Descripción general y aplicaciones de la aleación de aluminio.
La aleación de aluminio es un término general para las aleaciones a base de aluminio. Los principales elementos de aleación incluyen cobre, silicio, magnesio, zinc y manganeso, mientras que los elementos de aleación menores pueden incluir níquel, hierro, titanio, cromo, litio, entre otros.
La aleación de aluminio es la categoría más utilizada de materiales estructurales de metales no ferrosos en aplicaciones industriales. Se ha aplicado ampliamente en diversos campos como la aviación, el aeroespacial, la automoción, la fabricación de maquinaria, la construcción naval y la industria química.
La aleación de aluminio tiene baja densidad pero resistencia relativamente alta, acercándose o superando la del acero de alta calidad. Tiene buena plasticidad y se puede procesar en varios perfiles.
Además, tiene una excelente conductividad eléctrica, conductividad térmica y resistencia a la corrosión. Como resultado, la aleación de aluminio se usa ampliamente en la industria y ocupa el segundo lugar en uso después del acero.
La aleación de aluminio es muy común en nuestra vida diaria. Nuestras puertas, ventanas, camas, utensilios de cocina, cubiertos, bicicletas, coches y mucho más contienen aleaciones de aluminio.
Aleación de aluminio de ultra alta resistencia.
Introducción: La aleación de aluminio de alta resistencia tiene las características de peso ligero, alta resistencia, buen rendimiento de procesamiento y excelente rendimiento de soldadura. Es muy utilizado en sectores como la industria aeronáutica y la industria civil, especialmente en la industria aeronáutica donde ocupa una posición muy importante como uno de los principales materiales estructurales.
En las últimas décadas, académicos nacionales y extranjeros han llevado a cabo extensas investigaciones sobre el proceso de tratamiento térmico y el rendimiento de las aleaciones de aluminio de alta resistencia, han logrado avances significativos y han promovido en gran medida la aplicación generalizada de dichos materiales en diversos aspectos de la producción de la industria de la aviación.
La aleación de aluminio de ultra alta resistencia se compone principalmente de aleaciones AI-Cu-Mg y A1-Zn-Mg-Cu. El primero tiene una resistencia estática ligeramente menor que el segundo, pero tiene una temperatura de uso más alta. La aleación de la serie AI-Cu-Mg es la primera aleación de refuerzo tratada térmicamente desarrollada. El desarrollo de la industria aeronáutica impulsó la mejora de esta serie de aleaciones.
Las ligas 2014 y 2024 se desarrollaron en las décadas de 1920 y 1930 respectivamente, seguidas por el desarrollo de la liga 2618. El desarrollo de esta serie de ligas es más maduro y se han formulado más de diez clases. Estas aleaciones se han utilizado ampliamente como materiales de aviación y otros materiales.
La aplicación de aleación de aluminio de alta resistencia en conductores.
En la comunidad internacional se utilizan conductores de aleación de aluminio de alta resistencia del tipo aluminio-magnesio-silicio desde hace más de 70 años. Debido a sus ventajas y a la mejora continua de la tecnología de producción, se ha vuelto más práctico. En Europa, representada por Francia, se utiliza mucho en líneas de transmisión, representando la gran mayoría de la longitud total de las líneas.
Más del 50% de las líneas de transmisión en Japón utilizan aleaciones de aluminio. Estados Unidos y Canadá también tienen una gran proporción. Incluso los países en desarrollo del sudeste asiático, como India, Indonesia y Filipinas, también utilizan aleaciones de aluminio para líneas conductoras de transmisión.
Tendencia de desarrollo de aleaciones de aluminio de ultra alta resistencia.
La aleación de aluminio de ultra alta resistencia es un importante material estructural liviano y de alta resistencia con amplias perspectivas de aplicación. Actualmente es necesario trabajar en los siguientes aspectos:
1. La microaleación compuesta es una dirección importante para el endurecimiento de aleaciones de aluminio, y la investigación y el desarrollo deben llevarse a cabo de manera profunda y sistemática;
2. Mejorar la tecnología tradicional de preparación de metalurgia de lingotes y desarrollar procesos avanzados de preparación de formación por aspersión para obtener una estructura de lingote de alta calidad, etc.
La aleación de aluminio de resistencia ultraalta se está desarrollando hacia una alta resistencia específica, un alto módulo específico, una alta tolerancia al daño y una alta resistencia a la corrosión. La fundición por purificación y la tecnología avanzada de producción de palanquillas son requisitos previos para el desarrollo, y la teoría del endurecimiento es la base.
Basado en la teoría del refuerzo existente, en primer lugar, combinando la teoría de la micromecánica con la teoría de los defectos de los microcristales para mejorar el nivel de diseño de optimización de la composición de la aleación;
En segundo lugar, desarrollar una teoría integral de tenacidad multinivel y multifase, utilizando microaleaciones para explorar el potencial de las aleaciones, mejorar el rendimiento de las aleaciones y desarrollar nuevos tipos de aleaciones de aluminio;
En tercer lugar, controlar con precisión la microestructura de las aleaciones para formar una teoría de control precisa de la estructura y el rendimiento, y desarrollar aleaciones de aluminio de resistencia ultraalta con un mejor rendimiento integral.
La tendencia de desarrollo de la aleación de aluminio de alta resistencia.
La aleación de aluminio de alta resistencia es un importante material estructural liviano y de alta resistencia con amplias perspectivas de aplicación. La aplicación del aluminio y las aleaciones de aluminio se ve desafiada por el titanio y las aleaciones de titanio y los materiales compuestos, pero su posición como principal material estructural permanece básicamente sin cambios.
Actualmente, la tendencia de desarrollo de las aleaciones de aluminio de alta resistencia se centra en los siguientes aspectos:
(1) Microaleaciones compuestas, añadiendo elementos de transición y elementos de tierras raras, para desarrollar varias aleaciones de aluminio nuevas de alta resistencia que satisfagan diferentes necesidades.
(2) Mejorar la tecnología tradicional de preparación de la metalurgia de lingotes mediante el uso e investigación de varios métodos avanzados de purificación y modificación de piezas de fundición para mejorar la calidad metalúrgica de los lingotes.
(3) Estudio en profundidad del proceso de tratamiento térmico de aleaciones en alto estado de soluto, estudiando el mecanismo de fortalecimiento de la precipitación del tratamiento de solución sólida de aleación y la precipitación de envejecimiento multinivel y multifase en diferentes condiciones, mejorando la solubilidad sobresaturada de la aleación de matriz de aleación, aumentando la fracción en volumen de las fases precipitadas y optimizando la combinación de MPt, GBP y PEZ para obtener alta resistencia, alta tenacidad y buena resistencia a la corrosión de la aleación.
Aleaciones de aluminio resistentes al calor.
Aplicación y problemas existentes de aleaciones de aluminio resistentes al calor de solidificación rápida.
El objetivo final del desarrollo de aleaciones de aluminio resistentes al calor y de rápida solidificación es reemplazar las aleaciones de titanio en las piezas de aviones. En los últimos años, los resultados de la investigación han demostrado que se han logrado avances significativos en esta área, y algunas propiedades de las aleaciones de aluminio resistentes al calor que se solidifican rápidamente ya son comparables o incluso mejores que ciertas aleaciones de titanio.
Las aleaciones de aluminio resistentes al calor, de solidificación rápida, se han utilizado con éxito para fabricar álabes y paletas de compresores, turbinas, disipadores de calor y otros componentes en motores de turbina de gas. También se pueden utilizar para producir determinadas piezas de cohetes y naves espaciales.
Cuando se utilizan aleaciones de aluminio resistentes al calor solidificadas rápidamente para fabricar componentes de aeronaves, el costo es generalmente sólo del 30% al 50% del costo de las aleaciones de titanio, mientras que el peso de la aeronave se puede reducir en aproximadamente un 15%. Si se mejora su resistencia al calor, se ampliará la gama de aplicaciones.
Direcciones de investigación para aleaciones de aluminio resistentes al calor en el futuro
Las futuras direcciones de investigación para aleaciones de aluminio resistentes al calor de rápida solidificación se centrarán principalmente en los siguientes aspectos:
Desarrollo de nuevos procesos de solidificación rápidos y de bajo coste. En comparación con el proceso RS/PM, el proceso de solidificación rápida por deposición por pulverización simplifica el proceso de producción, evita el problema de oxidación de la interfaz de las partículas de polvo originales y puede mejorar la tenacidad de la aleación al tiempo que reduce los costos de producción.
Por lo tanto, el proceso de solidificación rápida de la deposición por pulverización debe mejorarse para una aplicación práctica.
Se realizarán más investigaciones sobre el mecanismo de resistencia al calor de la aleación, incluido el papel de la matriz sobresaturada durante el proceso de calentamiento.
Estudiar las causas de la fragilización térmica de la aleación y encontrar soluciones para mejorar aún más su tenacidad.
Materiales compuestos a base de aluminio.
Los materiales compuestos son materiales con una gran vitalidad que surgieron para satisfacer las necesidades del desarrollo científico moderno. Están compuestos por dos o más materiales con diferentes propiedades, combinados por diferentes medios tecnológicos.
Los materiales compuestos se pueden dividir en tres categorías: compuestos a base de polímeros (PMC), compuestos a base de metal (MMC) y compuestos a base de cerámica (CMC).
La matriz de los composites de base metálica es principalmente aluminio, níquel, magnesio, titanio, etc. El aluminio tiene muchas características en la fabricación de materiales compuestos, como peso ligero, pequeña densidad, buena plasticidad, tecnología compuesta fácil de dominar y fácil procesamiento.
Además, los compuestos a base de aluminio tienen alta resistencia específica y rigidez específica, buen rendimiento a altas temperaturas, mejor resistencia a la fatiga y al desgaste, excelente rendimiento de amortiguación y bajo coeficiente de expansión térmica.
Al igual que otros materiales compuestos, puede combinar propiedades físicas y mecánicas específicas para satisfacer las necesidades de los productos. Por lo tanto, los compuestos a base de aluminio se han convertido en uno de los materiales más utilizados e importantes entre los compuestos a base de metal.
Principales tipos y descripción general de aplicaciones.
Según los diferentes tipos de refuerzo, los compuestos a base de aluminio se pueden dividir en compuestos a base de aluminio reforzados con fibras y compuestos a base de aluminio reforzados con partículas.
Los compuestos a base de aluminio reforzados con fibra tienen una serie de propiedades excelentes, como alta resistencia específica, alto módulo específico, buena estabilidad dimensional, etc., pero son caros.
Actualmente se utilizan principalmente en el ámbito aeroespacial como materiales estructurales de naves espaciales, satélites artificiales, estaciones espaciales, etc. Los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas se pueden utilizar para fabricar materiales estructurales para satélites y aeroespaciales, componentes de aeronaves, sistemas ópticos de espejos metálicos y componentes de automóviles;
Además, también se pueden utilizar para fabricar componentes de circuitos de microondas, piezas de precisión para sistemas de navegación inercial, propulsores de turbocompresores, dispositivos de embalaje electrónico, etc.
Los componentes básicos de los composites a base de aluminio son:
El aluminio y sus aleaciones son adecuados como matrices para compuestos de matriz metálica. El refuerzo de los compuestos a base de aluminio puede estar formado por fibras continuas, fibras cortas o partículas que varían desde formas esféricas hasta irregulares.
En la actualidad, los materiales de refuerzo de partículas para compuestos a base de aluminio incluyen SiC, AL2O3, BN, etc. También se han utilizado como partículas de refuerzo compuestos intermetálicos como Ni-Al, Fe-Al y Ti-Al.
Rendimiento de materiales compuestos a base de aluminio.
1. Baja densidad.
2. Buena estabilidad dimensional.
Resistencia, módulo y plasticidad. La adición de refuerzos en materiales compuestos a base de aluminio aumenta su resistencia y módulo, al tiempo que disminuye su plasticidad.
4. Resistencia al desgaste.
La alta resistencia al desgaste es una de las características de los materiales compuestos a base de aluminio (reforzados con SiC o Al2O3).
5. Tenacidad a la fatiga y a la fractura.
La resistencia a la fatiga de los materiales compuestos a base de aluminio es generalmente mayor que la del metal base, mientras que la tenacidad a la fractura disminuye. Los principales factores que afectan el comportamiento a fatiga y fractura de los materiales compuestos a base de aluminio son el estado de unión de la interfaz entre el refuerzo y la matriz, las propiedades de la matriz y el refuerzo mismo, y la distribución del refuerzo en la matriz.
6. Rendimiento térmico.
El desajuste de expansión térmica entre el refuerzo y la matriz es difícil de evitar en cualquier material compuesto.
Para reducir eficazmente el coeficiente de expansión térmica de los materiales compuestos y mantenerlos combinados térmicamente con materiales semiconductores o sustratos cerámicos, a menudo se utilizan aleaciones de baja expansión como matrices y se preparan materiales compuestos con fracciones de alto volumen de partículas de diferentes tamaños.
Tabla 1 Rendimiento de materiales de refuerzo comunes
| Nombre de la fibra o partícula | Densidad | Resistencia a la tracción | modulos elasticos |
| ρ (g·cm-1) | σb/GPa | E/GPa | |
| Fibra de vidrio (alto módulo) | 2.5-2.6 | 3.8-4.6 | 93-108 |
| Fibra de carbono (alto módulo) | 1,75-1,95 | 2.3~2.9 | 275-304 |
| fibra de boro | 2.5 | 2.8-3.1 | 383-392 |
| fibra de aramida | 1,43-1,46 | 5 | 134 |
| Fibra Al2O3 | 3.97 | 2.1 | 167 |
| Fibra SLC | 3.18 | 3.4 | 412 |
| Bigotes SLC | 3.19 | 3-14 | 490 |
| Partículas de Al2O3 | 3.95 | 0,76 (σtc) | 400 |
| Aleación de matriz | sicp (fracción de volumen) /% |
Y /GPa |
s 0, 2 /MPa |
σb /MPa |
δ /% |
| 6061 | 0 15 20 25 30 40 |
68 96 103 113 120 144 |
275 400 413 427 434 448 |
310 455 496 517 551 586 |
12 7.5 5.5 4.5 3.0 2.0 |
| 2124 | 0 20 25 30 40 |
71 103 113 120 151 |
420 400 413 441 517 |
455 551 565 593 689 |
9 7.0 5.6 4.5 1.1 |
Aplicaciones de materiales compuestos a base de aluminio.
(1) Aplicaciones de Materiales Compuestos a Base de Aluminio en la Industria Automotriz.
La investigación sobre la aplicación de materiales compuestos a base de aluminio en la industria del automóvil comenzó antes. En la década de 1980, Toyota preparó con éxito pistones de motor utilizando materiales compuestos.
En los Estados Unidos, se desarrollaron materiales compuestos a base de aluminio reforzados con partículas para fabricar discos de freno de automóviles, que redujeron el peso, mejoraron la resistencia al desgaste, redujeron significativamente el ruido y tuvieron una rápida disipación del calor por fricción.
La empresa también ha utilizado materiales compuestos a base de aluminio reforzados con partículas para fabricar componentes de automoción, como pistones de motor y cajas de cambios.
La caja de cambios hecha de materiales compuestos tiene mejoras significativas en resistencia y resistencia al desgaste en comparación con la caja de cambios de aleación de aluminio. Los compuestos de aleación de aluminio también se pueden utilizar para fabricar rotores de freno, pistones de freno, pastillas de freno, pinzas y otros componentes del sistema de frenos.
Los materiales compuestos a base de aluminio también se pueden utilizar para fabricar piezas de automóviles, como ejes de transmisión y balancines.
(2) Aplicaciones de materiales compuestos a base de aluminio en la industria aeroespacial
El desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas ha impuesto exigencias cada vez mayores al rendimiento de los materiales, especialmente en el ámbito aeroespacial, donde es necesario fabricar aviones y satélites ligeros, flexibles y de alto rendimiento. Los materiales compuestos a base de aluminio pueden cumplir estos requisitos.
Al utilizar el proceso de fundición a la cera perdida para desarrollar materiales compuestos, el material puede reemplazar la aleación de titanio en la fabricación de monturas de lentes de cámaras pesadas y de gran diámetro para aviones, reduciendo significativamente su costo y peso y mejorando al mismo tiempo la conductividad térmica.
Al mismo tiempo, este material compuesto también se puede utilizar para fabricar soportes para ruedas de reacción de satélites y estructuras direccionales.
(3) Aplicaciones en electrónica e instrumentos ópticos.
Los materiales compuestos a base de aluminio, especialmente los materiales compuestos a base de aluminio reforzado, son adecuados para fabricar materiales de carcasa de equipos electrónicos, disipadores de calor y otros componentes electrónicos debido a sus ventajas de bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y buena conductividad térmica.
El coeficiente de expansión térmica de los materiales compuestos a base de aluminio reforzados con partículas puede igualar completamente al de los materiales de dispositivos electrónicos y también tienen una excelente conductividad eléctrica y térmica. En términos de investigación sobre la aplicación de instrumentos de precisión e instrumentos ópticos, los materiales compuestos a base de aluminio se utilizan para fabricar componentes como la estructura de soporte y el espejo secundario de los telescopios.
Además, los materiales compuestos a base de aluminio también se pueden utilizar para fabricar piezas de precisión para sistemas de navegación inercial, espejos de escaneo giratorios, espejos de observación infrarrojos, espejos láser, giroscopios láser, reflectores, bases de espejos y soportes de montaje para muchos instrumentos ópticos y de precisión. instrumentos. instrumentos.
(4) Aplicación en equipamiento deportivo.
Los compuestos a base de aluminio se pueden utilizar para fabricar raquetas de tenis, cañas de pescar, palos de golf y esquís como sustitutos de la madera y los materiales metálicos. Las cadenas de bicicleta fabricadas con compuestos a base de aluminio reforzados con partículas son livianas, rígidas y no se doblan ni deforman fácilmente, con un mejor rendimiento que las cadenas de aleación de aluminio.
Compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio.
El material compuesto a base de aluminio más prometedor son los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio.
Los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas de carburo de silicio son ampliamente reconocidos como uno de los tipos más competitivos de materiales compuestos de matriz metálica.
Aunque sus propiedades mecánicas, especialmente su resistencia, no son comparables a las de los compuestos de fibra continua, tiene importantes ventajas económicas y es más fácil de preparar con métodos de preparación más flexibles y diversos. También se puede procesar secundariamente utilizando equipos metalúrgicos tradicionales, lo que facilita la producción en masa.
En la década de 1990, después del fin de la Guerra Fría, debido a la reducción de la inversión en la industria de defensa por parte de varios países, incluso los campos de alta tecnología como el aeroespacial encontraron cada vez más difícil aceptar el alto costo de los productos de aluminio reforzado con fibra. base. composicion.
Por lo tanto, los compuestos a base de aluminio reforzados con partículas han vuelto a recibir una amplia atención. Especialmente en los últimos años, como componente clave de soporte de carga, finalmente ha encontrado su camino hacia los aviones avanzados y sus perspectivas de aplicación son cada vez más optimistas, lo que ha llevado a un resurgimiento del trabajo de investigación y desarrollo.
Tendencias y direcciones de desarrollo.
Actualmente, el principal problema al que se enfrentan los compuestos a base de aluminio son los altos costes de fabricación, especialmente para los compuestos a base de aluminio reforzados con fibra.
Con más investigaciones sobre la teoría de unión entre refuerzo y matriz, así como con el desarrollo continuo de refuerzos y procesos de preparación de bajo costo, junto con el reciclaje de materiales de desecho, los compuestos a base de aluminio mantendrán un rendimiento excelente y al mismo tiempo serán más económicos. eficaz, ampliando cada vez más sus campos de aplicación.
Las perspectivas de desarrollo de las aleaciones de aluminio.
Las direcciones de desarrollo de las aleaciones de aluminio son:
- Aleaciones compuestas de aluminio para intercambiadores de calor.
- Aleaciones de aluminio de tierras raras.
Agregar elementos de tierras raras apropiados a las aleaciones de aluminio puede tener un efecto de refinamiento, que incluye:
Las tierras raras tienen un efecto refinador sobre las aleaciones de aluminio.
Las tierras raras tienen un efecto modificador sobre las aleaciones de aluminio y silicio.
Las aleaciones de aluminio de tierras raras son un material ideal para sustituir el cobre en la fabricación de alambres y cables. Los lingotes de aluminio producidos por fundiciones chinas tienen un alto contenido de silicio debido a la influencia de los recursos naturales, siendo el silicio la principal impureza nociva que afecta la conductividad.
En el pasado, la conductividad eléctrica de los alambres de aluminio producidos en China a menudo no cumplía con los estándares de la Comisión Electrotécnica Internacional, lo que se ha convertido en un problema de larga data para la industria del alambre de aluminio.
Los científicos chinos resolvieron este problema con la ayuda de tierras raras. Fueron los primeros en el mundo en utilizar trazas de tierras raras para tratar el aluminio líquido, lo que le permitió formar compuestos de silicio con precipitación de silicio en los límites de los granos.
Además, el efecto de microenlaces de las tierras raras supera los efectos nocivos del silicio, mejorando significativamente la conductividad. Las tierras raras también pueden refinar los granos y fortalecer la matriz, mejorando la resistencia mecánica y el rendimiento del procesamiento de alambres y cables.
Como resultado, la conductividad eléctrica de los alambres y cables de aluminio fabricados en China no sólo es ligeramente superior a los estándares de la Comisión Electrotécnica Internacional, sino que la resistencia mecánica también ha aumentado en un 20%, la resistencia a la corrosión se ha duplicado y la resistencia al desgaste. ha aumentado. unas 10 veces.
Esto cambió por completo el atraso de la producción china de alambres y cables de aluminio, elevando los productos al nivel avanzado internacional.
Conclusión
De hecho, nuestro grupo consideró muy significativo y necesario el informe de investigación sobre aleaciones de aluminio organizado por la facultad.
A través del autoestudio, obtuvimos algunos conocimientos que no teníamos antes al realizar el informe del proyecto.
Primero, aprendemos el método de autoaprendizaje que nos acompañará en la sociedad;
segundo, aprendemos cómo recopilar y organizar información;
tercero, aprendimos qué es el trabajo en equipo y comprendimos la importancia de la unidad y la cooperación. Antes no entendíamos mucho esto, pero a través de estas actividades de aprendizaje, ahora lo sabemos mejor.
Al principio no sabía qué era la aleación de aluminio. Solo sabía que se usaba en muchos lugares de la vida, pero desconocía sus propiedades y clasificación. Ahora lo sé y lo aprendí a través del autoestudio en el informe del proyecto.
