Panoramica e applicazioni della lega di alluminio.

Lega di alluminio è un termine generale per le leghe a base di alluminio. I principali elementi di lega includono rame, silicio, magnesio, zinco e manganese, mentre gli elementi di lega minori possono includere nichel, ferro, titanio, cromo e litio.

La lega di alluminio è la categoria di materiali strutturali metallici non ferrosi più utilizzata nelle applicazioni industriali. È stata ampiamente applicata in vari settori come l'aviazione, l'aerospaziale, l'automotive, la produzione di macchinari, la cantieristica e l'industria chimica.

La lega di alluminio ha una bassa densità ma una resistenza relativamente elevata, che si avvicina o supera quella dell'acciaio di alta qualità. Ha una buona plasticità e può essere trasformata in vari profili.

Inoltre, ha un'eccellente conducibilità elettrica, termica e resistenza alla corrosione. Di conseguenza, la lega di alluminio è ampiamente utilizzata nell'industria e il suo impiego è secondo solo all'acciaio.

La lega di alluminio è molto comune nella nostra vita quotidiana. Porte, finestre, letti, pentole, stoviglie, biciclette, automobili e molto altro ancora contengono lega di alluminio.

Lega di alluminio ad altissima resistenza.

Introduzione: La lega di alluminio ad alta resistenza ha le caratteristiche di leggerezza, elevata resistenza, buone prestazioni di lavorazione ed eccellenti prestazioni di saldatura. È ampiamente utilizzata in settori quali l'industria aeronautica e civile, in particolare nell'industria aeronautica, dove occupa una posizione molto importante come uno dei principali materiali strutturali.

Negli ultimi decenni, gli studiosi nazionali e internazionali hanno condotto ricerche approfondite sul processo di trattamento termico e sulle prestazioni delle leghe di alluminio ad alta resistenza, compiendo progressi significativi e promuovendo notevolmente l'applicazione diffusa di tali materiali in vari aspetti della produzione dell'industria aeronautica.

La lega di alluminio ad altissima resistenza è composta principalmente da leghe AI-Cu-Mg e A1-Zn-Mg-Cu. La prima ha una resistenza statica leggermente inferiore rispetto alla seconda, ma ha una temperatura di utilizzo più elevata. La lega della serie AI-Cu-Mg è la prima lega di rinforzo trattata termicamente sviluppata. Lo sviluppo dell'industria aeronautica ha promosso il miglioramento di questa serie di leghe.

Le leghe 2014 e 2024 sono state sviluppate rispettivamente negli anni '20 e '30, seguite dallo sviluppo della lega 2618. Lo sviluppo di questa serie di leghe è più maturo e sono stati formulati più di dieci gradi. Queste leghe sono state ampiamente utilizzate come materiali per l'aviazione e altri materiali.

L'applicazione della lega di alluminio ad alta resistenza nei conduttori

Nella comunità internazionale, i conduttori in lega di alluminio-magnesio-silicio ad alta resistenza sono utilizzati da oltre 70 anni. Grazie ai suoi vantaggi e al continuo miglioramento della tecnologia di produzione, è diventato sempre più pratico. In Europa, rappresentata dalla Francia, è ampiamente utilizzato nelle linee di trasmissione, rappresentando la stragrande maggioranza della lunghezza totale delle linee.

Oltre 50% di linee di trasmissione in Giappone utilizzano la lega di alluminio. Anche gli Stati Uniti e il Canada ne hanno una grande percentuale. Anche i Paesi in via di sviluppo del Sud-Est asiatico, come India, Indonesia e Filippine, utilizzano la lega di alluminio per le linee di trasmissione.

Tendenza di sviluppo della lega di alluminio ad altissima resistenza

La lega di alluminio ad altissima resistenza è un importante materiale strutturale leggero e ad alta resistenza con ampie prospettive di applicazione. Attualmente, è necessario lavorare sui seguenti aspetti:

1. La microlegatura dei compositi è una direzione importante per la tempra delle leghe di alluminio e la ricerca e lo sviluppo devono essere condotti in modo approfondito e sistematico;

2. Migliorare la tecnologia di preparazione della metallurgia tradizionale dei lingotti e sviluppare processi avanzati di preparazione alla formatura a spruzzo per ottenere una struttura dei lingotti di alta qualità e così via.

La lega di alluminio ad altissima resistenza si sta sviluppando verso un'alta resistenza specifica, un alto modulo specifico, un'alta tolleranza ai danni e una resistenza alla corrosione. La fusione di purificazione e la tecnologia avanzata di produzione delle billette sono i prerequisiti per lo sviluppo e la teoria della tempra è il fondamento.

Sulla base della teoria del rafforzamento esistente, in primo luogo, combinando la teoria della micromeccanica con la teoria dei difetti dei microcristalli per migliorare il livello di progettazione dell'ottimizzazione della composizione della lega;

In secondo luogo, sviluppare una teoria di tempra completa a più livelli e più fasi, utilizzare la microlega per esplorare il potenziale delle leghe, migliorare le prestazioni delle leghe e sviluppare nuovi materiali. tipi di alluminio leghe;

In terzo luogo, controllare con precisione la microstruttura delle leghe per formare una precisa teoria di controllo della struttura e delle prestazioni e sviluppare leghe di alluminio ad altissima resistenza con migliori prestazioni globali.

Il trend di sviluppo della lega di alluminio ad alta resistenza.

La lega di alluminio ad alta resistenza è un importante materiale strutturale leggero ad alta resistenza con ampie prospettive di applicazione. L'applicazione dell'alluminio e delle leghe di alluminio è messa a dura prova da titanio e leghe di titanio e materiali compositi, ma la loro posizione come principale materiale strutturale rimane sostanzialmente invariata.

Attualmente, il trend di sviluppo delle leghe di alluminio ad alta resistenza si articola nei seguenti aspetti:

(1) Microleghe composite, con l'aggiunta di elementi di transizione e terre rare, per sviluppare nuove leghe di alluminio ad alta resistenza in grado di soddisfare diverse esigenze.

(2) Migliorare la tecnologia di preparazione della metallurgia tradizionale dei lingotti, utilizzando e ricercando vari metodi avanzati di purificazione e modifica del fuso per migliorare la qualità metallurgica dei lingotti.

(3) Studio approfondito del processo di trattamento termico delle leghe in uno stato ad alto contenuto di soluti, studiando il meccanismo di rafforzamento della precipitazione del trattamento in soluzione solida della lega e la precipitazione di invecchiamento a più livelli e più fasi in diverse condizioni, migliorando la solubilità supersatura della matrice della lega, aumentando la frazione volumetrica delle fasi precipitate e ottimizzando l'abbinamento di MPt, GBP e PEZ per ottenere un'elevata resistenza, un'alta tenacità e una buona resistenza alla corrosione della lega.

Leghe di alluminio resistenti al calore

Applicazione e problemi esistenti delle leghe di alluminio resistenti al calore solidificate rapidamente

L'obiettivo finale dello sviluppo di leghe di alluminio resistenti al calore a solidificazione rapida è quello di sostituire le leghe di titanio nelle parti degli aerei. Negli ultimi anni, i risultati della ricerca hanno dimostrato che sono stati compiuti progressi significativi in questo settore e alcune proprietà delle leghe di alluminio resistenti al calore solidificate rapidamente sono già paragonabili o addirittura migliori di alcune leghe di titanio.

Le leghe di alluminio resistenti al calore a solidificazione rapida sono state utilizzate con successo per produrre pale e palette di compressori, turbine, dissipatori di calore e altri componenti di motori a turbina a gas. Possono anche essere utilizzate per produrre alcune parti di razzi e veicoli spaziali.

Quando le leghe di alluminio resistenti al calore a rapida solidificazione vengono utilizzate per la produzione di componenti di aeromobili, il costo è generalmente solo 30% - 50% di quello delle leghe di titanio, mentre il peso dell'aeromobile può essere ridotto di circa 15%. Se la resistenza al calore verrà ulteriormente migliorata, la gamma di applicazioni si amplierà.

Direzioni di ricerca per le leghe di alluminio resistenti al calore nel futuro

Le future direzioni di ricerca per le leghe di alluminio resistenti al calore a solidificazione rapida si concentreranno principalmente sui seguenti aspetti:

Sviluppare nuovi processi di solidificazione rapida a basso costo. Rispetto al processo RS/PM, il processo di solidificazione rapida con deposizione a spruzzo semplifica il processo di produzione, evita il problema dell'ossidazione dell'interfaccia delle particelle di polvere originali e può migliorare la tenacità della lega riducendo i costi di produzione.

Pertanto, il processo di solidificazione rapida per deposizione spray dovrebbe essere ulteriormente migliorato per l'applicazione pratica.

Ulteriori ricerche sul meccanismo di resistenza al calore della lega, compreso il ruolo della matrice sovrasatura durante il processo di riscaldamento.

Studiare le cause dell'infragilimento da temperatura nella lega e trovare soluzioni per migliorarne ulteriormente la tenacità.

Materiali compositi a base di alluminio.

I materiali compositi sono materiali con una forte vitalità emersi per soddisfare le esigenze del moderno sviluppo scientifico. Sono composti da due o più materiali con proprietà diverse, combinati con vari mezzi tecnologici.

I materiali compositi possono essere suddivisi in tre categorie: Compositi a base polimerica (PMC), compositi a base metallica (MMC) e compositi a base ceramica (CMC).

La matrice dei compositi a base metallica è costituita principalmente da alluminio, nichel, magnesio, titanio, ecc. L'alluminio ha molte caratteristiche per la produzione di materiali compositi, come la leggerezza, la piccola densità, la buona plasticità, la facilità di padroneggiare la tecnologia dei compositi e la facilità di lavorazione.

Inoltre, i compositi a base di alluminio hanno un'elevata resistenza specifica e rigidità specifica, buone prestazioni alle alte temperature, migliore resistenza alla fatica e all'usura, eccellenti prestazioni di smorzamento e basso coefficiente di espansione termica.

Come altri materiali compositi, può combinare specifiche proprietà meccaniche e fisiche per soddisfare le esigenze dei prodotti. Pertanto, i compositi a base di alluminio sono diventati uno dei materiali più utilizzati e importanti tra i compositi a base metallica.

Tipi principali e panoramica delle applicazioni.

In base ai diversi tipi di rinforzo, i compositi a base di alluminio possono essere suddivisi in compositi a base di alluminio rinforzati con fibre e compositi a base di alluminio rinforzati con particelle.

I compositi fibrorinforzati a base di alluminio hanno una serie di eccellenti proprietà, come l'elevata resistenza specifica, l'alto modulo specifico, la buona stabilità dimensionale, ecc. ma sono costosi.

Attualmente sono utilizzati principalmente nel settore aerospaziale come materiali strutturali per veicoli spaziali, satelliti artificiali, stazioni spaziali, ecc. I compositi a base di alluminio rinforzati con particelle possono essere utilizzati per produrre materiali strutturali per satelliti e aerospaziali, componenti di aerei, sistemi ottici a specchio metallico, componenti automobilistici;

Inoltre, possono essere utilizzati per produrre componenti di circuiti a microonde, parti di precisione per sistemi di navigazione inerziale, propulsori per turbocompressori, dispositivi di imballaggio elettronico, ecc.

I componenti di base dei compositi a base di alluminio sono:

L'alluminio e le sue leghe sono adatti come matrici per i compositi a matrice metallica. Il rinforzo dei compositi a base di alluminio può essere costituito da fibre continue, fibre corte o particelle di forma da sferica a irregolare.

Attualmente, i materiali di rinforzo particellare per i compositi a base di alluminio includono SiC, AL2O3, BN e così via. Come particelle di rinforzo sono stati utilizzati anche composti intermetallici come Ni-Al, Fe-Al e Ti-Al.

Prestazioni dei materiali compositi a base di alluminio.

1. Bassa densità.

2. Buona stabilità dimensionale.

Resistenza, modulo e plasticità. L'aggiunta di rinforzi nei materiali compositi a base di alluminio ne aumenta la resistenza e il modulo, mentre ne diminuisce la plasticità.

4. Resistenza all'usura.

L'elevata resistenza all'usura è una delle caratteristiche dei materiali compositi a base di alluminio (rinforzati con SiC o Al2O3).

5. Fatica e frattura durezza.

Il resistenza alla fatica dei materiali compositi a base di alluminio è generalmente superiore a quella del metallo di base, mentre la tenacità alla frattura diminuisce. I principali fattori che influenzano le prestazioni a fatica e la frattura dei materiali compositi a base di alluminio sono lo stato di legame dell'interfaccia tra il rinforzo e la matrice, le proprietà della matrice e del rinforzo stesso e la distribuzione del rinforzo nella matrice.

6. Prestazioni termiche.

Il disallineamento dell'espansione termica tra il rinforzo e la matrice è difficile da evitare in qualsiasi materiale composito.

Per ridurre efficacemente il coefficiente di espansione termica dei materiali compositi e mantenerli in sintonia termica con i materiali semiconduttori o i substrati ceramici, spesso si utilizzano leghe a bassa espansione come matrici e si preparano materiali compositi con elevate frazioni volumetriche di particelle di dimensioni diverse.

Tabella 1 Prestazioni dei materiali di rinforzo più comuni

Applicazioni dei materiali compositi a base di alluminio.

(1) Applicazioni dei materiali compositi a base di alluminio nell'industria automobilistica.

La ricerca sull'applicazione dei materiali compositi a base di alluminio nell'industria automobilistica è iniziata molto presto. Negli anni '80, Toyota ha preparato con successo i pistoni dei motori utilizzando materiali compositi.

Negli Stati Uniti sono stati sviluppati materiali compositi a base di alluminio rinforzati con particelle per la produzione di dischi freno per autoveicoli, che hanno ridotto il peso, migliorato la resistenza all'usura, ridotto significativamente la rumorosità e hanno una rapida dissipazione del calore di attrito.

L'azienda ha anche utilizzato materiali compositi a base di alluminio rinforzati con particelle per produrre componenti automobilistici come pistoni di motori e cambi.

Il cambio realizzato in materiali compositi presenta miglioramenti significativi in termini di forza e resistenza all'usura rispetto al cambio in lega di alluminio. I materiali compositi in lega di alluminio possono essere utilizzati anche per produrre rotori, pistoni, pastiglie, pinze e altri componenti del sistema frenante.

I materiali compositi a base di alluminio possono essere utilizzati anche per produrre componenti automobilistici come alberi di trasmissione e bilancieri.

(2) Applicazioni dei materiali compositi a base di alluminio nell'industria aerospaziale

Lo sviluppo della scienza e della tecnologia moderna ha imposto requisiti sempre più elevati per le prestazioni dei materiali, soprattutto nel settore aerospaziale, dove è necessario produrre aerei e satelliti leggeri, flessibili e ad alte prestazioni. I materiali compositi a base di alluminio possono soddisfare questi requisiti.

Utilizzando l'investimento processo di fusione per lo sviluppo di materiali compositi, il materiale può sostituire la lega di titanio per la produzione di supporti per obiettivi di telecamere di grande diametro e peso per gli aerei, riducendone significativamente il costo e il peso e migliorando la conduttività termica.

Allo stesso tempo, questo materiale composito può essere utilizzato anche per produrre staffe di supporto per le ruote di reazione dei satelliti e i telai direzionali.

(3) Applicazioni in elettronica e strumenti ottici

I materiali compositi a base di alluminio, in particolare quelli rinforzati, sono adatti alla produzione di materiali di rivestimento per apparecchiature elettroniche, dissipatori di calore e altri componenti elettronici, grazie ai loro vantaggi di basso coefficiente di espansione termica, bassa densità e buona conducibilità termica.

Il coefficiente di espansione termica dei materiali compositi a base di alluminio rinforzati con particelle può corrispondere completamente a quello dei materiali dei dispositivi elettronici, oltre ad avere un'eccellente conducibilità elettrica e termica. Per quanto riguarda la ricerca sulle applicazioni degli strumenti di precisione e degli strumenti ottici, i materiali compositi a base di alluminio sono utilizzati per produrre componenti come il telaio di supporto e lo specchio secondario dei telescopi.

Inoltre, i materiali compositi a base di alluminio possono essere utilizzati per produrre parti di precisione per sistemi di navigazione inerziale, specchi a scansione rotante, specchi di osservazione a infrarossi, specchi laser, giroscopi laser, riflettori, basi per specchi e staffe per strumenti ottici per molti strumenti di precisione e strumenti ottici.

(4) Applicazione nelle attrezzature sportive.

I compositi a base di alluminio possono essere utilizzati per realizzare racchette da tennis, canne da pesca, mazze da golf e sci in sostituzione del legno e dei materiali metallici. Gli ingranaggi delle catene di biciclette realizzati con compositi a base di alluminio rinforzati con particelle sono leggeri, rigidi e non si piegano o deformano facilmente, con prestazioni migliori rispetto agli ingranaggi delle catene in lega di alluminio.

Compositi a base di alluminio rinforzati con particelle di carburo di silicio.

Il materiale composito a base di alluminio più promettente è quello rinforzato con particelle di carburo di silicio.

I compositi a base di alluminio rinforzati con particelle di carburo di silicio sono ampiamente riconosciuti come uno dei prodotti più competitivi. tipi di metallo materiali compositi a matrice.

Sebbene le sue proprietà meccaniche, in particolare la resistenza, non siano paragonabili a quelle dei compositi a fibra continua, presenta notevoli vantaggi in termini di costi ed è più facile da preparare con metodi di preparazione più flessibili e diversificati. Inoltre, può essere lavorato secondariamente con le tradizionali attrezzature metallurgiche, rendendo facile la produzione di massa.

Negli anni '90, dopo la fine della Guerra Fredda, a causa della riduzione degli investimenti nell'industria della difesa da parte di vari Paesi, anche settori ad alta tecnologia come quello aerospaziale hanno trovato sempre più difficoltà ad accettare gli alti costi dei compositi fibrorinforzati a base di alluminio.

Pertanto, i compositi a base di alluminio rinforzati con particelle hanno nuovamente ricevuto un'ampia attenzione. Soprattutto negli ultimi anni, come componente portante chiave, ha finalmente trovato spazio su velivoli avanzati e le sue prospettive di applicazione stanno diventando più ottimistiche, il che ha portato a una ripresa del lavoro di ricerca e sviluppo.

Tendenze e direzioni di sviluppo

Attualmente, il problema principale dei compositi a base di alluminio è rappresentato dagli elevati costi di produzione, soprattutto per i compositi a base di alluminio rinforzati con fibre.

Con ulteriori ricerche sulla teoria del legame tra rinforzo e matrice, nonché con il continuo sviluppo di rinforzi e processi di preparazione a basso costo, insieme al riciclo dei materiali di scarto, i compositi a base di alluminio manterranno prestazioni eccellenti e diventeranno anche più economici, rendendo i loro campi di applicazione sempre più ampi.

Le prospettive di sviluppo delle leghe di alluminio

Le direzioni di sviluppo delle leghe di alluminio sono:

• Leghe di alluminio composite per scambiatori di calore.
• Leghe di alluminio di terre rare.

L'aggiunta di opportuni elementi di terre rare alle leghe di alluminio può avere un effetto di raffinazione, tra cui:

Le terre rare hanno un effetto di raffinazione sulle leghe di alluminio.

Le terre rare hanno un effetto modificante sulle leghe alluminio-silicio.

Le leghe di alluminio delle terre rare sono un materiale ideale per sostituire il rame nella produzione di fili e cavi. I lingotti di alluminio prodotti dalle fonderie cinesi hanno un elevato contenuto di silicio, dovuto all'influenza delle risorse naturali, e il silicio è la principale impurità nociva che influisce sulla conduttività.

In passato, la conducibilità elettrica dei fili di alluminio prodotti in Cina spesso non soddisfaceva gli standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale, diventando un problema di lunga data per l'industria dei fili di alluminio.

Gli scienziati cinesi hanno risolto questo problema con l'aiuto delle terre rare. Sono stati i primi al mondo a utilizzare tracce di terre rare per trattare l'alluminio liquido, consentendogli di formare composti di silicio con precipitazione di silicio ai confini dei grani.

Inoltre, l'effetto di microlegamento delle terre rare supera gli effetti nocivi del silicio, migliorando significativamente la conduttività. Le terre rare possono anche affinare i grani e rafforzare la matrice, migliorando la resistenza meccanica e le prestazioni di lavorazione di fili e cavi.

Di conseguenza, la conduttività elettrica dei fili e dei cavi di alluminio prodotti in Cina non solo è leggermente superiore agli standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale, ma la resistenza meccanica è aumentata di 20%, la resistenza alla corrosione è raddoppiata e la resistenza all'usura è aumentata di circa 10 volte.

Questo ha cambiato completamente l'arretratezza della produzione cinese di fili e cavi di alluminio, portando i prodotti al livello avanzato internazionale.

Conclusione

In realtà, il nostro gruppo ha trovato molto significativo e necessario il rapporto di ricerca sulle leghe di alluminio organizzato dall'università.

Attraverso l'auto-studio, abbiamo acquisito alcune conoscenze che non avevamo prima nel condurre la relazione del progetto.

 In primo luogo, abbiamo imparato il metodo di autoapprendimento che ci accompagnerà nella società;

In secondo luogo, abbiamo imparato a raccogliere e organizzare le informazioni;

 In terzo luogo, abbiamo imparato cos'è il lavoro di squadra e abbiamo compreso l'importanza dell'unità e della cooperazione. Prima non avevamo una grande comprensione di questi aspetti, ma grazie a queste attività di apprendimento ora li conosciamo meglio.

All'inizio non sapevo cosa fosse la lega di alluminio. Sapevo solo che veniva utilizzata in molti luoghi della vita, ma non conoscevo le sue proprietà e la sua classificazione. Ora lo so e l'ho imparato grazie all'autoapprendimento nella relazione di progetto.