Vào ngày 18 tháng 4, tại Hội nghị Công nghiệp Nhôm và Triển lãm Công nghiệp Nhôm AICE 2025 SMM (lần thứ 20) - Diễn đàn Ép đùn Nhôm Công nghiệp do Công ty TNHH Công nghệ và Thông tin SMM (SMM), Trung tâm Giao dịch Kim loại SMM và Công ty TNHH Công nghệ Thông tin Aisi Sơn Đông tổ chức, và đồng tổ chức bởi Công ty TNHH Công nghệ Zhongyifeng Jinyi (Tô Châu) và Công ty TNHH Dịch vụ Xúc tiến Đầu tư Qianrun huyện Lạc Trí, Giáo sư, Tiến sĩ hướng dẫn GENG Lin đến từ Trường Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu, Đại học Công nghệ Cáp Nhĩ Tân đã chia sẻ về tình hình hiện tại của việc chế tạo, chế biến và ứng dụng vật liệu composite nhôm.
Bối cảnh nghiên cứu của vật liệu composite nhôm
Nhu cầu quốc gia đáng kể đối với vật liệu composite kim loại
Hàng không vũ trụ: Máy bay lớn, trực thăng hạng nặng, máy bay không người lái, máy bay hạ cánh trên tàu sân bay, phương tiện siêu thanh, phương tiện không gian gần Trái Đất và máy bay vận tải chiến lược.
Không gian: Tàu vũ trụ phóng tải trọng nặng, sứ mệnh đưa người lên Mặt Trăng, căn cứ trên Mặt Trăng, lấy mẫu sao Hỏa, thăm dò các thiên thể nhỏ, thăm dò hệ Sao Mộc và vệ tinh.
Các lĩnh vực khác: Robot, giao thông đường sắt, xe năng lượng mới (NEV), thiết bị thăm dò biển sâu/đất sâu/cực, điện tử 3C, v.v.
Vật liệu composite kim loại đã có bước đầu tiên hướng tới các ứng dụng kỹ thuật quy mô lớn trong các lĩnh vực hàng không vũ trụ, quốc phòng, điện tử, máy móc xây dựng và các lĩnh vực khác của Trung Quốc, trở thành một trong những nguyên liệu cơ bản không thể thay thế cho các dự án quốc gia lớn.
Ông đã giới thiệu lịch sử phát triển của vật liệu composite nhôm và chỉ ra rằng Trung Quốc nằm trong top đầu thế giới về tổng số bài báo và số lượng bài báo được trích dẫn nhiều về vật liệu composite nhôm.
►Tình hình hiện tại của nghiên cứu và phát triển vật liệu composite nhôm tại Trung Quốc: Chủ yếu tập trung vào các lĩnh vực sản xuất cao cấp như hàng không vũ trụ và quốc phòng.
Vật liệu composite nhôm đã đạt được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất cao cấp như hàng không vũ trụ và quốc phòng, đáp ứng nhu cầu sản xuất theo đơn hàng nhỏ, đa dạng và tùy chỉnh.
►Một trong những vấn đề nút thắt trong ứng dụng rộng rãi: Vấn đề đảo ngược độ cứng và độ dẻo dai, trong đó độ cứng và độ bền tăng lên trong khi độ dẻo giảm đi.
Thiết kế gia cường và dẻo dai vật liệu composite dựa trên cấu hình lấy cảm hứng từ tự nhiên đã trở thành xu hướng chính trong phát triển vật liệu composite nhôm trong những năm gần đây.
Về công nghệ chế tạo, các yếu tố ảnh hưởng của hệ thống composite rất phức tạp: cần lựa chọn các công nghệ chế tạo chất lượng cao phù hợp với các hệ thống composite khác nhau để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng ghép nối đa trường phức tạp.
Về công nghệ tạo hình và gia công, cơ chế tiến hóa cấu trúc vi mô trong quá trình tạo hình rất phức tạp: cần phát triển các công nghệ tạo hình và gia công phù hợp để đáp ứng nhu cầu kiểm soát chính xác hình dạng và tính chất của các thành phần tường mỏng phức tạp.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhôm
Việc chế tạo vật liệu composite nhôm gia cường không liên tục liên quan đến nhiều quy trình phức tạp. Phát triển các công nghệ chế tạo phù hợp là chìa khóa để có được các vật liệu composite hiệu suất cao.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhôm - Phương pháp pha rắn (Luyện kim bột)
Phương pháp pha rắn đề cập đến quy trình chế tạo vật liệu composite kim loại với ma trận ở trạng thái rắn.
Ưu điểm: Nhiệt độ chế tạo thấp hơn, các phản ứng giữa các giao diện dễ kiểm soát, cấu trúc vi mô mịn và hiệu suất composite cao.
Nó cung cấp các phân tích về các trường hợp liên quan, bao gồm vật liệu composite nhôm được gia cường bằng các hạt gốm có cấu hình đồng đều dựa trên quy trình nghiền bi truyền thống, vật liệu composite CNT/Al có cấu hình gạch và vữa dựa trên quy trình luyện kim bột dạng mảnh, vật liệu composite nhôm đa phương thức dựa trên quy trình nghiền bi nhiều bước và vật liệu composite nhôm được gia cường bằng vật liệu biến đổi pha.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhôm - Phương pháp pha rắn (Ép nóng đẳng tĩnh)
Quy trình ép nóng đẳng tĩnh bao gồm việc đặt sản phẩm vào một thùng kín, áp dụng áp suất đẳng hướng lên sản phẩm đồng thời áp dụng nhiệt độ cao. Dưới tác dụng kết hợp của nhiệt độ và áp suất cao, sản phẩm trải qua quá trình nung kết và nén chặt.
Hầu hết các máy ép nóng đẳng tĩnh quy mô sản xuất có nhiệt độ hoạt động tối đa khoảng 1400°C, với áp suất tối đa dao động từ 100 đến 200 MPa. Tổng trọng tải của máy ép nóng đẳng tĩnh hiện đại lớn nhất là khoảng 400.000 kN (40.000 tấn lực).
Ví dụ: Trong quá trình ép đẳng tĩnh nóng để chế tạo vật liệu composite SiCp/Al có tỷ lệ thể tích cao, hợp kim nhôm ma trận tồn tại trong vùng hai pha rắn-lỏng, tạo điều kiện cho vật liệu composite dễ dàng được nén chặt hơn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ma trận nhôm - Phương pháp lỏng (Ép đúc ép)
Chuẩn bị vật liệu sơ bộ: Chuẩn bị vật liệu sơ bộ xốp đều bằng cách lắng tụ vật lý; chuẩn bị vật liệu sơ bộ có cấu trúc mô phỏng sinh học bằng các phương pháp như đúc đông lạnh và in 3D.
Chuẩn bị vật liệu composite: Thẩm thấu nhôm nóng chảy vào lỗ rỗng của vật liệu sơ bộ thông qua áp suất cơ học để đạt được chế tạo vật liệu composite có hiệu suất cao.
Nó thảo luận về các trường hợp liên quan, bao gồm vật liệu composite ma trận nhôm được gia cường bằng các hạt có cấu trúc đều, vật liệu composite ma trận nhôm được gia cường bằng các sợi tơ có cấu trúc đều và vật liệu composite ma trận nhôm có cấu trúc mô phỏng sinh học.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ma trận nhôm - Phương pháp lỏng (Thẩm thấu áp suất chân không)
Thẩm thấu áp suất chân không tương tự như ép đúc ép, chủ yếu liên quan đến việc chuẩn bị vật liệu sơ bộ xốp gốm trước, sau đó kết hợp với môi trường chân không và điều kiện áp suất khí để cho phép hợp kim nhôm nóng chảy lấp đầy các lỗ rỗng vi mô của vật liệu sơ bộ và đông đặc, từ đó chế tạo vật liệu composite ma trận nhôm.
Nó giới thiệu các trường hợp liên quan của vật liệu composite ma trận nhôm được gia cường bằng các hạt có tỷ lệ thể tích cao, có độ giãn nở thấp và vật liệu composite ma trận nhôm có cấu trúc mô phỏng sinh học.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite ma trận nhôm - Phương pháp lỏng (Ép khuấy)
Nguyên lý cơ bản: Trực tiếp thêm các hạt vào hợp kim nóng chảy bán rắn của kim loại ma trận để tăng áp lực cắt trong quá trình khuấy, cho phép các hạt phân tán đều trong hợp kim nóng chảy. Sau đó, nhanh chóng làm nóng đến trạng thái lỏng để cải thiện tính lưu động của đúc và cuối cùng đúc thành thỏi, phôi đúc, v.v.
Công nghệ then chốt: Cải thiện khả năng ướt giữa hợp kim nóng chảy và pha gia cường, phân tán đều pha gia cường và kiểm soát quá trình oxy hóa và hấp thụ khí trong hợp kim nóng chảy.
Ưu điểm công nghệ: Thích hợp cho sản xuất quy mô công nghiệp; quy trình đơn giản và chi phí sản xuất thấp.
Năng lực chuẩn bị: Quy mô sản xuất của phương pháp đúc khuấy thường dao động từ vài kg trong phòng thí nghiệm đến vài chục tấn trong sản xuất công nghiệp.
Nó trình bày chi tiết các trường hợp như công nghệ chuẩn bị đúc khuấy cho vật liệu composite nhôm cốt gia cố hạt SiC, vật liệu composite nhôm cốt gia cố hạt graphite và vật liệu composite nhôm cốt gia cố hạt TiB₂ tạo thành tại chỗ.
Phương pháp muối fluorua chủ yếu liên quan đến phản ứng của hai loại muối, tạo ra các sản phẩm phụ là muối fluorua; phương pháp hợp kim chủ không tạo ra sản phẩm phụ nhưng yêu cầu cao đối với nguyên liệu; thỏi đúc composite hạt TiB₂ tạo thành tại chỗ hiện có thể đạt tối đa 11 tấn, cung cấp thỏi để gia công dẻo tiếp theo để chế tạo các thành phần lớn.
Các hạt TiB₂ có sự phân bố giống như mạng lưới. Kích thước của chúng có thể được kiểm soát trong phạm vi nano đến dưới micron, với hình dạng hạt đều và không có sự kết tụ đáng kể; các hạt TiB₂ tạo thành tại chỗ có liên kết giao diện tốt với ma trận nhôm và có mối quan hệ tương thích, làm cho chúng trở thành các hạt gia cố gốm lý tưởng.
Các hạt TiB₂ là chất làm tinh thể hạt tuyệt vời. Trong kim loại nóng chảy, các hạt TiB₂ hoạt động như lõi cho sự kết tinh dị hình, cung cấp nhiều điểm kết tinh hơn trong quá trình kết tinh kim loại, cuối cùng dẫn đến các hạt tinh thể mịn hơn và đồng đều hơn; một số lượng lớn các vết xoắn lệch vị tồn tại gần các hạt TiB₂ như các hạt pha thứ hai, ngăn chặn hiệu quả sự di chuyển của lệch vị trong quá trình biến dạng, do đó tăng cường độ của vật liệu.
So với hợp kim ma trận, độ bền cực đại HCF của vật liệu composite nhôm cốt gia cố hạt TiB₂ tăng từ 22% đến 44%, đạt tới 730MPa; các hạt TiB₂ mịn có thể ức chế sự khởi phát vết nứt mỏi, tránh xu hướng khởi phát vết nứt mỏi sớm do bong tróc giao diện hạt và gãy hạt.
Công nghệ Chuẩn bị Vật liệu Composite Nhôm Cốt - Phương pháp Sản xuất Phụ gia
Dựa trên công nghệ sản xuất phụ gia, nó cho phép tạo hình định hình các thành phần kim loại cấu trúc phức tạp với cấu trúc vật liệu tích hợp, cung cấp một cách tiếp cận công nghệ mới cho việc thiết kế và sản xuất các thành phần hiệu suất cao trong hàng không vũ trụ, chủ yếu được chia thành sản xuất phụ gia laser, sản xuất phụ gia hồ quang, sản xuất phụ gia ma sát khuấy, v.v.
Công nghệ chế tạo vật liệu composite nền nhôm - Phương pháp sản xuất bồi đắp (Laser bồi đắp)
Dưới tác dụng của chùm tia laser, bột kim loại được nóng chảy và đông đặc nhanh để tạo thành một lớp vật liệu mới. Quá trình này được thực hiện từng lớp cho đến khi một vật thể ba chiều hoàn chỉnh được tạo thành; dựa trên các hạt gia cường và nền Al đã được thêm vào, có thể đạt được sự tinh luyện hạt. Sự không khớp giữa các nguyên tử thấp hơn giữa nền α-Al và TiB₂ dẫn đến giảm độ quá lạnh tới hạn ΔT, có thể sửa chữa sự hình thành vết nứt trong hợp kim dễ bị nứt trong quá trình L-PBF.
Việc thêm các hạt cứng pha thứ hai có thể tinh luyện đáng kể cấu trúc vi mô, dẫn đến độ bền chảy cao hơn do tăng cường biên hạt, như đã được xác nhận trong hợp kim AlSi10Mg gia cường TiB₂ và hợp kim Al2024 gia cường TiC/TiH₂. Ngoài tăng cường biên hạt, độ bền chảy của hợp kim L-PBF TiB₂/AlSi10Mg được tăng lên khoảng 362-407 MPa do tăng cường khả năng chống lại chuyển động dịch chuyển gây ra bởi các hạt cứng.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite nền nhôm - Sản xuất bồi đắp (Khuấy ma sát)
Sản xuất bồi đắp khuấy ma sát (FSAM) liên quan đến biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu kim loại bằng cách sử dụng công cụ khuấy quay tốc độ cao, sau đó tích lũy từng lớp dưới áp lực để đạt được chế tạo cấu trúc kim loại có mật độ cao. Ưu điểm của FSAM bao gồm xử lý ở nhiệt độ thấp, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường, áp dụng cho các vật liệu khó hàn và ứng suất dư thấp. Nó chủ yếu được sử dụng để kết hợp các vật liệu khác nhau và sửa chữa các thành phần có giá trị cao, phù hợp cho việc tạo hình quy mô lớn hiệu quả các vật liệu như hợp kim nhôm và hợp kim magie.
Giao diện NiTip/Al được chế tạo bằng phương pháp sản xuất bồi đắp khuấy ma sát thể hiện sự liên kết tốt mà không hình thành các sản phẩm phản ứng có hại. Việc thêm NiTip tạo thành cấu trúc vi mô hạt mịn với sự phân tán tốt, tăng tốc phục hồi động bằng cách tăng biến dạng nền và thúc đẩy tái kết tinh động thông qua sự hình thành hạt kích thích.Cấu trúc vi mạch có hạt mịn độc đáo, các hạt NiTip phân tán đều và giao diện NiTip/Al liên kết chặt chẽ giúp tăng cường độ mà không ảnh hưởng xấu đến độ dẻo.
II. Công nghệ chế tạo vật liệu composite nhôm - Sản xuất phụ gia (Phương pháp phụ gia hồ quang)
Sản xuất phụ gia hồ quang là một công nghệ in 3D theo phương pháp lắng đọng năng lượng định hướng (DED) dựa trên nguyên lý hàn hồ quang, xây dựng các bộ phận bằng cách lắng đọng vật liệu kim loại từng lớp.
Kích thước hạt của hợp kim TiN/Al-Zn-Mg-Cu được tinh chỉnh từ 459,3 μm xuống còn 104,6 μm, do sự hình thành các hạt Al₃Ti đóng vai trò như chất làm hạt nhân, dẫn đến độ bền kéo tăng lên ở cả hai hướng ngang và dọc. Ở hướng ngang, độ bền kéo tăng từ 207 MPa lên 284 MPa.
Đúc và gia công vật liệu composite nhôm
III. Đúc và gia công vật liệu composite nhôm - Ép đùn nóng
Ép đùn nóng cho phép sản xuất các tiết diện phức tạp, chỉ áp dụng các lực nén và cắt trong quá trình đúc, dẫn đến bề mặt các bộ phận được sản xuất có độ hoàn thiện tốt. Mô phỏng bằng máy tính có thể hỗ trợ các kỹ sư quy trình hiểu được các mô hình dòng chảy kim loại trong quá trình ép đùn tiết diện, dự đoán trước các khuyết tật, tối ưu hóa thiết kế khuôn và cải thiện chất lượng tiết diện.
III. Đúc và gia công vật liệu composite nhôm - Rèn
Dựa trên mô phỏng hành vi dòng chảy vật liệu, các khuyết tật biến dạng tiềm ẩn có thể được dự đoán, cung cấp cơ sở lý thuyết để xây dựng các biện pháp quy trình để ngăn ngừa sự hình thành vết nứt. Bằng cách xây dựng bản đồ gia công nóng dựa trên mô hình vật liệu động, các điều kiện gia công tối ưu cho vật liệu có thể được dự đoán chính xác.
Một mô hình ghép nhiệt - cơ học đa quy mô cho vật liệu composite đã được xây dựng để mô phỏng quá trình biến dạng và cấu trúc vi mạch. Kết quả là, các phôi rèn SiC/Al có đường kính từ 1760 đến 2500 mm đã được phát triển thành công trong một lần thử.
Các mô phỏng số của quá trình rèn đẳng nhiệt cho cánh quạt/vỏ đã được thực hiện bằng phần mềm phần tử hữu hạn để có được dữ liệu phân bố độ biến dạng và tải trọng. Sau đó, các thông số quy trình rèn hợp lý đã được xây dựng, cuối cùng dẫn đến các phôi rèn có cấu trúc vi mạch và tính chất lý tưởng.
Bằng cách kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn với các thí nghiệm nén nóng, đã nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số quá trình biến dạng lên trường tổn thương, trường ứng suất-biến dạng và trường nhiệt độ trong quá trình rèn vật liệu composite SiCp/Al.
Vấn đề nứt gãy trong các phôi rèn composite không đồng nhất và khó biến dạng đã được giải quyết bằng cách kết hợp quá trình rèn ép với vỏ và quá trình rèn hai chiều. Các phôi rèn hình vòng lớn của vật liệu composite nhôm đã được sản xuất thử nghiệm thành công bằng phương pháp rèn khuôn chính xác đẳng nhiệt, với chất lượng định hình tuyệt vời và hình dạng, kích thước được tinh chỉnh đáng kể.
Định hình và Chế biến Vật liệu Composite Nhôm - Cán
Bằng cách mô phỏng sự phân bố ứng suất dư trong quá trình cán, có thể tối ưu hóa các thông số quá trình cán để giảm sự hình thành ứng suất dư, từ đó cải thiện chất lượng và độ chính xác của các sản phẩm cán. Trong quá trình cán, tồn tại một cơ chế phân mảnh pha cỡ nhỏ và chuyển pha, cũng như một cơ chế tinh chỉnh trong đó các pha cỡ lớn bị phá vỡ thành các pha cỡ nhỏ hơn.
Sau khi cán, vật liệu hình thành cấu trúc vi mô sợi với các hạt được sắp xếp theo hướng cán, dẫn đến cấu trúc hạt kéo dài. Cán có thể được chia thành cán nguội và cán nóng. Cán nguội làm tăng đáng kể độ bền và độ cứng do hiệu ứng làm cứng công, nhưng làm giảm độ dẻo. Cán nóng dẫn đến cấu trúc vi mô đồng đều hơn với ứng suất nội bộ thấp hơn, nhưng độ bền thấp hơn.
Bằng cách tối ưu hóa các thông số cán và quy trình cán, có thể chế tạo các hồ sơ phù hợp cho các ứng dụng ô tô hoặc hàng không vũ trụ.
III. Định hình và Chế biến Vật liệu Composite Nhôm - Hàn
Trên nền hợp kim nhôm A356, có thể chế tạo vật liệu composite có cấu trúc dốc bằng cách sử dụng lớp hàn của vật liệu composite SiCp/Al với hàm lượng khác nhau. Khu vực hàn không có khuyết tật, liên tục và không có vết nứt hay lỗ rỗng, với độ liên kết tốt tại giao diện cấu trúc dốc.
III. Định hình và Chế biến Vật liệu Composite Nhôm - Gia công Cơ
Vật liệu composite nhôm gia cố bằng hạt: Các thông số chính ảnh hưởng đến quá trình mài bao gồm tốc độ đá mài (vs), tốc độ bàn (vw), độ sâu mài (ap) và độ dày phôi chưa biến dạng tối đa (hmax).Trong đó, mài với tốc độ đá mài cao (vs) tạo ra vật liệu composite có chất lượng bề mặt cao hơn và các vùng lắng đọng dẻo hơn.
Giảm độ dày phôi chưa biến dạng (hmax) sẽ làm giảm số lượng hạt mài hiệu quả tham gia vào quá trình mài, do đó kiểm soát được kích thước lỗ trên bề mặt vật liệu composite và độ dày của lớp bị hư hỏng, điều này có lợi cho việc giảm sự hình thành các vết nứt và lỗ nhỏ bên dưới bề mặt.
Các thông số chính ảnh hưởng đến quá trình tiện bao gồm tốc độ trục chính (n), tốc độ tiến dao (f), bán kính mũi dao (r0), độ sâu cắt, v.v. Tốc độ trục chính và tốc độ tiến dao thấp có lợi cho việc giảm sự tập trung ứng suất trong vật liệu composite, giảm thiểu sự sụp đổ, bong ra và nứt vỡ của SiCp.
Vật liệu composite nhôm gia cố bằng sợi: Giai đoạn gia cố bao gồm các sợi có tỷ lệ chiều dài/chiều rộng lớn, thể hiện tính bất đối xứng, làm cho quá trình cắt trở nên phức tạp hơn.
Ứng dụng của vật liệu composite nhôm
IV. Ứng dụng của vật liệu composite nhôm - Quốc tế
Nó giới thiệu các ứng dụng quốc tế của vật liệu composite nhôm và chỉ ra rằng sự phát triển của vật liệu composite nhôm không liên tục ở nước ngoài được thúc đẩy bởi nhu cầu và đổi mới công nghệ, tích hợp chặt chẽ việc tối ưu hóa các quy trình chế tạo với các yêu cầu đa lĩnh vực.
Hàng không vũ trụ: Sự phát triển của vật liệu composite nhôm nhẹ, có độ bền cao và mô đun cao đã tạo điều kiện cho việc sản xuất máy bay và vệ tinh nhẹ, linh hoạt và có hiệu suất cao trong ngành hàng không vũ trụ hiện đại.
Vũ khí: Vật liệu composite nhôm gia cố không liên tục có các đặc tính như trọng lượng nhẹ, độ bền cao, khả năng chịu nhiệt và chịu va đập cao trong lĩnh vực vũ khí, nâng cao đáng kể tính cơ động của thiết bị, khả năng sống sót trên chiến trường và tuổi thọ.
3C Điện tử: Vật liệu composite nhôm, đặc biệt là vật liệu composite nhôm gia cố bằng SiC, phù hợp để sản xuất các lớp lót thiết bị điện tử, tản nhiệt và các linh kiện điện tử khác do có ưu điểm là hệ số giãn nở nhiệt thấp, mật độ thấp và độ dẫn nhiệt tốt.
Nhấp để xem báo cáo đặc biệt về Hội nghị và Triển lãm Công nghiệp Nhôm AICE 2025 SMM (lần thứ 20)
