Композитные алюминиевые сплавы

Если честно, до сих пор встречаю инженеров, которые путают композитные алюминиевые системы с обычным анодированием или думают, что это просто алюминий с напылением. На деле же — это сложный симбиоз, где алюминиевая матрица работает в паре с упрочняющими фазами, причём не всегда оксидными. Вот в ООО ?Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии? мы как раз проходили этот путь от теории к практике — и не без косяков, конечно.

Критерии выбора матричных систем

Когда только начали экспериментировать с композитными алюминиевыми сплавами, ошибочно брали за основу стандартные АМг6 или Д16. Оказалось, что для композитов важнее не прочность исходного материала, а его реакционная способность при спекании. Например, с АД35 стабильнее идет процесс, хоть и приходится мириться с меньшей пластичностью.

Кстати, про пластичность — это отдельная головная боль. В прошлом году был заказ на радиаторы для микроэлектроники, где требовалась теплопроводность не ниже 220 Вт/м·К. Сделали по ТУ на основе Al-SiC, но при термоциклировании пошли микротрещины по границам зерен. Пришлось пересматривать режимы отжига и вводить промежуточный отжиг при 380°C — не по ГОСТу, зато работает.

Сейчас для ответственных применений используем гибридные системы — например, алюминий-бор-карбид. Да, дороже, но зато нет проблем с релаксацией напряжений после механической обработки. Как-то раз фрезеровали пазы в плитах для криогенной аппаратуры — без предварительного отпуска геометрия поплыла на 0,2 мм, хотя по паспорту материал должен был быть стабилен.

Технологические компромиссы при формовании

Пресс-экструзия композитов — это всегда борьба между производительностью и качеством интерфейса. Особенно с тем же композитным алюминиевым сплавом УК-1 — если давить при 480°C, выходит быстрее, но граница раздела фаз получается с нестабильной адгезией. А снижать до 420°C — рискуешь получить расслоение ещё в пресс-форме.

Запомнился случай с изготовлением профилей для вакуумных камер. Технологи настаивали на скорости выдавливания 12 м/мин, но при контроле УЗ выявили расслоения в зонах изгиба. Пришлось снижать до 8 м/мин и добавлять предварительный нагрев заготовки до 350°C — брак упал с 18% до 3%, но себестоимость, естественно, подросла.

Сейчас пробуем комбинированные методы — например, совмещение экструзии с последующим изостатическим прессованием. Для сложных профилей, которые мы делаем по индивидуальным заказам, это даёт прирост по плотности до 99,8%. Хотя по энергозатратам, конечно, не самая рациональная схема.

Проблемы контроля качества

С дефектологией композитных алюминиевых сплавов вообще отдельная история. Стандартные методы типа ультразвука часто не видят микропористость на границах раздела — пришлось разрабатывать собственные методики с использованием акустической микроскопии. Даже сейчас процент ложных срабатываний около 7%, но это лучше, чем пропустить брак.

Как-то поставили партию плит для авиакомпонентов — все испытания прошли, а в эксплуатации началось расслоение через 200 циклов. Оказалось, проблема в локальных зонах с пониженной плотностью у крепежных отверстий. Теперь обязательно делаем выборочную металлографию в зонах механической обработки, даже если заказчик этого не требует.

Интересно, что рентген тоже не панацея — для выявления оксидных включений в композитах пришлось комбинировать его с термографией. Особенно критично для сплавов с керамическими упрочнителями, где даже 2% оксидов снижают усталостную прочность на 40%.

Особенности механической обработки

Резать композитные алюминиевые сплавы — это вам не титан точить. Казалось бы, алюминий мягкий, но при наличии упрочняющих частиц инструмент изнашивается в 3-4 раза быстрее. Перепробовали разные покрытия — лучше всего показал себя алмазноподобный углерод, но он экономически оправдан только для серийных изделий.

Запомнился заказ на теплоотводы для мощных LED-светильников — там требовалась фрезеровка каналов сложной формы. Сначала работали стандартными концевыми фрезами — после 3-х заготовок уже нужна замена. Перешли на твердосплавные с TiAlN покрытием — ресурс вырос до 15-17 заготовок, но стоимость обработки увеличилась на 30%.

Сейчас для таких задач используем комбинированный подход — черновую обработку ведём быстрорежущим инструментом, а чистовую — твердосплавным. Да, время переналадки увеличивается, но общая экономика получается лучше. Кстати, охлаждение обязательно эмульсионное — воздушное приводит к термическим микротрещинам в зоне резания.

Перспективные направления развития

Сейчас в ООО ?Сучжоу Ляньсинь Новые материалы и технологии? экспериментируем с наноструктурированными упрочнителями — в частности, с углеродными нанотрубками в алюминиевой матрице. Пока получается добиться увеличения модуля упругости на 15-20%, но есть проблемы с агломерацией частиц при кристаллизации.

Интересное направление — гибридные композиты для электротехники, где требуется сочетание высокой теплопроводности и определенных магнитных свойств. Пробуем системы алюминий-железо-кремний с контролируемой фазовой структурой — пока лабораторные образцы показывают обнадеживающие результаты по совмещению свойств.

Из практических наработок — научились варить такие композиты electron beam welding, правда, с предварительным подогревом до 250°C. Без подогрева в шве образуются хрупкие интерметаллиды, которые снижают пластичность соединения на 60-70%. Но это уже тема для отдельного разговора.