรรทุกเครื่องบิน ยานพาหนะความเร็วเหนือเสียง ยานพาหนะในอวกาศใกล้โลก และเครื่องบินขนส่งเชิงกลยุทธ์
อวกาศ: ยานขับดาวเทียมขนาดใหญ่ ภารกิจส่งมนุษย์ขึ้นดวงจันทร์ ฐานดวงจันทร์ การเก็บตัวอย่างดาวอังคาร การสำรวจดาวเคราะห์น้อย การสำรวจระบบดาวพฤหัสบดี และดาวเทียม
สาขาอื่น ๆ: หุ่นยนต์ ระบบขนส่งทางราง ยานยนต์พลังงานใหม่ (NEVs) อุปกรณ์สำรวจใต้ทะเลลึก/ใต้ดินลึก/ขั้วโลก อิเล็กทรอนิกส์ 3C เป็นต้น
วัสดุคอมโพสิตโลหะได้ก้าวไปสู่การประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรมขนาดใหญ่ในด้านการบินและอวกาศ การป้องกันประเทศ อิเล็กทรอนิกส์ เครื่องจักรกลก่อสร้าง และสาขาอื่น ๆ ของจีน ซึ่งกลายเป็นหนึ่งในวัตถุดิบพื้นฐานที่ไม่สามารถแทนที่ได้สำหรับโครงการระดับชาติที่สำคัญ
เขาได้แนะนำประวัติการพัฒนาของวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมและชี้ให้เห็นว่าจีนอยู่ในอันดับต้น ๆ ของโลกในแง่ของจำนวนเอกสารทั้งหมดและจำนวนเอกสารที่ถูกอ้างถึงบ่อยครั้งเกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม
►สถานะปัจจุบันของการวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมในจีน: ส่วนใหญ่เน้นในสาขาการผลิตระดับสูง เช่น การบินและอวกาศ และการป้องกันประเทศ
วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมได้รับการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลายในสาขาการผลิตระดับสูง เช่น การบินและอวกาศ และการป้องกันประเทศ เพื่อตอบสนองความต้องการในการผลิตแบบชุดเล็ก หลากหลายรูปแบบ และแบบกำหนดเอง
►หนึ่งในประเด็นปัญหาขวดแคบในการประยุกต์ใช้อย่างแพร่หลาย: ปัญหาการกลับตัวของความแข็งแรงและความเหนียว ซึ่งความแข็งและความแข็งแรงเพิ่มขึ้นในขณะที่ความยืดหยุ่นลดลง
การออกแบบการเสริมแรงและความเหนียวแบบผสมผสานที่ได้รับแรงบันดาลใจจากธรรมชาติได้กลายเป็นแนวโน้มหลักในการพัฒนาคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา
ในแง่ของเทคโนโลยีการเตรียม ปัจจัยที่มีผลกระทบต่อระบบคอมโพสิตมีความซับซ้อน: จำเป็นต้องเลือกเทคโนโลยีการเตรียมที่มีคุณภาพสูงที่ตรงกับระบบคอมโพสิตที่แตกต่างกัน เพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานแบบเชื่อมโยงหลายสนามที่ซับซ้อน
ในแง่ของเทคโนโลยีการขึ้นรูปและการแปรรูป กลไกการวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคในระหว่างกระบวนการขึ้นรูปมีความซับซ้อน: จำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีการขึ้นรูปและการแปรรูปที่เหมาะสม เพื่อตอบสนองความต้องการในการควบคุมรูปร่างและคุณสมบัติที่แม่นยำของชิ้นส่วนผนังบางที่ซับซ้อน
เทคโนโลยีการเตรียมคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์
การเตรียมคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงแบบไม่ต่อเนื่องเกี่ยวข้องกับกระบวนการที่ซับซ้อนหลายอย่าง การพัฒนาเทคโนโลยีการเตรียมที่เหมาะสมเป็นกุญแจสำคัญในการได้รับคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพสูง
II. เทคโนโลยีการเตรียมคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีของแข็ง (ผงโลหะวิทยา)
วิธีของแข็งหมายถึงกระบวนการเตรียมคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะโดยใช้เมทริกซ์ในสถานะของแข็ง
ข้อดี: อุณหภูมิการเตรียมที่ต่ำกว่า การควบคุมปฏิกิริยาที่ผิวหน้าได้ง่าย โครงสร้างจุลภาคที่ละเอียด และประสิทธิภาพของคอมโพสิตที่สูง
มีการวิเคราะห์กรณีที่เกี่ยวข้อง รวมถึงคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงด้วยอนุภาคเซรามิกที่มีการกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอโดยอาศัยกระบวนการบดลูกบอลแบบดั้งเดิม คอมโพสิต CNT/Al ที่มีการกระจายตัวแบบอิฐและปูนโดยอาศัยผงโลหะวิทยาแบบแผ่น คอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์แบบหลายโหมดโดยอาศัยการบดลูกบอลหลายขั้นตอน และคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงด้วยวัสดุที่เปลี่ยนเฟส
II. เทคโนโลยีการเตรียมคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีของแข็ง (การอัดร้อนแบบเท่ากันทุกทิศทาง)
กระบวนการอัดร้อนแบบเท่ากันทุกทิศทางเกี่ยวข้องกับการวางผลิตภัณฑ์ในภาชนะที่ปิดสนิท การใช้แรงกดแบบเท่ากันทุกทิศทางกับผลิตภัณฑ์ในขณะเดียวกันก็ใช้ความร้อนสูง ภายใต้ผลรวมของความร้อนและแรงกดสูง ผลิตภัณฑ์จะผ่านการเผาและการอัดแน่น
เครื่องอัดร้อนแบบเท่ากันทุกทิศทางส่วนใหญ่ที่ใช้ในการผลิตมีอุณหภูมิในการทำงานสูงสุดประมาณ 1,400°C โดยมีแรงกดสูงสุดตั้งแต่ 100 ถึง 200 MPa ปริมาณรวมของเครื่องอัดร้อนแบบเท่ากันทุกทิศทางที่ทันสมัยที่ใหญ่ที่สุดคือประมาณ 400,000 kN (40,000 ตัน-แรง)
ตัวอย่าง: ในระหว่างการเตรียมวัสดุคอมโพสิต SiCp/Al ที่มีปริมาณส่วนประกอบสูงด้วยวิธีการรีดอัดแบบไอโซสแตติกความร้อน (hot isostatic pressing) อลูมิเนียมอัลลอยด์ซึ่งเป็นเมทริกซ์จะอยู่ในสถานะของสองเฟส คือ เนื้อแข็งและของเหลว ซึ่งช่วยให้การอัดแน่นของวัสดุคอมโพสิตเป็นไปได้ง่ายขึ้นภายใต้สภาพอุณหภูมิและแรงดันสูง
II. เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีของเฟสของเหลว (การหล่อแบบอัด)
การเตรียมตัวอัด: การเตรียมตัวอัดที่มีรูพรุนสม่ำเสมอผ่านการตกตะกอนทางกายภาพ การเตรียมตัวอัดที่มีรูปแบบจำลองชีวภาพโดยใช้วิธีการต่างๆ เช่น การหล่อแบบแช่แข็งและการพิมพ์ 3 มิติ
การเตรียมวัสดุคอมโพสิต: การแทรกซึมอลูมิเนียมหลอมเหลวเข้าไปในรูพรุนของตัวอัดด้วยการอัดด้วยแรงกล เพื่อให้ได้วัสดุคอมโพสิตที่มีประสิทธิภาพสูง
มีการกล่าวถึงกรณีที่เกี่ยวข้อง ได้แก่ วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงด้วยอนุภาคที่มีรูปแบบสม่ำเสมอ วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงด้วยเส้นใยที่มีรูปแบบสม่ำเสมอ และวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่มีรูปแบบจำลองชีวภาพ
II. เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีของเฟสของเหลว (การแทรกซึมด้วยแรงดันสูญญากาศ)
การแทรกซึมด้วยแรงดันสูญญากาศนั้นคล้ายคลึงกับการหล่อแบบอัด โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเตรียมตัวอัดที่มีรูพรุนจากเซรามิกก่อน จากนั้นใช้สภาพแวดล้อมสูญญากาศร่วมกับเงื่อนไขการอัดด้วยแรงดันก๊าซ เพื่อให้อลูมิเนียมอัลลอยด์หลอมเหลวสามารถเติมเต็มรูพรุนเล็กๆ ของตัวอัดและแข็งตัว จากนั้นจึงเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์
มีการแนะนำกรณีที่เกี่ยวข้องของวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่เสริมแรงด้วยอนุภาคที่มีปริมาณส่วนประกอบสูงและมีอัตราการขยายตัวต่ำ และวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ที่มีรูปแบบจำลองชีวภาพ
II. เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีของเฟสของเหลว (การหล่อแบบคน)
หลักการพื้นฐาน: การเพิ่มอนุภาคโดยตรงลงในเมทริกซ์โลหะที่อยู่ในสถานะของเหลวกึ่งแข็ง เพื่อเพิ่มแรงเฉือนระหว่างการคน ทำให้อนุภาคกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในเมทริกซ์โลหะหลอมเหลว จากนั้นให้ความร้อนอย่างรวดเร็วจนถึงสถานะของเหลว เพื่อปรับปรุงความสามารถในการหล่อ และในที่สุดก็หล่อเป็นแท่ง ชิ้นงานหล่อ ฯลฯ
เทคโนโลยีหลัก: การปรับปรุงความชื้นชื้นระหว่างเมทริกซ์หลอมเหลวและเฟสเสริมแรง การกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของเฟสเสริมแรง และการควบคุมการเกิดออกซิเดชันและการดูดซับแก๊สในเมทริกซ์โลหะหลอมเหลว
ข้อได้เปรียบทางเทคโนโลยี: เหมาะสำหรับการผลิตในระดับอุตสาหกรรม มีกระบวนการที่ง่ายและต้นทุนการผลิตต่ำ
ความสามารถในการเตรียม: ขนาดการผลิตของการหล่อแบบกวนโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ไม่กี่กิโลกรัมในห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงหลายสิบตันในการผลิตอุตสาหกรรม
มีการอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับกรณีต่างๆ เช่น เทคโนโลยีการเตรียมการหล่อแบบกวนสำหรับวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วยอนุภาค SiC วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วยอนุภาคกราไฟต์ และวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วย TiB₂ ที่เกิดขึ้นในสถานที่
วิธีการเกลือฟลูออไรด์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาของเกลือสองชนิด ซึ่งจะสร้างผลพลอยได้เป็นเกลือฟลูออไรด์ วิธีการโลหะผสมหลักไม่สร้างผลพลอยได้ แต่มีข้อกำหนดสูงต่อวัตถุดิบ ขนาดของแท่งหล่อคอมโพสิตอนุภาค TiB₂ ที่เกิดขึ้นในสถานที่ในปัจจุบันสามารถสูงสุดได้ถึง 11 ตัน ซึ่งจัดหาแท่งหล่อสำหรับการแปรรูปพลาสติกในขั้นต่อไปเพื่อเตรียมชิ้นส่วนขนาดใหญ่
อนุภาค TiB₂ แสดงการกระจายตัวในรูปแบบเครือข่าย ขนาดของอนุภาคสามารถควบคุมได้ในช่วงระหว่างนาโนเมตรถึงระดับย่อยกว่าไมครอน มีรูปร่างอนุภาคที่สม่ำเสมอและไม่มีการรวมตัวกันอย่างมาก อนุภาค TiB₂ ที่เกิดขึ้นในสถานที่มีพันธะเชื่อมต่อระหว่างอินเตอร์เฟสกับเมทริกซ์อลูมิเนียมที่ดีและอยู่ในความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกัน ทำให้เป็นอนุภาคเซรามิกเสริมแรงที่เหมาะสม
อนุภาค TiB₂ เป็นสารปรับปรุงเม็ดเกล็ดที่ยอดเยี่ยม ในโลหะหลอมเหลว อนุภาค TiB₂ ทำหน้าที่เป็นแกนสำหรับการเกิดนิวเคลียสแบบไม่เหมือนกัน ซึ่งให้จุดเกิดนิวเคลียสมากขึ้นในระหว่างการตกผลึกของโลหะ ส่งผลให้เกิดเม็ดเกล็ดที่ละเอียดและสม่ำเสมอมากขึ้น มีการพันกันของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ผิดรูปจำนวนมากอยู่ใกล้กับอนุภาค TiB₂ ในฐานะอนุภาคเฟสที่สอง ซึ่งสามารถขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ผิดรูปได้อย่างมีประสิทธิภาพในระหว่างการเปลี่ยนรูป ทำให้เพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ
เมื่อเทียบกับโลหะผสมเมทริกซ์ ความแข็งแรงสูงสุดของวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วยอนุภาค TiB₂ ภายใต้การอัดรอบสูงเพิ่มขึ้น 22% ถึง 44% สูงสุดถึง 730MPa อนุภาค TiB₂ ที่ละเอียดสามารถยับยั้งการเริ่มต้นของรอยแตกจากความเหนื่อยล้าได้ หลีกเลี่ยงแนวโน้มของการเริ่มต้นของรอยแตกจากความเหนื่อยล้าก่อนเวลาอันควรเนื่องจากการหลุดลอกของอินเตอร์เฟสอนุภาคและการแตกหักของอนุภาค
เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม - วิธีการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ
โดยอาศัยเทคโนโลยีการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ ทำให้สามารถขึ้นรูปชิ้นส่วนโลหะโครงสร้างที่ซับซ้อนในรูปแบบที่สมบูรณ์แบบด้วยวัสดุและโครงสร้างที่บูรณาการกัน ซึ่งเป็นแนวทางทางเทคโนโลยีใหม่สำหรับการออกแบบและการผลิตชิ้นส่วนที่มีประสิทธิภาพสูงในอวกาศ ส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นการผลิตแบบเพิ่มวัสดุด้วยเลเซอร์ การผลิตแบบเพิ่มวัสดุด้วยอาร์ค การผลิตแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน เป็นต้น
เทคโนโลยีการเตรียมวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - วิธีการผลิตแบบเพิ่มวัสดุ (การผลิตแบบเพิ่มวัสดุด้วยเลเซอร์)
ภายใต้การกระทำของลำแสงเลเซอร์ ผงโลหะจะละลายและแข็งตัวอย่างรวดเร็วเพื่อสร้างชั้นวัสดุใหม่ กระบวนการนี้ดำเนินการชั้นต่อชั้น จนกระทั่งสร้างวัตถุสามมิติที่สมบูรณ์ขึ้นมา จากอนุภาคเสริมแรงที่ระบุไว้และเมทริกซ์อลูมิเนียมที่ได้เพิ่มไปแล้ว สามารถบรรลุการปรับปรุงเม็ดโลหะให้ละเอียดขึ้นได้ ความไม่ตรงกันระหว่างอะตอมที่ต่ำกว่าระหว่างเมทริกซ์ α-Al และ TiB₂ นำไปสู่การลดลงของอุณหภูมิการเกิดนิวเคลียสวิกฤต ΔT ซึ่งสามารถซ่อมแซมการเกิดรอยแตกในโลหะผสมที่มีแนวโน้มที่จะแตกระหว่างกระบวนการ L-PBF ได้
การเพิ่มอนุภาคแข็งในเฟสที่สองสามารถปรับปรุงโครงสร้างละเอียดได้อย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้มีความแข็งแรงในการยืดตัวสูงขึ้นเนื่องจากการเสริมแรงที่ขอบเม็ดโลหะ ดังที่ได้รับการพิสูจน์แล้วในโลหะผสม AlSi10Mg ที่เสริมแรงด้วย TiB₂ และโลหะผสม Al2024 ที่เสริมแรงด้วย TiC/TiH₂ นอกจากการเสริมแรงที่ขอบเม็ดโลหะแล้ว ความแข็งแรงในการยืดตัวของโลหะผสม TiB₂/AlSi10Mg ที่ผลิตด้วย L-PBF จะเพิ่มขึ้นเป็นประมาณ 362-407 MPa เนื่องจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นต่อการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ของการเสียรูปที่เกิดจากอนุภาคแข็ง
II. เทคโนโลยีการผลิตวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - การผลิตแบบเพิ่มวัสดุ (การกวนแบบขัดถู)
การผลิตแบบเพิ่มวัสดุด้วยการกวนแบบขัดถู (FSAM) เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนรูปพลาสติกในท้องถิ่นของวัสดุโลหะโดยใช้เครื่องมือกวนที่หมุนด้วยความเร็วสูง ตามด้วยการสะสมชั้นต่อชั้นภายใต้แรงกด เพื่อให้บรรลุการผลิตโครงสร้างโลหะที่มีความหนาแน่นสูง ข้อดีของ FSAM ได้แก่ การประมวลผลที่อุณหภูมิต่ำ การประหยัดพลังงานและการคุ้มครองสิ่งแวดล้อม ความสามารถในการใช้กับวัสดุที่ยากต่อการเชื่อม และความเครียดตกค้างที่ต่ำ ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการผสมวัสดุที่แตกต่างกันและการซ่อมแซมชิ้นส่วนที่มีมูลค่าสูง เหมาะสำหรับการขึ้นรูปวัสดุในขนาดใหญ่อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น โลหะผสมอลูมิเนียมและโลหะผสมแมกนีเซียม
อินเตอร์เฟส NiTip/Al ที่เตรียมโดยการผลิตแบบเพิ่มวัสดุด้วยการกวนแบบขัดถูแสดงให้เห็นถึงการเชื่อมต่อที่ดีโดยไม่มีการเกิดผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่เป็นอันตราย การเพิ่ม NiTip สร้างโครงสร้างเม็ดละเอียดที่มีการกระจายตัวที่ดี เร่งการฟื้นตัวแบบไดนามิกโดยการเพิ่มการเสียรูปของเมทริกซ์และส่งเสริมการเกิดเม็ดใหม่แบบไดนามิกผ่านการเกิดนิวเคลียสที่กระตุ้นด้วยอนุภาคโครงสร้างไมโครที่ละเอียดและเป็นเอกลักษณ์ อนุภาค NiTip ที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ และอินเตอร์เฟส NiTip/Al ที่เชื่อมต่อกันอย่างดี ช่วยเพิ่มความแข็งแรงอย่างมีนัยสำคัญโดยไม่ส่งผลกระทบต่อความเหนียวในทางลบ
II. เทคโนโลยีการผลิตวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - การผลิตแบบเพิ่มวัสดุ (การเพิ่มวัสดุแบบอาร์ค)
การผลิตแบบเพิ่มวัสดุแบบอาร์คเป็นเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติแบบฝากพลังงานที่กำหนดทิศทาง (DED) ซึ่งใช้หลักการเชื่อมแบบอาร์คในการสร้างชิ้นส่วนโดยการฝากวัสดุโลหะชั้นละชั้น
ขนาดเม็ดของโลหะผสม TiN/Al-Zn-Mg-Cu ลดลงจาก 459.3 ไมครอน เป็น 104.6 ไมครอน ซึ่งเป็นผลมาจากการก่อตัวของอนุภาค Al₃Ti ที่ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการเกิดเม็ด ทำให้ความแข็งแรงในการดึงเพิ่มขึ้นทั้งในแนวราบและแนวตั้ง ในแนวราบ ความแข็งแรงในการดึงเพิ่มขึ้นจาก 207 เมกะพาสคาล เป็น 284 เมกะพาสคาล
การขึ้นรูปและการแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์
III. การขึ้นรูปและการแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - การอัดรีดร้อน
การอัดรีดร้อนช่วยให้สามารถผลิตโปรไฟล์ข้ามตัดที่ซับซ้อนได้ โดยมีแรงกดและแรงตัดเท่านั้นที่ใช้ในระหว่างกระบวนการขึ้นรูป ส่งผลให้ชิ้นส่วนที่ผลิตได้มีพื้นผิวที่เรียบเนียนดี การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์สามารถช่วยวิศวกรกระบวนการในการเข้าใจรูปแบบการไหลของโลหะระหว่างการอัดรีดโปรไฟล์ ทำนายข้อบกพร่องล่วงหน้า ปรับปรุงการออกแบบแม่พิมพ์ และปรับปรุงคุณภาพโปรไฟล์
III. การขึ้นรูปและการแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเมทริกซ์ - การตีขึ้นรูป
จากการจำลองพฤติกรรมการไหลของวัสดุ สามารถทำนายข้อบกพร่องการเสียรูปที่อาจเกิดขึ้นได้ ซึ่งเป็นพื้นฐานทางทฤษฎีในการกำหนดมาตรการกระบวนการเพื่อป้องกันการเกิดรอยแตก ด้วยการสร้างแผนที่การทำงานร้อนโดยใช้โมเดลวัสดุไดนามิก สามารถทำนายเงื่อนไขการแปรรูปที่เหมาะสมที่สุดสำหรับวัสดุได้อย่างแม่นยำ
ได้สร้างโมเดลเชื่อมโยงความร้อนและกลศาสตร์หลายระดับสำหรับวัสดุคอมโพสิตเพื่อจำลองกระบวนการเสียรูปและโครงสร้างไมโคร ผลลัพธ์คือ สามารถพัฒนาชิ้นงานตีขึ้นรูป SiC/Al ที่มีเส้นผ่าศูนย์กลางตั้งแต่ 1,760 ถึง 2,500 มิลลิเมตรได้ในครั้งเดียว
ได้ดำเนินการจำลองเชิงตัวเลขของกระบวนการตีขึ้นรูปแบบอุณหภูมิคงที่สำหรับใบพัด/ตัวเรือน โดยใช้ซอฟต์แวร์อิลิเมนต์จำกัด เพื่อรับข้อมูลการกระจายความเครียดและโหลด จากนั้นจึงกำหนดพารามิเตอร์กระบวนการตีขึ้นรูปที่เหมาะสม ส่งผลให้ได้ชิ้นงานตีขึ้นรูปที่มีโครงสร้างไมโครและคุณสมบัติที่เหมาะสม
โดยการผสมผสานการจำลององค์ประกอบจำกัด (finite element simulation) กับการทดลองอัดร้อน (hot compression experiments) ได้มีการศึกษาถึงอิทธิพลของพารามิเตอร์กระบวนการเสียรูปต่อสนามความเสียหาย สนามความเครียด-ความเค้น และสนามอุณหภูมิระหว่างกระบวนการตีขึ้นรูปของวัสดุคอมโพสิต SiCp/Al
ปัญหาการแตกร้าวในชิ้นงานตีขึ้นรูปคอมโพสิตที่มีความแตกต่างกันและยากต่อการเสียรูปได้รับการแก้ไขโดยการผสมผสานกระบวนการตีขึ้นรูปแบบอัพเซ็ต (upset forging) กับกระบวนการตีขึ้นรูปแบบแคน (can) และกระบวนการตีขึ้นรูปสองทิศทาง (two-way forging) ชิ้นงานตีขึ้นรูปวงแหวนขนาดใหญ่จากวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมได้รับการผลิตทดลองอย่างประสบความสำเร็จโดยใช้เทคนิคการตีขึ้นรูปแบบอิโซเทอร์มอลเพรซิชั่นไดคาสติ้ง (isothermal precision die forging) ซึ่งมีคุณภาพการขึ้นรูปที่ดีเยี่ยมและมีรูปร่างและขนาดที่ละเอียดขึ้นอย่างมาก
การขึ้นรูปและแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม - การรีด
โดยการจำลองการกระจายความเครียดที่เหลืออยู่ระหว่างกระบวนการรีด สามารถปรับปรุงพารามิเตอร์กระบวนการรีดเพื่อลดการเกิดความเครียดที่เหลืออยู่ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพและความแม่นยำของผลิตภัณฑ์รีด ในระหว่างกระบวนการรีด มีกลไกการแตกหักของเฟสขนาดเล็กและการเปลี่ยนแปลงเฟส รวมถึงกลไกการละเอียดขึ้นของเฟสขนาดใหญ่ที่แตกหักเป็นชิ้นเล็ก ๆ
หลังจากการรีด วัสดุจะเกิดโครงสร้างไมโครที่เป็นเส้นใย โดยมีเม็ดเกรนเรียงตัวไปตามทิศทางการรีด ส่งผลให้เกิดโครงสร้างเม็ดเกรนที่ยืดตัว การรีดสามารถแบ่งออกเป็นการรีดเย็นและการรีดร้อน การรีดเย็นจะเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งอย่างมากเนื่องจากผลของการแข็งตัวจากการทำงาน แต่จะลดความเหนียว การรีดร้อนจะทำให้เกิดโครงสร้างไมโครที่สม่ำเสมอขึ้น มีความเครียดภายในที่ต่ำกว่า แต่มีความแข็งแรงที่ต่ำกว่า
โดยการปรับปรุงพารามิเตอร์การรีดและเส้นทางกระบวนการ สามารถเตรียมโปรไฟล์ที่เหมาะสมสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์หรือการบินและอวกาศได้
III. การขึ้นรูปและแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม - การเชื่อม
บนพื้นผิววัสดุอลูมิเนียมอัลลอยด์ A356 สามารถผลิตวัสดุคอมโพสิตที่มีโครงสร้างเกรเดียนต์ได้โดยใช้ชั้นเชื่อมจากวัสดุคอมโพสิต SiCp/Al ที่มีปริมาณส่วนผสมแตกต่างกัน พื้นที่เชื่อมไม่มีข้อบกพร่อง เป็นแบบต่อเนื่อง และไม่มีรอยแตกและรูพรุน พร้อมกับการยึดเกาะที่ดีที่อินเตอร์เฟซของโครงสร้างเกรเดียนต์
III. การขึ้นรูปและแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม - การกลึง
วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแข็งด้วยอนุภาค: พารามิเตอร์หลักที่มีผลต่อกระบวนการบดละเอียด ได้แก่ ความเร็วของหินบด (vs), ความเร็วของโต๊ะ (vw), ความลึกของการบด (ap) และความหนาของเศษชิ้นงานที่ไม่เสียรูปสูงสุด (hmax)ในบรรดาวิธีเหล่านี้ การเจียรด้วยความเร็วของหินเจียรที่สูง (vs) จะทำให้วัสดุคอมโพสิตมีคุณภาพพื้นผิวที่ดีขึ้นและมีบริเวณการสะสมที่มีความเหนียวมากขึ้น
การลดความหนาของเศษชิ้นงานที่ยังไม่เสียรูป (hmax) จะช่วยลดจำนวนเม็ดขัดที่มีส่วนร่วมในการเจียร ซึ่งจะช่วยควบคุมขนาดรูพรุนบนพื้นผิววัสดุคอมโพสิตและความหนาของชั้นที่เสียหาย ซึ่งเป็นประโยชน์ในการลดการเกิดรอยแตกและรูพรุนเล็กๆ ภายใต้พื้นผิว
พารามิเตอร์หลักที่มีผลต่อกระบวนการกลึง ได้แก่ ความเร็วของแกนหมุน (n) อัตราการให้อาหาร (f) รัศมีจมูก (r0) ความลึกของการตัด เป็นต้น ความเร็วของแกนหมุนและอัตราการให้อาหารที่ต่ำ จะช่วยลดการกระจุกตัวของแรงในวัสดุคอมโพสิต ลดการยุบตัว การหลุดออก และการเกิดหลุมบน SiCp ให้เหลือน้อยที่สุด
วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วยเส้นใย: ชั้นเสริมแรงประกอบด้วยเส้นใยที่มีอัตราส่วนระหว่างความยาวและเส้นผ่าศูนย์กลางที่สูง ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความไม่เท่ากันในทิศทาง ทำให้กระบวนการตัดมีความซับซ้อนมากขึ้น
การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม
IV. การประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม - ต่างประเทศ
บทความนี้แนะนำการประยุกต์ใช้วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมในต่างประเทศ และชี้ให้เห็นว่าการพัฒนาของวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมที่ไม่ต่อเนื่องในต่างประเทศได้รับแรงผลักดันจากความต้องการและนวัตกรรมทางเทคโนโลยี โดยผสานรวมการปรับปรุงกระบวนการเตรียมวัสดุอย่างใกล้ชิดกับความต้องการในหลายๆ ด้าน
อวกาศ: การพัฒนาวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง และมีโมดูลัสสูง ได้ทำให้การผลิตเครื่องบินและดาวเทียมที่มีน้ำหนักเบา มีความยืดหยุ่น และมีประสิทธิภาพสูงในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศสมัยใหม่เป็นไปได้
อาวุธยุทโธปกรณ์: วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงแบบไม่ต่อเนื่องมีคุณสมบัติ เช่น น้ำหนักเบา ความแข็งแรงสูง ทนต่ออุณหภูมิสูง และทนต่อแรงกระแทกในด้านอาวุธยุทโธปกรณ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความคล่องตัวของอุปกรณ์ ความสามารถในการรอดชีวิตในสนามรบ และอายุการใช้งานได้อย่างมาก
อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 3C: วัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียม โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุคอมโพสิตอลูมิเนียมเสริมแรงด้วย SiC เหมาะสำหรับการผลิตซับในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวระบายความร้อน และส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ เนื่องจากมีข้อได้เปรียบในด้านอัตราส่วนการขยายตัวจากความร้อนที่ต่ำ ความหนาแน่นที่ต่ำ และการนำความร้อนที่ดี
