Aquest article descriu l'estat de l'aplicació, la direcció de desenvolupament futura i els reptes tècnics actuals de l'aliatge Invar en el camp de la fabricació de precisió. Tenint com a objectiu els problemes d'estabilitat de la qualitat i la mala qualitat superficial de l'aliatge Invar, es proposen una sèrie d'estratègies d'optimització, que proporcionen una base teòrica important i suport tècnic per a l'expansió de l'aplicació i la millora tècnica de l'aliatge Invar en la indústria de fabricació de gamma alta-.
Pròleg
01
L'aliatge Invar és un aliatge de precisió compost principalment per ferro (Fe) i níquel (Ni), amb continguts típics del 64% i del 35% al 36% respectivament. El ferro i el níquel formen una estructura cristal·lina cúbica-centrada (FCC) en una proporció específica. La composició i l'estructura úniques li donen propietats especials. La característica més destacada és que té un coeficient d'expansió tèrmica extremadament baix (<2×10-6/℃) within a specific temperature range, and there is no significant thermal expansion and contraction phenomenon. It has excellent dimensional stability, which makes it have unique advantages in applications requiring high dimensional stability and is an indispensable material in the field of precision manufacturing. At the same time, Invar alloy also has good mechanical properties, including high strength, high hardness, good ductility and toughness. Invar alloy also has excellent electrical conductivity and magnetic permeability, which can be used in a wider range of applications [1-3].
Aquest document analitzarà sistemàticament l'estat actual de l'aplicació i la direcció de desenvolupament futura de l'aliatge Invar en el camp de la fabricació de precisió des dels aspectes de la demanda del mercat i les aplicacions emergents.
Demanda del mercat
02
Amb el ràpid desenvolupament de la ciència i la tecnologia, els requisits de rendiment i qualitat dels materials en el camp de la fabricació d'alta{0}}precisió augmenten constantment. L'aliatge Invar s'ha utilitzat àmpliament en instruments aeroespacials, electrònics i de metrologia a causa dels seus avantatges de rendiment únics [4, 5].
2.1 Aeroespacial
Els equips d'alta-precisió, com ara components de satèl·lit, sistemes de navegació inercial i giroscopis, han de funcionar de manera estable durant molt de temps i mantenir una alta precisió sota canvis de temperatura extrems. Tenen requisits extremadament elevats per al rendiment dels materials. El sistema de navegació inercial (INS) és un dispositiu important per a la navegació i el control precisos dels vehicles aeroespacials. Els seus components bàsics inclouen giroscopis i acceleròmetres. Aquests components tenen requisits extremadament alts d'estabilitat i precisió del material. L'aliatge Invar és adequat per a la fabricació de components mecànics de precisió a causa de la seva excel·lent estabilitat dimensional i propietats mecàniques, que garanteixen la fiabilitat a llarg termini-.
Els giroscopis s'utilitzen principalment com a sensors clau per a la navegació i el control. La seva precisió afecta directament la precisió de navegació dels vehicles aeroespacials. L'aliatge Invar s'utilitza àmpliament per fabricar la seva carcassa i components interns, cosa que permet als giroscopis mantenir capacitats de mesura d'alta-precisió.
2.2 Indústria electrònica
L'aliatge Invar s'utilitza principalment a la indústria electrònica per fabricar termòstats, resistències de precisió i substrats de circuits integrats. Els termòstats han de mantenir un control precís quan la temperatura canvia, i el baix coeficient d'expansió tèrmica de l'aliatge Invar pot garantir aquest requisit. Les resistències de precisió i els substrats de circuits integrats tenen requisits extremadament alts per a l'estabilitat de la mida i les propietats elèctriques, i la bona conductivitat i estabilitat de l'aliatge Invar compleixen aquests requisits. A mesura que els productes electrònics es desenvolupen cap a una alta precisió i alta fiabilitat, l'aliatge Invar s'ha convertit en un material important per a la fabricació de components electrònics clau a causa dels seus avantatges de rendiment únics [6-8].
Els circuits integrats (CI) són els components bàsics dels dispositius electrònics moderns i requereixen una estabilitat i conductivitat del material extremadament altes. A causa del seu baix coeficient d'expansió tèrmica i bones propietats mecàniques, l'aliatge Invar pot prevenir eficaçment la deformació de les plaques de circuit causada pels canvis de temperatura, de manera que s'utilitza àmpliament en la fabricació de substrats de circuits integrats, millorant així la seva estabilitat de treball i vida útil.
Els termòstats han de mantenir un control precís de la temperatura quan la temperatura canvia per garantir el funcionament normal dels equips electrònics. L'aliatge Invar pot garantir que el termòstat pugui mantenir un control precís quan la temperatura fluctua, evitant la degradació del rendiment del dispositiu a causa dels canvis de temperatura.
Les resistències de precisió requereixen que el seu valor de resistència es mantingui estable quan la temperatura canvia i es poden utilitzar àmpliament en diversos dispositius electrònics. El baix coeficient d'expansió tèrmica i l'excel·lent conductivitat de l'aliatge Invar el converteixen en un material ideal per a la fabricació de resistències de precisió.
El material de tira fina FMM (màscara metàl·lica de precisió) és el material bàsic de la tecnologia de visualització OLED (díode emissor de llum orgànica) i els productes relacionats es mostren a la figura 1. La tecnologia de visualització OLED s'ha convertit en la tendència principal de la propera generació de tecnologia de visualització gràcies als seus avantatges com ara l'auto-luminiscència, alt contrast, colors rics, velocitat de resposta ràpida i pantalla flexible. S'utilitza àmpliament en telèfons intel·ligents, televisors, tauletes, rellotges intel·ligents i dispositius de realitat virtual. La tecnologia FMM és la tecnologia bàsica per realitzar la fabricació de pantalles OLED d'alta-resolució, i la tira fina d'aliatge Invar és el material principal de FMM. A causa dels requisits d'alta precisió i alta estabilitat, la tira fina d'aliatge Invar per a FMM ha de tenir un coeficient d'expansió tèrmica extremadament baix i una alta resistència mecànica per garantir que el patró de màscara d'alta-precisió es pugui mantenir durant el procés de fabricació de pantalles OLED. Especialment en la producció de pantalles OLED d'alta-resolució i de petit-pas, els requisits de rendiment de les tires d'aliatge Invar són més estrictes. Actualment, la demanda del mercat de tires d'aliatge Invar per a FMM és forta, però encara hi ha deficiències en la tecnologia de producció i el suport de la cadena industrial. En el futur, cal augmentar la inversió en R+D, millorar la tecnologia de producció i el nivell de procés, establir una inspecció de qualitat completa i un sistema estàndard, millorar el suport de la cadena industrial, explorar camps d'aplicació emergents i millorar de manera integral la qualitat i la competitivitat del mercat de les tires d'aliatge Invar.
Figura 1 FMM d'aliatge Invar (màscara de metall de precisió)
2.3 Instruments de mesura
L'aliatge Invar s'utilitza àmpliament en la fabricació de blocs de calibre{0}}d'alta precisió i regles de reixeta. Aquests instruments tenen requisits extremadament elevats per a l'estabilitat dimensional del material. El material és una opció ideal a causa del seu coeficient d'expansió tèrmica extremadament baix i excel·lents propietats mecàniques. Els blocs de calibre i les regles de reixeta tenen un paper clau en la producció industrial i la investigació científica. L'aplicació de l'aliatge Invar ha millorat molt la precisió i la fiabilitat d'aquestes eines [9, 10]. Els blocs de calibre d'aliatge Invar i les regles de reixeta es mostren a la figura 2.
a) Bloc de calibre Invar
b) Regla de reixa
Figura 2 Bloc de calibre Invar i regle de reixeta
Els blocs de calibre són instruments estàndard per al calibratge i mesura de longituds, i la seva precisió afecta directament la precisió de la producció industrial i la investigació científica. En un entorn amb canvis de temperatura, els blocs de mesura Invar poden mantenir l'estabilitat de la seva longitud, garantint així la precisió dels resultats de mesura.
Els regles de reixeta s'utilitzen en sistemes de mesura i posicionament de precisió i s'utilitzen àmpliament en equips com ara màquines-eina, microscopis i màquines de mesura de coordenades. El baix coeficient d'expansió tèrmica i l'alta resistència mecànica de l'aliatge Invar el converteixen en el material preferit per a la fabricació de regles de reixeta d'alta-precisió. Els regles de reixeta d'aliatge Invar poden mantenir unes dimensions estables quan la temperatura canvia, garantint la precisió de la mesura i el posicionament de precisió.
2.4 Aplicacions emergents
La fabricació intel·ligent i els dispositius portàtils són àrees d'aplicació emergents per a l'aliatge Invar. La fabricació intel·ligent requereix materials amb alta precisió i alta estabilitat, i les propietats úniques de l'aliatge Invar només compleixen aquests requisits. En els dispositius portàtils, les característiques lleugeres i d'alta-resistència de l'aliatge Invar el converteixen en un material ideal. A més, la biocompatibilitat de l'aliatge Invar també ofereix possibilitats potencials per a la seva aplicació en dispositius mèdics. Els components dels satèl·lits han de mantenir una mida i un rendiment estables en canvis de temperatura extrems i entorns de buit. Les característiques de l'aliatge Invar el converteixen en un material ideal per a la fabricació de marcs de satèl·lit, suports d'antena i altres peces estructurals clau.
(1) Fabricació intel·ligent La fabricació intel·ligent té alts requisits de precisió i estabilitat del material, i les propietats úniques de l'aliatge Invar només compleixen aquests requisits. En el camp de la fabricació intel·ligent, l'aliatge Invar es pot utilitzar en màquines eina d'alta-precisió, equips de mesura de precisió i sistemes de control automàtic, etc., que poden millorar significativament el rendiment i la fiabilitat dels equips. L'aplicació de l'aliatge Invar a l'eix i el carril de guia de les màquines eina de precisió pot garantir que les màquines eina encara puguin mantenir capacitats de processament d'alta-precisió quan funcionen a gran velocitat, millorant així l'eficiència de producció i la qualitat del producte.
(2) Dispositius portàtils El dispositiu portàtil que es mostra a la figura 3 requereix materials lleugers i -alta resistència. L'aliatge Invar també té un cert potencial d'aplicació en aquest sentit. L'aliatge Invar té certa biocompatibilitat. En el futur, estudiant més la biocompatibilitat i les propietats mecàniques de l'aliatge Invar, es pot ampliar la seva aplicació en dispositius portàtils.
Figura 3 Dispositius portàtils
Reptes i mesures de millora
03
(1) Qualitat insuficient i estabilitat de rendiment El subministrament insuficient de matèries primeres d'alta-puresa per a l'aliatge Invar és el principal factor que limita la seva qualitat i estabilitat. La preparació i la gestió de la cadena de subministrament de ferro i níquel d'alta -puresa afecten directament la uniformitat de la composició i la microestructura de l'aliatge Invar, afectant així les seves propietats físiques i mecàniques. Optimitzar la cadena de subministrament de matèries primeres i garantir un subministrament estable de matèries primeres d'alta-puresa són les claus per millorar la qualitat de l'aliatge Invar.
La tecnologia de fusió al buit i la refusió d'electroescòries són mètodes efectius per millorar la puresa i la uniformitat de la composició de l'aliatge Invar. La fusió al buit redueix eficaçment la barreja d'impureses i millora la puresa de l'aliatge mitjançant la fusió del metall en condicions de buit elevat. La tecnologia de refusió d'electroescòries utilitza el corrent elèctric per passar a través dels elèctrodes per fondre el metall i el fon sota la capa de cobertura d'electroescòries, eliminant eficaçment les inclusions i millorant encara més la uniformitat de la composició i la qualitat de la microestructura de l'aliatge.
Actualment, alguns camps d'aplicació especials, com els materials de nucli d'aliatge Invar per a la conducció i els motlles d'aliatge Invar requereixen excel·lents propietats mecàniques alhora que garanteixen les característiques de baixa expansió del material. Alguns estudis han adoptat l'estratègia de la microaliatge per reforçar els aliatges Invar, i han aconseguit alguns resultats. Aquest és un mètode per millorar les propietats dels materials i ampliar les aplicacions [11-15].
(2) Limitacions de l'equip de processament i procés de tractament tèrmic El procés de processament i tractament tèrmic de l'aliatge Invar té un impacte important en el seu rendiment. Tanmateix, encara hi ha deficiències evidents en l'equip de processament d'alta-precisió i en el control del procés de tractament tèrmic, cosa que dificulta que la precisió dimensional i la qualitat superficial de l'aliatge compleixin els requisits del mercat-de gamma alta. En particular, durant el procés de tractament tèrmic, la manca de control de la temperatura de canvi de fase i la regulació de la microestructura afecta seriosament el rendiment de baixa expansió i les propietats mecàniques de l'aliatge Invar.
L'optimització del procés de tractament tèrmic és crucial per a la millora del rendiment de l'aliatge Invar. El control precís de la temperatura de canvi de fase i la regulació de la microestructura és la clau. Mitjançant l'optimització de la temperatura i el temps del tractament tèrmic, el coeficient d'expansió tèrmica de l'aliatge Invar es pot reduir eficaçment i es pot millorar la seva estabilitat dimensional. Al mateix temps, controlant la velocitat de refrigeració i els paràmetres del procés, es pot optimitzar la microestructura de l'aliatge Invar i es poden millorar les seves propietats mecàniques i la precisió dimensional [16-18].
(3) Demanda de millora de la precisió dimensional i la qualitat de la superfície. A mesura que la demanda del mercat de productes d'alta-qualitat continua creixent, els requisits de precisió dimensional i qualitat superficial dels aliatges Invar també són cada cop més alts. Com millorar la precisió dimensional i la qualitat superficial dels aliatges Invar alhora que garanteix el baix rendiment d'expansió de l'aliatge s'ha convertit en un repte tècnic clau que s'enfronten els aliatges Invar en aplicacions-de gamma alta. Especialment a les indústries aeroespacial i electrònica, els requisits de precisió del material són extremadament estrictes, la qual cosa requereix una millora addicional del rendiment integral dels aliatges Invar optimitzant la tecnologia de processament i la tecnologia de control.
En l'actualitat, la investigació tècnica, el desenvolupament i les capacitats de producció de les tires d'aliatge Invar són relativament endarrerides. Hi ha poques empreses que poden produir aliatges Invar, i la majoria es mantenen al mercat-de gamma baixa. No disposen d'equips i tecnologia de producció avançats, i hi ha una gran bretxa amb el nivell avançat internacional en termes de precisió, uniformitat i estabilitat, cosa que dificulta satisfer la demanda de tires d'aliatge Invar d'alta-qualitat. L'aplicació de la tecnologia avançada de laminació en fred és un mitjà important per millorar les propietats mecàniques i la precisió dimensional dels aliatges Invar. L'aplicació integral de processos de producció avançats dirigits pot millorar significativament el rendiment integral dels aliatges Invar.
Direcció de Desenvolupament Futur
04
En el futur, el desenvolupament de nous materials d'aliatge Invar serà la direcció clau per millorar el seu rendiment integral. Mitjançant l'optimització de la composició de l'aliatge i la regulació de la microestructura, el coeficient d'expansió tèrmica de l'aliatge Invar es pot reduir encara més i es poden millorar les seves propietats mecàniques i la precisió dimensional. Al mateix temps, s'estudia el rendiment de nous materials d'aliatge en diferents entorns d'aplicació per proporcionar una base teòrica i suport tècnic per a l'aplicació de l'aliatge Invar en més camps.
La millora del rendiment integral és el focus de les futures investigacions sobre l'aliatge Invar. Mitjançant l'estudi sistemàtic de la tecnologia de fosa, forja, tractament tèrmic i processament de l'aliatge Invar, optimitzant diversos paràmetres de procés, millorant el rendiment integral de l'aliatge Invar i satisfent les necessitats de la indústria manufacturera-de gamma alta.
(1) Augmentar la inversió en recerca i desenvolupament tecnològic. El desenvolupament del mercat d'aliatges Invar requereix augmentar la inversió en recerca i desenvolupament tecnològic per millorar la tecnologia de producció i el nivell de procés. Mitjançant la introducció d'equips avançats i l'enfortiment de la cooperació de recerca-universitaria-indústria, podem promoure avenços en la preparació de matèries primeres d'alta-puresa i tecnologia de processament d'alta-precisió, i millorar la qualitat i l'estabilitat de les tires d'aliatge Invar. Realitzeu activament la cooperació internacional, apreneu i introduïu tecnologia avançada de producció estrangera i experiència de gestió, i milloreu el nivell de producció d'aliatge Invar.
(2) Establir una inspecció de qualitat completa i un sistema estàndard. Establir una inspecció de qualitat completa i un sistema estàndard per garantir que cada lot de productes pugui complir els requisits d'alta precisió i alta estabilitat, i millorar la competitivitat del mercat de les tires d'aliatge Invar.
(3) Millorar la cadena industrial de suport. La millora de la cadena industrial de tires fines d'aliatge Invar és la clau per millorar la capacitat de producció i el nivell de qualitat. Cal reforçar el desenvolupament coordinat del subministrament de matèries primeres, el processament de precisió i el processament posterior, construir un sistema complet de suport a la cadena industrial, millorar l'eficiència de la producció i la qualitat del producte i satisfer la demanda del mercat en ràpid creixement.
4) Explorar camps d'aplicació emergents. L'aliatge Invar té àmplies perspectives d'aplicació a la indústria aeroespacial, instruments de precisió i indústries electròniques. Ampliant els camps d'aplicació de les tires fines d'aliatge Invar, la demanda del mercat i l'abast d'aplicació es poden ampliar encara més.
Conclusió
05
L'aliatge Invar té àmplies perspectives d'aplicació i un important valor de mercat en el camp de la fabricació de precisió. Mitjançant una anàlisi detallada de la demanda del mercat de l'aliatge Invar a la indústria aeroespacial, electrònica, instruments de metrologia i camps d'aplicació emergents, es pot comprovar que té un paper important en la fabricació-de gamma alta. Tanmateix, l'aliatge Invar encara s'enfronta a alguns reptes en aplicacions pràctiques. Cal millorar contínuament el seu rendiment integral mitjançant estratègies com ara l'optimització del subministrament de matèries primeres, la millora dels equips de processament i el procés de tractament tèrmic i la millora de la precisió dimensional i la qualitat de la superfície per satisfer la demanda creixent del mercat i proporcionar una base material sòlida per al desenvolupament de la fabricació-de gamma alta.
