O alumínio é o elemento metálico mais abundante na crosta terrestre. É o segundo metal não ferroso mais produzido e utilizado no mundo, depois do aço. Possui baixa densidade, cerca de 1/3 do aço. Como o alumínio puro é macio e de baixa resistência, a adição de uma pequena quantidade de elementos como magnésio, cobre, zinco, silício e lítio ao alumínio melhora o desempenho da liga de alumínio. As ligas de alumínio são os materiais estruturais de metais não ferrosos mais utilizados na indústria devido às suas excelentes propriedades mecânicas e resistência à corrosão. Elas têm sido amplamente utilizadas nas indústrias de construção, aeroespacial, automobilística, de máquinas, naval e química.
As ligas de alumínio apresentam excelentes propriedades mecânicas e químicas:
① Aspectos mecânicos, refletidos principalmente em baixa densidade, alta resistência, alto módulo, etc. O alumínio tem baixa densidade e é mais leve que outros metais, apenas 1/4 do aço, por isso é adequado para uso em campos com altos requisitos de peso leve;
2 Em termos de propriedades químicas, como a liga de alumínio pode formar uma densa película de óxido em sua superfície quando exposta ao ar, ela pode se proteger da oxidação profunda. Portanto, possui excelente resistência à corrosão e uma composição química muito estável.
③A liga de alumínio possui boa plasticidade e pode ser processada em diversos perfis. Possui excelente condutividade elétrica e térmica. Por isso, é amplamente utilizada na indústria, perdendo apenas para o aço.
Atualmente, existem mais de 250 ligas de alumínio com diferentes composições na indústria. Para facilitar a distinção, de acordo com as diferentes composições de liga, a China adota o método de classificação de quatro dígitos, aceito internacionalmente, para facilitar a marcação do local de produção, a memória e o gerenciamento de cálculos. As ligas de alumínio utilizadas na indústria militar incluem principalmente ligas de alumínio-lítio, ligas de alumínio das séries 2XXX (A1-Cu-Mg) e 7XXX.
Demanda de mercado e tendência de desenvolvimento de vários materiais de liga de alumínio
Liga de alumínio série 2XXX
As ligas de alumínio da série 2XXX (A1-Cu-Mg) apresentam alta resistência à tração, tenacidade e resistência à fadiga, boa resistência ao calor, propriedades de processamento e soldagem, sendo amplamente utilizadas nas indústrias aeroespacial, automotiva e de armas. Os principais graus são 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12, etc. Uma série de ligas foi desenvolvida para melhorar a resistência, a compatibilidade com a tenacidade e a tolerância a danos, como as ligas 2024, 2124, 2524, 2324, etc.
Os modelos de equipamentos chineses estão se desenvolvendo na direção de leveza, longa vida útil, alta confiabilidade e baixo custo, e possuem altos requisitos para tenacidade à fratura, resistência à propagação de trincas e resistência à corrosão do material da fuselagem. Com base na chapa espessa de liga de alumínio 2024-T351, países estrangeiros desenvolveram as ligas de alumínio 2324, 2624 e outras ligas de alumínio de alta tolerância a danos para a superfície inferior da asa, com diferentes resistências, tenacidade, resistência à fadiga e à corrosão, e obtiveram sucesso na instalação e aplicação. A China está desenvolvendo ligas de alumínio da série 2XXX de alta tolerância a danos. No futuro, a microligação composta será uma importante direção de desenvolvimento para as ligas de alumínio de alta resistência da série Al-Cu-Mg.
Liga de alumínio série 4XXX
Atualmente, as ligas eutéticas e hipoeutéticas de Al-Si são usadas principalmente em pistões de automóveis na China. No entanto, com a melhoria contínua dos requisitos de desempenho do motor, é difícil atender aos requisitos de desempenho. A liga hipereutética de Al-Si tem baixa densidade, pequeno coeficiente de expansão linear, maior resistência ao desgaste e estabilidade de volume, e é um material de pistão mais ideal em comparação com as ligas eutéticas de Al-Si. Os pistões de liga hipereutética de Al-Si têm sido produzidos em massa no exterior e aplicados em caminhões e carros, como a liga A390 nos Estados Unidos, as ligas AC9A e AC8A (ZL109) no Japão e a liga A390 na Austrália. No entanto, atualmente existem poucos fabricantes na China que produzem pistões de liga hipereutética de Al-Si, e a maioria deles depende de importações. Além disso, há uma grande lacuna entre os materiais de liga de alumínio para turbocompressores automotivos e países estrangeiros. Os materiais de liga de alumínio para turbocompressores automotivos de alto desempenho dependem principalmente do Japão e de outros países. Portanto, é fundamental desenvolver materiais essenciais de liga de alumínio automotivo para pistões de alto desempenho e impulsores de turbocompressores.
Ligas de alumínio da série 5XXX
As ligas de Al-Mg, especialmente aquelas com alto teor de Mg, apresentam alta resistência específica, boa soldabilidade e resistência à corrosão, e se tornarão materiais altamente competitivos no futuro, seja na indústria aeroespacial, ferroviária, oceânica e outras áreas. Atualmente, chapas, perfis e arames de solda de Al-Mg para aplicações aeroespaciais, ferroviárias, oceânicas e outras dependem principalmente de importações. O mercado de arames de solda de alta qualidade é basicamente monopolizado pela ALCOA nos Estados Unidos. As ligas ER5183 e ER5356 dependem principalmente de importações, e o volume de importação representa cerca de 70% de suas vendas. As ligas de Al-Mg para navios dependem principalmente da Rússia. Lingotes convencionais de ligas com alto teor de Mg apresentam dendritos bem desenvolvidos, segregação severa da fase eutética e baixo desempenho de conformação. Os métodos de processamento atuais ainda apresentam muitos problemas, como baixo desempenho, baixa qualidade aparente, processo longo, qualidade instável e baixo rendimento. A solidificação e conformação sub-rápidas podem inibir a precipitação de Mg e, ao mesmo tempo, podem ser reguladas para obter cristais equiaxiais finos e fases nano-precipitadas, melhorando significativamente o desempenho e a uniformidade do material. Portanto, espera-se que o desenvolvimento da tecnologia de extrusão reológica contínua e laminação por solidificação sub-rápida para ligas de Al-Mg de alto desempenho atenda à demanda por ligas de Al-Mg de alta qualidade.
Ligas de alumínio da série 6XXX
Os materiais de liga de alumínio da série 6XXX são materiais essenciais nas áreas de transporte ferroviário, automóveis, eletrônicos, etc. Desde a década de 1980, países e regiões desenvolvidos, como Europa, Estados Unidos e Japão, desenvolveram ligas de alumínio para automóveis, graus registrados como 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 e 6082, e formaram um sistema de produção e aplicação relativamente completo para painéis de carroceria de automóveis, extrusões, forjados, etc. A pesquisa e o desenvolvimento de industrialização de painéis de carroceria de liga de alumínio e forjados da série 6XXX na China acabaram de começar, e há uma lacuna clara. O Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação da China propôs o desenvolvimento de chapas de liga de alumínio automotivo: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022, etc. A chapa de liga de alumínio típica da série 6XXX apresenta alongamento A50 não inferior a 25%, valor de r não inferior a 0,60, resistência ao escoamento em estacionamento de 60 dias (Rp0,2) não inferior a 140 N/mm² e incremento de resistência ao escoamento após endurecimento da tinta não inferior a 80 N/mm². Atendendo a diferentes necessidades, o desenvolvimento de tecnologias de projeto, preparação e processamento de ligas de alumínio da série 6XXX tornou-se uma tendência inevitável.
Ligas de alumínio da série 7XXX
As ligas de alumínio da série 7XXX apresentam boa resistência à corrosão sob tensão e são as séries mais fortes entre as ligas de alumínio. São reconhecidas internacionalmente como materiais de base para a aviação. Recentemente, países estrangeiros desenvolveram a liga 7055 (Al8Zn-2,05Mg-2,3Cu-0,16Zr), cujo limite de escoamento excede 620 MPa no estado T77511. É usada em aeronaves Boeing 777 e reduz o peso em 635 kg. Atualmente, a China carece de projeto sistemático de ligas, tecnologia de preparação e processamento para ligas de alumínio da série 7XXX para aviação, e alguns produtos são completamente dependentes de importações. Devido aos lingotes de ligas de alumínio da série 7XXX em larga escala com muitos elementos de liga, ampla faixa de solidificação, grande tensão de fundição e fácil oxidação/segregação dos elementos de liga, a qualidade metalúrgica dos lingotes é ruim e o desempenho de conformação à temperatura ambiente é baixo, sendo de grande importância o desenvolvimento de novas ligas de alumínio da série 7XXX.
Liga de alumínio-lítio (Al-Li)
A liga de alumínio-lítio é o material leve com crescimento mais rápido em materiais de aviação nos últimos anos. Possui características de baixa densidade, alto módulo de elasticidade, alta rigidez específica, bom desempenho em fadiga e resistência à corrosão. Após a substituição das ligas de alumínio convencionais, a massa pode ser reduzida em 10% a 20% e a rigidez pode ser aumentada em 15% a 20%. No início do século XXI, a empresa americana ALCOA lançou o "Plano ALCOA Aviation 20/20", com o objetivo de reduzir o custo e o peso das ligas de alumínio para aviação em 20% cada em 20 anos. A Constellium desenvolveu as ligas de alumínio-lítio 2050 e 2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) com baixa densidade, alta tenacidade e alta tolerância a danos. Existem muito poucos graus de liga Al-Li desenvolvidos independentemente na China, e apenas a liga 1420 foi utilizada. A liga de alumínio-lítio usada na aeronave de passageiros C919 é fornecida pela Alcoa. No mercado interno, apenas ligas de grau limitado, como 1420, 2195, 2197 e 2A97, podem ser produzidas, sendo os lingotes planos com espessuras abaixo de (310~400)×1280×4000) mm e redondos com espessuras abaixo de φ650 mm. Lingotes planos (2B16) com espessura superior a 60 mm e largura superior a 1500 mm, e lingotes (2B16) com diâmetro superior a 1500 mm, ainda não foram produzidos industrialmente em aplicações de aviação de ponta. Portanto, é de grande importância o desenvolvimento de novos projetos de ligas de alumínio-lítio, preparação de lingotes ultragrandes e tecnologia de processamento profundo.
Liga de alumínio resistente ao calor
Ligas de alumínio resistentes ao calor são materiais básicos essenciais nas áreas aeroespacial, automobilística, transporte ferroviário, etc., regulando elementos como Si, Fe, Ni, Ag e terras raras para torná-las resistentes à oxidação e à fluência em altas temperaturas. As ligas de alumínio resistentes ao calor tradicionais incluem: 2519, 2618, 2219, 2D70, etc. Com o rápido desenvolvimento das indústrias aeroespacial e automobilística, requisitos mais elevados são impostos às ligas de alumínio resistentes ao calor. A nova geração de caças possui alta velocidade de cruzeiro e a temperatura operacional da fuselagem é superior a 150 °C. Atualmente, a temperatura de uso a longo prazo de ligas de alumínio resistentes ao calor, como 2618 e 2D70, é inferior a 150 °C. É imperativo desenvolver novas ligas de alumínio resistentes ao calor.
Liga Al-Sc com teor ultrabaixo de escândio (Sc)
A liga Al-Sc possui excelentes propriedades, como alta resistência, boa plasticidade e resistência à corrosão, tornando-se uma nova geração de materiais leves para a indústria aeroespacial, naval, etc., depois da liga Al-Li. A resistência à tração da liga Al-Mg contendo traços de escândio é 30% maior que a da liga 5083, e o limite de escoamento é mais que o dobro. Sua soldabilidade é comparável à das ligas convencionais da série 5XXX, as propriedades mecânicas da zona afetada pelo calor e da solda são aproximadamente iguais às da matriz, e sua resistência à corrosão é comparável à da liga 5083. A substituição das ligas das séries 5XXX ou 6XXX na fabricação de componentes aeroespaciais pode alcançar efeitos significativos de redução de peso, sendo também um material superior para automóveis e veículos ferroviários. A Rússia está na vanguarda mundial no desenvolvimento de ligas de alumínio contendo escândio, tendo formado ligas de Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc e Al-Cu-Mg-Sc com teores de escândio de 0,18% a 0,5%. Para promover a aplicação de ligas de alumínio-escândio na indústria aeroespacial e automotiva, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação da China listou as ligas de alumínio contendo escândio como um dos novos materiais para desenvolvimento prioritário. A China é rica em recursos de escândio e construiu uma linha de produção de extração de óxido de escândio de alta pureza, lançando as bases para o desenvolvimento de ligas de alumínio-escândio.
Liga de alumínio estampada a quente de grau 500 MPa para automóveis
Ainda há uma lacuna na estampagem a quente de materiais de liga de alumínio de alta resistência na China. A combinação de novos materiais e o desenvolvimento de novos processos de conformação são meios eficazes para solucionar o problema da conformação de peças automotivas de liga de alumínio de alta resistência. O foco nas ligas da série 7XXX, a exploração ativa das ligas 2XXX e o desenvolvimento de materiais de liga de alumínio com grau de 500 MPa para estampagem a quente apresentam perspectivas importantes para a fabricação de peças automotivas com formatos complexos.
Materiais compósitos à base de alumínio
Placa composta multicamadas de alumínio e aço: A conexão eficaz entre conveses de alumínio e aço tornou-se uma das restrições para a redução de peso das superestruturas de grandes navios. A junta de transição composta de alumínio e aço, usada para soldagem entre cascos de alumínio e aço, oferece uma solução para substituir o processo tradicional de rebitagem. A Honda desenvolveu uma tecnologia de união de aço e alumínio que será utilizada globalmente em chassis de automóveis produzidos em massa. Atualmente, as juntas compostas de alumínio e aço usadas na China são principalmente importadas do exterior, com um preço que pode chegar a 4×10 5 CNY/t. Com os futuros navios de grande porte, temperaturas de soldagem mais altas, maior tensão de rolamento e interfaces de colagem mais fortes são necessárias para juntas de transição, e juntas de alumínio e aço de alto desempenho são urgentemente necessárias.
Horário da postagem: 08/03/2025
