Visão geral e aplicações da liga de alumínio.

Liga de alumínio é um termo geral para ligas à base de alumínio. Os principais elementos de liga incluem cobre, silício, magnésio, zinco e manganês, enquanto os elementos de liga menores podem incluir níquel, ferro, titânio, cromo, lítio, entre outros.

A liga de alumínio é a categoria mais amplamente utilizada de materiais estruturais de metais não ferrosos em aplicações industriais. Tem sido amplamente aplicado em vários campos, como aviação, aeroespacial, automotivo, fabricação de máquinas, construção naval e indústria química.

A liga de alumínio tem baixa densidade, mas resistência relativamente alta, aproximando-se ou excedendo a do aço de alta qualidade. Possui boa plasticidade e pode ser processado em diversos perfis.

Além disso, possui excelente condutividade elétrica, condutividade térmica e resistência à corrosão. Como resultado, a liga de alumínio é amplamente utilizada na indústria e seu uso perde apenas para o aço.

A liga de alumínio é muito comum em nosso dia a dia. Nossas portas, janelas, camas, utensílios de cozinha, talheres, bicicletas, carros e muito mais contêm liga de alumínio.

Liga de alumínio de ultra-alta resistência.

Introdução: A liga de alumínio de alta resistência tem características de peso leve, alta resistência, bom desempenho de processamento e excelente desempenho de soldagem. É amplamente utilizado em áreas como a indústria aeronáutica e a indústria civil, especialmente na indústria aeronáutica onde ocupa uma posição muito importante como um dos principais materiais estruturais.

Nas últimas décadas, estudiosos nacionais e estrangeiros conduziram extensas pesquisas sobre o processo de tratamento térmico e o desempenho de ligas de alumínio de alta resistência, fizeram progressos significativos e promoveram enormemente a aplicação generalizada de tais materiais em vários aspectos da produção da indústria da aviação.

A liga de alumínio de ultra-alta resistência é composta principalmente de ligas AI-Cu-Mg e A1-Zn-Mg-Cu. O primeiro tem uma resistência estática ligeiramente menor que o último, mas tem uma temperatura de uso mais elevada. A liga da série AI-Cu-Mg é a primeira liga de reforço tratada termicamente desenvolvida. O desenvolvimento da indústria aeronáutica promoveu o aprimoramento desta série de ligas.

As ligas 2014 e 2024 foram desenvolvidas nas décadas de 1920 e 1930, respectivamente, seguidas pelo desenvolvimento da liga 2618. O desenvolvimento desta série de ligas está mais maduro e mais de dez classes foram formuladas. Essas ligas têm sido amplamente utilizadas como materiais de aviação e outros materiais.

A aplicação de liga de alumínio de alta resistência em condutores

Na comunidade internacional, condutores de liga de alumínio de alta resistência do tipo alumínio-magnésio-silício são usados ​​há mais de 70 anos. Pelas suas vantagens e melhoria contínua na tecnologia de produção, tornou-se mais prático. Na Europa, representada pela França, é amplamente utilizado em linhas de transmissão, representando a grande maioria da extensão total das linhas.

Mais de 50% das linhas de transmissão no Japão utilizam liga de alumínio. Os Estados Unidos e o Canadá também têm uma grande proporção. Mesmo os países em desenvolvimento do Sudeste Asiático, como Índia, Indonésia e Filipinas, também usam ligas de alumínio para linhas de transmissão de condutores.

Tendência de desenvolvimento de liga de alumínio de ultra-alta resistência

A liga de alumínio de ultra-alta resistência é um importante material estrutural leve e de alta resistência com amplas perspectivas de aplicação. Atualmente, os seguintes aspectos precisam ser trabalhados:

1. A microliga composta é uma direção importante para o endurecimento de ligas de alumínio, e a pesquisa e o desenvolvimento devem ser realizados de forma profunda e sistemática;

2. Melhorar a tecnologia tradicional de preparação de metalurgia de lingotes e desenvolver processos avançados de preparação de formação de spray para obter estrutura de lingotes de alta qualidade e assim por diante.

A liga de alumínio de ultra-alta resistência está se desenvolvendo em direção a alta resistência específica, alto módulo específico, alta tolerância a danos e resistência à corrosão. A fundição de purificação e a tecnologia avançada de produção de tarugos são pré-requisitos para o desenvolvimento, e a teoria do endurecimento é a base.

Com base na teoria de reforço existente, em primeiro lugar, combinando a teoria da micromecânica com a teoria dos defeitos microcristais para melhorar o nível de projeto de otimização da composição da liga;

Em segundo lugar, desenvolver uma teoria abrangente de tenacidade multinível e multifásica, usando microligas para explorar o potencial das ligas, melhorar o desempenho da liga e desenvolver novos tipos de ligas de alumínio;

Em terceiro lugar, controlar com precisão a microestrutura das ligas para formar uma teoria de controle precisa de estrutura e desempenho e desenvolver ligas de alumínio de ultra-alta resistência com melhor desempenho abrangente.

A tendência de desenvolvimento de liga de alumínio de alta resistência.

A liga de alumínio de alta resistência é um importante material estrutural leve e de alta resistência com amplas perspectivas de aplicação. A aplicação de alumínio e ligas de alumínio é desafiada pelo titânio e ligas de titânio e materiais compósitos, mas a sua posição como principal material estrutural permanece basicamente inalterada.

Atualmente, a tendência de desenvolvimento de ligas de alumínio de alta resistência se dá nos seguintes aspectos:

(1) Microligas compostas, adicionando elementos de transição e elementos de terras raras, para desenvolver várias novas ligas de alumínio de alta resistência que atendem a diferentes necessidades.

(2) Melhorar a tecnologia tradicional de preparação de metalurgia de lingotes, usando e pesquisando vários métodos avançados de purificação e modificação de fundido para melhorar a qualidade metalúrgica dos lingotes.

(3) Estudo aprofundado do processo de tratamento térmico de ligas em alto estado de soluto, estudando o mecanismo de fortalecimento da precipitação do tratamento com solução sólida de liga e precipitação de envelhecimento multinível e multifásico sob diferentes condições, melhorando a solubilidade supersaturada do matriz de liga, aumentando a fração volumétrica das fases precipitadas e otimizando a combinação de MPt, GBP e PEZ para obter alta resistência, alta tenacidade e boa resistência à corrosão da liga.

Ligas de alumínio resistentes ao calor

Aplicação e problemas existentes de ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas

O objetivo final do desenvolvimento de ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas é substituir as ligas de titânio em peças de aeronaves. Nos últimos anos, os resultados da investigação mostraram que foram feitos progressos significativos nesta área, e algumas propriedades de ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas já são comparáveis ​​ou até melhores do que certas ligas de titânio.

Ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas têm sido usadas com sucesso para fabricar pás e palhetas de compressores, turbinas, dissipadores de calor e outros componentes em motores de turbinas a gás. Eles também podem ser usados ​​para produzir certas peças para foguetes e naves espaciais.

Quando ligas de alumínio resistentes ao calor rapidamente solidificadas são usadas para fabricar componentes de aeronaves, o custo geralmente é de apenas 30% a 50% do custo das ligas de titânio, enquanto o peso da aeronave pode ser reduzido em cerca de 15%. Se a sua resistência ao calor for melhorada, a gama de aplicações será ampliada.

Direções de pesquisa para ligas de alumínio resistentes ao calor no futuro

As futuras direções de pesquisa para ligas de alumínio resistentes ao calor de solidificação rápida se concentrarão principalmente nos seguintes aspectos:

Desenvolvimento de novos processos de solidificação rápida e de baixo custo. Comparado com o processo RS/PM, o processo de solidificação rápida de deposição por spray simplifica o processo de produção, evita o problema de oxidação da interface das partículas de pó originais e pode melhorar a tenacidade da liga enquanto reduz os custos de produção.

Portanto, o processo de solidificação rápida da deposição por pulverização deve ser melhorado para aplicação prática.

Mais pesquisas sobre o mecanismo de resistência ao calor da liga, incluindo o papel da matriz supersaturada durante o processo de aquecimento.

Estudar as causas da fragilização térmica na liga e encontrar soluções para melhorar ainda mais sua tenacidade.

Materiais compósitos à base de alumínio.

Os materiais compósitos são materiais com forte vitalidade surgidos para atender às necessidades do desenvolvimento científico moderno. São compostos por dois ou mais materiais com propriedades diferentes, combinados por diversos meios tecnológicos.

Os materiais compósitos podem ser divididos em três categorias: compósitos à base de polímeros (PMCs), compósitos à base de metais (MMCs) e compósitos à base de cerâmica (CMCs).

A matriz dos compósitos à base de metal é principalmente alumínio, níquel, magnésio, titânio, etc. O alumínio tem muitas características na fabricação de materiais compósitos, como peso leve, pequena densidade, boa plasticidade, tecnologia composta fácil de dominar e fácil processamento .

Além disso, os compósitos à base de alumínio têm alta resistência específica e rigidez específica, bom desempenho em altas temperaturas, melhor resistência à fadiga e ao desgaste, excelente desempenho de amortecimento e baixo coeficiente de expansão térmica.

Como outros materiais compósitos, pode combinar propriedades mecânicas e físicas específicas para atender às necessidades dos produtos. Portanto, os compósitos à base de alumínio tornaram-se um dos materiais mais utilizados e importantes entre os compósitos à base de metal.

Principais tipos e visão geral do aplicativo.

De acordo com os diferentes tipos de reforço, os compósitos à base de alumínio podem ser divididos em compósitos à base de alumínio reforçados com fibras e compósitos à base de alumínio reforçados com partículas.

Os compósitos à base de alumínio reforçados com fibra têm uma série de excelentes propriedades, como alta resistência específica, alto módulo específico, boa estabilidade dimensional, etc., mas são caros.

Atualmente, eles são usados ​​​​principalmente no campo aeroespacial como materiais estruturais para naves espaciais, satélites artificiais, estações espaciais, etc. Compósitos à base de alumínio reforçados com partículas podem ser usados ​​​​para fabricar materiais estruturais para satélites e aeroespaciais, componentes de aeronaves, sistemas ópticos de espelhos metálicos , componentes automotivos;

Além disso, eles também podem ser usados ​​para fabricar componentes de circuitos de micro-ondas, peças de precisão para sistemas de navegação inercial, propulsores de turboalimentadores, dispositivos de embalagem eletrônica, etc.

Os componentes básicos dos compósitos à base de alumínio são:

O alumínio e suas ligas são adequados como matrizes para compósitos com matriz metálica. O reforço de compósitos à base de alumínio pode ser feito de fibras contínuas, fibras curtas ou partículas que variam de formatos esféricos a irregulares.

Atualmente, os materiais de reforço de partículas para compósitos à base de alumínio incluem SiC, AL2O3, BN e assim por diante. Compostos intermetálicos como Ni-Al, Fe-Al e Ti-Al também têm sido utilizados como partículas de reforço.

Desempenho de Materiais Compósitos à Base de Alumínio.

1. Baixa densidade.

2. Boa estabilidade dimensional.

Resistência, módulo e plasticidade. A adição de reforços em materiais compósitos à base de alumínio aumenta a sua resistência e módulo, ao mesmo tempo que diminui a sua plasticidade.

4. Resistência ao desgaste.

A alta resistência ao desgaste é uma das características dos materiais compósitos à base de alumínio (reforçados com SiC ou Al2O3).

5. Fadiga e tenacidade à fratura.

A resistência à fadiga dos materiais compósitos à base de alumínio é geralmente superior à do metal base, enquanto a tenacidade à fratura diminui. Os principais fatores que afetam o desempenho à fadiga e à fratura de materiais compósitos à base de alumínio são o estado de ligação da interface entre o reforço e a matriz, as propriedades da matriz e do próprio reforço, e a distribuição do reforço na matriz.

6. Desempenho térmico.

A incompatibilidade de expansão térmica entre o reforço e a matriz é difícil de evitar em qualquer material compósito.

A fim de reduzir efetivamente o coeficiente de expansão térmica de materiais compósitos e mantê-los termicamente combinados com materiais semicondutores ou substratos cerâmicos, ligas de baixa expansão são frequentemente usadas como matrizes e materiais compósitos com altas frações volumétricas de partículas de diferentes tamanhos são preparados.

Tabela 1 Desempenho de Materiais de Reforço Comuns

Nome da fibra ou partícula	Densidade	Resistência à tracção	Módulo elástico
	ρ (g·cm-1)	σb/GPa	E/GPa
Fibra de vidro (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
Bigodes SLC	3.19	3-14	490
Partículas de Al2O3	3,95	0,76 (σtc)	400

Liga de matriz	SiCp (fração de volume) /%	E /GPa	σ0. 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

Aplicações de Materiais Compósitos à Base de Alumínio.

(1) Aplicações de Materiais Compósitos à Base de Alumínio na Indústria Automotiva.

A pesquisa sobre a aplicação de materiais compósitos à base de alumínio na indústria automotiva começou mais cedo. Na década de 1980, a Toyota preparou com sucesso pistões de motor usando materiais compósitos.

Nos Estados Unidos, materiais compósitos à base de alumínio reforçados com partículas foram desenvolvidos para fabricar discos de freio automotivos, que reduziram o peso, melhoraram a resistência ao desgaste, reduziram significativamente o ruído e tiveram rápida dissipação de calor por fricção.

A empresa também utilizou materiais compósitos à base de alumínio reforçados com partículas para fabricar componentes automotivos, como pistões de motores e caixas de câmbio.

A caixa de engrenagens feita de materiais compósitos apresenta melhorias significativas em resistência e resistência ao desgaste em comparação com a caixa de engrenagens de liga de alumínio. Os compósitos de liga de alumínio também podem ser usados ​​para fabricar rotores de freio, pistões de freio, pastilhas de freio, pinças e outros componentes do sistema de freio.

Materiais compósitos à base de alumínio também podem ser usados ​​para fabricar peças automotivas, como eixos de transmissão e balancins.

(2) Aplicações de materiais compósitos à base de alumínio na indústria aeroespacial

O desenvolvimento da ciência e da tecnologia modernas impôs requisitos cada vez mais elevados para o desempenho dos materiais, especialmente no campo aeroespacial, onde é necessário fabricar aeronaves e satélites leves, flexíveis e de alto desempenho. Materiais compósitos à base de alumínio podem atender a esses requisitos.

Ao usar o processo de microfusão para desenvolver materiais compósitos, o material pode substituir a liga de titânio na fabricação de suportes de lentes de câmeras de grande diâmetro e peso pesado para aviões, reduzindo significativamente seu custo e peso e, ao mesmo tempo, melhorando a condutividade térmica.

Ao mesmo tempo, este material compósito também pode ser utilizado para fabricar suportes de suporte para rodas de reação satélite e estruturas direcionais.

(3) Aplicações em eletrônica e instrumentos ópticos

Materiais compósitos à base de alumínio, especialmente materiais compósitos à base de alumínio reforçados, são adequados para a fabricação de materiais de revestimento de equipamentos eletrônicos, dissipadores de calor e outros componentes eletrônicos devido às suas vantagens de baixo coeficiente de expansão térmica, baixa densidade e boa condutividade térmica.

O coeficiente de expansão térmica dos materiais compósitos à base de alumínio reforçados com partículas pode corresponder completamente ao dos materiais dos dispositivos eletrônicos e também possuem excelente condutividade elétrica e térmica. Em termos de pesquisas sobre aplicação de instrumentos de precisão e instrumentos ópticos, materiais compósitos à base de alumínio são utilizados para fabricar componentes como estrutura de suporte e espelho secundário de telescópios.

Além disso, materiais compósitos à base de alumínio também podem ser usados ​​para fabricar peças de precisão para sistemas de navegação inercial, espelhos rotativos de varredura, espelhos de observação infravermelhos, espelhos laser, giroscópios laser, refletores, bases de espelhos e suportes de instrumentos ópticos para muitos instrumentos de precisão e ópticos. instrumentos.

(4) Aplicação em equipamentos esportivos.

Compostos à base de alumínio podem ser usados ​​para fazer raquetes de tênis, varas de pesca, tacos de golfe e esquis como substitutos de madeira e materiais metálicos. As correntes de bicicleta feitas com compósitos à base de alumínio reforçados com partículas são leves, rígidas e não dobram ou deformam facilmente, com melhor desempenho do que as correntes de liga de alumínio.

Compósitos à base de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício.

O material compósito à base de alumínio mais promissor são os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício.

Os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício são amplamente reconhecidos como um dos tipos mais competitivos de materiais compósitos com matriz metálica.

Embora suas propriedades mecânicas, especialmente resistência, não sejam comparáveis ​​às dos compósitos de fibra contínua, apresenta vantagens significativas de custo e é mais fácil de preparar com métodos de preparação mais flexíveis e diversificados. Também pode ser processado secundariamente usando equipamentos metalúrgicos tradicionais, facilitando a produção em massa.

Na década de 1990, após o fim da Guerra Fria, devido à redução do investimento na indústria de defesa por parte de vários países, mesmo os campos de alta tecnologia, como o aeroespacial, tiveram cada vez mais dificuldade em aceitar o elevado custo dos produtos à base de alumínio reforçados com fibra. compósitos.

Portanto, os compósitos à base de alumínio reforçados com partículas receberam mais uma vez ampla atenção. Especialmente nos últimos anos, como componente chave de suporte de carga, finalmente encontrou o seu caminho para aeronaves avançadas, e as suas perspectivas de aplicação estão a tornar-se mais optimistas, o que levou a um ressurgimento do trabalho de investigação e desenvolvimento.

Tendências e direções de desenvolvimento

Atualmente, o principal problema enfrentado pelos compósitos à base de alumínio são os elevados custos de fabricação, especialmente para os compósitos à base de alumínio reforçados com fibras.

Com mais pesquisas sobre a teoria da ligação entre o reforço e a matriz, bem como o desenvolvimento contínuo de reforços e processos de preparação de baixo custo, juntamente com a reciclagem de materiais residuais, os compósitos à base de alumínio manterão um excelente desempenho e ao mesmo tempo se tornarão mais econômicos. eficaz, tornando seus campos de aplicação cada vez mais amplos.

As perspectivas de desenvolvimento de ligas de alumínio

As direções de desenvolvimento das ligas de alumínio são:

• Ligas compostas de alumínio para trocadores de calor.
• Ligas de alumínio de terras raras.

A adição de elementos de terras raras apropriados às ligas de alumínio pode ter um efeito de refinamento, incluindo:

As terras raras têm um efeito refinador nas ligas de alumínio.

As terras raras têm um efeito modificador nas ligas de alumínio-silício.

As ligas de alumínio de terras raras são um material ideal para substituir o cobre na fabricação de fios e cabos. Os lingotes de alumínio produzidos pelas fundições chinesas possuem alto teor de silício devido à influência dos recursos naturais, sendo o silício a principal impureza prejudicial que afeta a condutividade.

No passado, a condutividade elétrica dos fios de alumínio produzidos na China muitas vezes não atendia aos padrões da Comissão Eletrotécnica Internacional, o que se tornou um problema de longa data para a indústria de fios de alumínio.

Os cientistas chineses resolveram este problema com a ajuda de terras raras. Eles foram os primeiros no mundo a usar vestígios de terras raras para tratar o alumínio líquido, permitindo-lhe formar compostos de silício com precipitação de silício nos limites dos grãos.

Além disso, o efeito microligante das terras raras supera os efeitos nocivos do silício, melhorando significativamente a condutividade. As terras raras também podem refinar grãos e fortalecer a matriz, melhorando a resistência mecânica e o desempenho de processamento de fios e cabos.

Como resultado, a condutividade elétrica dos fios e cabos de alumínio fabricados na China não é apenas ligeiramente superior aos padrões da Comissão Eletrotécnica Internacional, mas a resistência mecânica também aumentou 20%, a resistência à corrosão dobrou e a resistência ao desgaste aumentou. cerca de 10 vezes.

Isso mudou completamente o atraso da produção chinesa de fios e cabos de alumínio, elevando os produtos ao nível avançado internacional.

Conclusão

Na verdade, nosso grupo considerou o relatório de pesquisa sobre ligas de alumínio organizado pela faculdade muito significativo e necessário.

Através do auto-estudo, obtivemos alguns insights que não tínhamos antes na condução do relatório do projeto.

Primeiro, aprendemos o método de autoaprendizagem que nos acompanhará na sociedade;

segundo, aprendemos como coletar e organizar informações;

terceiro, aprendemos o que é trabalho em equipe e entendemos a importância da união e da cooperação. Antes não tínhamos muita compreensão disso, mas através destas atividades de aprendizagem, agora sabemos melhor.

No começo eu não sabia o que era liga de alumínio. Eu só sabia que era usado em muitos lugares da vida, mas não conhecia suas propriedades e classificação. Agora eu sei e aprendi sobre isso através do auto-estudo no relatório do projeto.