Könnyű ötvözetként, amely kulcsfontosságú a repülőgép-szállítóeszközök számára, az alumíniumötvözet makroszkopikus mechanikai tulajdonságai szorosan összefüggenek a mikroszerkezetével. Az alumíniumötvözet szerkezetében található fő ötvözőelemek megváltoztatásával az alumíniumötvözet mikroszerkezete megváltoztatható, és az anyag makroszkopikus mechanikai tulajdonságai és egyéb tulajdonságai (például korrózióállóság és hegesztési teljesítmény) jelentősen javíthatók. A mikroötvözet a mai napig a legígéretesebb technológiai fejlesztési stratégiává vált az alumíniumötvözetek mikroszerkezetének optimalizálására és az alumíniumötvözet anyagok átfogó tulajdonságainak javítására.SzkandiumAz (Sc) az alumíniumötvözetek esetében ismert leghatékonyabb mikroötvöző elem-növelő. A szkandium oldhatósága az alumínium mátrixban kevesebb, mint 0,35 tömeg%. A szkandium elem nyomokban történő hozzáadása az alumíniumötvözetekhez hatékonyan javíthatja mikroszerkezetüket, átfogóan növelheti szilárdságukat, keménységüket, képlékenységüket, hőstabilitásukat és korrózióállóságukat. A szkandiumnak számos fizikai hatása van az alumíniumötvözetekben, beleértve a szilárd oldat szilárdítását, a részecskék szilárdítását és az átkristályosodás gátlását. Ez a cikk bemutatja a szkandiumot tartalmazó alumíniumötvözetek történeti fejlődését, legújabb eredményeit és lehetséges alkalmazásait a repülőgépipari berendezések gyártása területén.
Alumínium-szkandiumötvözet kutatása és fejlesztése
A szkandium ötvözőelemként való hozzáadása az alumíniumötvözetekhez az 1960-as évekre vezethető vissza. Abban az időben a munka nagy részét bináris Al₂Sc és ternáris Al₂Mg₂Sc ötvözetrendszerekben végezték. Az 1970-es években a Szovjet Tudományos Akadémia Bajkov Kohó- és Anyagtudományi Intézete és az Összoroszországi Könnyűötvözet-kutató Intézet szisztematikus vizsgálatot végzett a szkandium alumíniumötvözetekben való megjelenéséről és mechanizmusáról. Közel negyven évnyi munka után 14 különböző minőségű alumínium-szkandiumötvözetet fejlesztettek ki három fő sorozatban (Al₂Mg₃Sc, Al₂Sc, Al₂Zn₃Mg₃Sc). A szkandiumatomok oldhatósága az alumíniumban alacsony, és megfelelő hőkezelési eljárásokkal nagy sűrűségű Al₃Sc nanokristályok csaphatók ki. Ez a kicsapódási fázis közel gömb alakú, apró részecskékkel és diszpergált eloszlással, és jó koherens kapcsolatban áll az alumínium mátrixszal, ami nagymértékben javíthatja az alumíniumötvözetek szobahőmérsékleti szilárdságát. Ezenkívül az Al3Sc nanokristályok jó hőstabilitással és durvulásállósággal rendelkeznek magas hőmérsékleten (400 ℃-on belül), ami rendkívül előnyös az ötvözet erős hőállósága szempontjából. Az orosz gyártmányú alumínium-szkandiumötvözetek közül az 1570 ötvözet nagy figyelmet kapott legnagyobb szilárdsága és széles körű alkalmazási lehetősége miatt. Ez az ötvözet kiváló teljesítményt mutat -196 ℃ és 70 ℃ közötti üzemi hőmérséklet-tartományban, és természetes szuperplaszticitással rendelkezik, amely jelentősen javított teljesítményt nyújthat az orosz gyártmányú LF6 alumíniumötvözet (egy alumínium-magnéziumötvözet, amely főként alumíniumból, magnéziumból, rézből, mangánból és szilíciumból áll) helyettesítésére a folyékony oxigénes közegben lévő teherhordó hegesztési szerkezetekben. Ezenkívül Oroszország alumínium-cink-magnézium-szkandiumötvözeteket is kifejlesztett, amelyeket az 1970 képvisel, és amelyek anyagszilárdsága meghaladja az 500 MPa-t.
Az iparosodási állapotAlumínium-szkandiumötvözet
2015-ben az Európai Unió kiadta az „Európai Kohászati Útiterv: Kilátások a gyártók és a végfelhasználók számára” című dokumentumot, amelyben az alumínium hegeszthetőségének vizsgálatát javasolta.magnézium-szkandiumötvözetek2020 szeptemberében az Európai Unió közzétett egy listát 29 kulcsfontosságú ásványi erőforrásról, köztük a szkandiumról. Az Ale Aluminum által Németországban kifejlesztett 5024H116 alumínium-magnézium-szkandiumötvözet közepes vagy nagy szilárdságú és magas sérüléstűrő képességű, így nagyon ígéretes anyag a törzsburkolathoz. Használható a hagyományos 2xxx sorozatú alumíniumötvözetek helyettesítésére, és felkerült az Airbus AIMS03-01-055 anyagbeszerzési könyvébe. Az 5028 az 5024 továbbfejlesztett minősége, amely alkalmas lézerhegesztésre és dörzshegesztésre. Elérheti a hiperbolikus integrált falpanelek kúszási formázási folyamatát, amely korrózióálló és nem igényel alumínium bevonatot. A 2524 ötvözethez képest a törzs teljes falpanel-szerkezete 5%-os szerkezeti súlycsökkentést érhet el. Az Aili Aluminum Company által gyártott AA5024-H116 alumínium-szkandiumötvözet lemezt repülőgéptörzsek és űrhajók szerkezeti alkatrészeinek gyártásához használták. Az AA5024-H116 ötvözetlemez tipikus vastagsága 1,6 mm és 8,0 mm között van, és alacsony sűrűsége, mérsékelt mechanikai tulajdonságai, magas korrózióállósága és szigorú méretbeli eltérése miatt helyettesítheti a 2524 ötvözetet törzsburkolat anyagaként. Jelenleg az AA5024-H116 ötvözetlemez rendelkezik az Airbus AIMS03-04-055 tanúsítvánnyal. 2018 decemberében a Kínai Ipari és Informatikai Minisztérium kiadta a „Kulcsfontosságú új anyagok másodlagos alkalmazási demonstrációinak első tételéhez tartozó útmutató katalógus (2018-as kiadás)” című dokumentumot, amely az új anyagok iparágának fejlesztési katalógusában a „nagy tisztaságú szkandium-oxid” szerepelt. 2019-ben a Kínai Ipari és Informatikai Minisztérium kiadta a „Kulcsfontosságú új anyagok demonstrációs alkalmazásainak első tételéhez tartozó útmutató katalógus (2019-es kiadás)” című dokumentumot, amely az új anyagok iparágának fejlesztési katalógusában az „Sc-tartalmú alumíniumötvözet-feldolgozó anyagok és Al Si Sc hegesztőhuzalok” szerepeltek. A China Aluminum Group Northeast Light Alloy kifejlesztett egy AlMgScZr sorozatú 5B70 ötvözetet, amely szkandiumot és cirkóniumot tartalmaz. A hagyományos, szkandiumot és cirkóniumot nem tartalmazó AlMgScZr sorozatú 5083 ötvözethez képest a folyáshatára és a szakítószilárdsága több mint 30%-kal nőtt. Ezenkívül az AlMgScZr ötvözet az 5083 ötvözetéhez hasonló korrózióállósággal rendelkezik. Jelenleg a főbb hazai vállalatok ipari minőségű ötvözeteket gyártanak.alumínium-szkandiumötvözetA termelési kapacitás a Northeast Light Alloy Company és a Southwest Aluminum Industry. A Northeast Light Alloy Co., Ltd. által kifejlesztett nagyméretű 5B70 alumínium-szkandiumötvözet lemez nagyméretű, vastag alumíniumötvözetből készült lemezeket képes szállítani, maximális vastagsága 70 mm és maximális szélessége 3500 mm; A vékony lemeztermékek és profiltermékek 2 mm-től 6 mm-ig terjedő vastagságtartománnyal és maximális szélességgel 1500 mm-ig testreszabhatók. A Southwest Aluminum önállóan fejlesztette ki az 5K40 anyagot, és jelentős előrelépést tett a vékony lemezek fejlesztésében. Az Al-Zn-Mg ötvözet egy idővel keményedő ötvözet, nagy szilárdsággal, jó feldolgozási teljesítménnyel és kiváló hegesztési teljesítménnyel. Nélkülözhetetlen és fontos szerkezeti anyag a jelenlegi közlekedési járművekben, például a repülőgépekben. A közepes szilárdságú hegeszthető AlZn-Mg alapján a szkandium- és cirkóniumötvözet elemek hozzáadásával apró és diszpergált Al3 (Sc, Zr) nanorészecskék képezhetők a mikroszerkezetben, jelentősen javítva az ötvözet mechanikai tulajdonságait és feszültségkorrózióállóságát. A NASA Langley Kutatóközpontja kifejlesztett egy C557 minőségű háromkomponensű alumínium-szkandiumötvözetet, amely készen áll a modellrepülésekben való alkalmazásra. Az ötvözet statikus szilárdsága, repedésterjedése és törési szívóssága alacsony hőmérsékleten (-200 ℃), szobahőmérsékleten és magas hőmérsékleten (107 ℃) egyaránt megegyezik vagy jobb, mint a 2524 ötvözeté. Az Egyesült Államokban található Northwestern Egyetem kifejlesztette az AlZn-Mg-Sc ötvözet 7000-es sorozatú ultra-nagy szilárdságú alumíniumötvözetét, amelynek szakítószilárdsága akár 680 MPa is lehet. Kialakult a közepesen nagy szilárdságú alumínium-szkandiumötvözet és az ultra-nagy szilárdságú AlZn-Mg-Sc közötti illesztési mintázat. Az AlZn-Mg-Cu-Sc ötvözet egy nagy szilárdságú alumíniumötvözet, amelynek szakítószilárdsága meghaladja a 800 MPa-t. Jelenleg a főbb minőségek névleges összetétele és alapvető teljesítményparaméterei...alumínium-szkandiumötvözetaz alábbiakban foglalhatók össze, ahogy az 1. és 2. táblázatban látható.
1. táblázat | Az alumínium-szkandiumötvözet névleges összetétele
2. táblázat | Az alumínium-szkandiumötvözet mikroszerkezete és szakítószilárdsági tulajdonságai
Az alumínium-szkandiumötvözet alkalmazási lehetőségei
Nagy szilárdságú AlZnMgCuSc és AlCuLiSc ötvözeteket alkalmaztak teherhordó szerkezeti elemekben, beleértve az orosz MiG-21 és MiG-29 vadászgépeket is. Az orosz „Mars-1” űrhajó műszerfala 1570-es alumínium-szkandiumötvözetből készült, ami összesen 20%-os súlycsökkenést eredményez. A Mars-96 űrhajó műszermoduljának teherhordó alkatrészei 1970-es szkandiumot tartalmazó alumíniumötvözetből készülnek, ami 10%-kal csökkenti a műszermodul súlyát. A „Clean Sky” program és az EU „2050 Flight Route” projektjében az Airbus integrált raktérajtó-tervezési, kutatási és fejlesztési, gyártási és telepítési tesztrepüléseket végzett az A321 repülőgépekre, amelyek az 5024-es alumínium-szkandiumötvözet utódjára, az AA5028-H116 minőségű alumínium-szkandiumötvözetre épültek. Az AA5028 által képviselt alumínium-szkandiumötvözetek kiváló feldolgozási és hegesztési teljesítményt mutattak. A szkandiumot tartalmazó alumíniumötvözet anyagok megbízható csatlakoztatásához fejlett hegesztési technikákat, például dörzshegesztést és lézerhegesztést alkalmaztak. A „szegecselés helyett hegesztés” fokozatos bevezetése a repülőgépek megerősített vékonylemez-szerkezeteiben nemcsak a repülőgép anyagainak és szerkezeti integritásának állandóságát biztosítja, hatékony és alacsony költségű gyártást eredményezve, hanem súlycsökkentést és tömítést is eredményez. hatások. A China Aerospace Special Materials Research Institute által végzett alumínium-szkandium 5B70 ötvözet alkalmazáskutatása áttörést jelentett a változó falvastagságú alkatrészek erős forgatásának, a korrózióállóság és a szilárdsági illesztés szabályozásának, valamint a hegesztési maradékfeszültség szabályozásának technológiáin. Előállítottak alumínium-szkandium ötvözetből készült adaptív hegesztőhuzalt, és az ötvözet vastag lemezeinek súrlódási szilárdsági együtthatója elérheti a 0,92-t. A China Space Technology Academy, a Central South University és mások kiterjedt mechanikai teljesítményvizsgálatokat és folyamatkísérleteket végeztek az 5B70 anyagon, korszerűsítették és iterálták az 5A06 szerkezeti anyagkiválasztási sémáját, és megkezdték az 5B70 alumíniumötvözet alkalmazását az űrállomás lezárt kabinjának és visszatérő kabinjának teljes megerősített falpaneljeinek fő szerkezetére. A lemezszerkezetű nyomás alatti kabin teljes falpaneljét héj és megerősítő bordák kombinációjával tervezték, ami nagyobb szerkezeti integrációt és súlyoptimalizálást eredményez. Az általános merevség és szilárdság javítása mellett csökkenti a csatlakozó alkatrészek számát és összetettségét, ezáltal tovább csökkenti a súlyt, miközben megőrzi a nagy teljesítményt. Az 5B70 anyagmérnöki alkalmazásának előmozdításával a... Az 5B70 anyag fokozatosan növekedni fog, és meghaladja a minimális ellátási küszöböt, ami segít biztosítani a folyamatos termelést és a nyersanyagok stabil minőségét, valamint jelentősen csökkenti a nyersanyagárakat. Amint azt korábban említettük, bár az alumíniumötvözetek számos tulajdonságát javították a szkandium mikroötvözetével, a szkandium magas ára és ritkasága korlátozza az alumínium-szkandiumötvözetek alkalmazási körét. Az olyan alumíniumötvözet anyagokhoz képest, mint az AlCu, AlZn, AlZnMg, a szkandiumot tartalmazó alumíniumötvözetek jó átfogó mechanikai tulajdonságokkal, korrózióállósággal és kiváló feldolgozási tulajdonságokkal rendelkeznek, ami széles körű alkalmazási lehetőségeket kínál az ipari területeken, például a repülőgépiparban található fő szerkezeti elemek gyártásában. A szkandium mikroötvözet-technológiával kapcsolatos kutatások folyamatos elmélyülésével, valamint az ellátási lánc és az ipari lánc illesztésének javításával fokozatosan javulnak azok az ár- és költségtényezők, amelyek korlátozzák a szkandium-alumíniumötvözetek nagymértékű ipari alkalmazását. Az alumínium-szkandiumötvözetek jó átfogó mechanikai tulajdonságai, korrózióállósága és kiváló feldolgozási tulajdonságai egyértelmű szerkezeti súlycsökkentési előnyökkel és széles körű alkalmazási potenciállal rendelkeznek a repülőgépipari berendezések gyártása területén.
Közzététel ideje: 2024. október 29.