Како лесна легура која е клучна за опремата за воздухопловен транспорт, макроскопските механички својства на алуминиумската легура се тесно поврзани со нејзината микроструктура. Со промена на главните легирачки елементи во структурата на алуминиумската легура, микроструктурата на алуминиумската легура може да се промени, а макроскопските механички својства и другите својства (како што се отпорноста на корозија и перформансите на заварување) на материјалот можат значително да се подобрат. Досега, микролегирањето стана најперспективната стратегија за технолошки развој за оптимизирање на микроструктурата на алуминиумските легури и подобрување на сеопфатните својства на материјалите од алуминиумски легури.Скандиум(Sc) е најефикасниот засилувач на микролегирачки елементи познат за алуминиумски легури. Растворливоста на скандиум во алуминиумска матрица е помала од 0,35 тежински%, Додавањето траги од скандиумски елемент во алуминиумските легури може ефикасно да ја подобри нивната микроструктура, сеопфатно да ја зголеми нивната цврстина, тврдост, пластичност, термичка стабилност и отпорност на корозија. Скандиумот има повеќекратни физички ефекти во алуминиумските легури, вклучувајќи зајакнување во цврст раствор, зајакнување на честички и инхибиција на рекристализација. Оваа статија ќе го претстави историскиот развој, најновиот напредок и потенцијалните примени на алуминиумските легури што содржат скандиум во областа на производството на воздухопловна опрема.
Истражување и развој на алуминиумска скандиумска легура
Додавањето на скандиум како легирачки елемент во алуминиумските легури може да се проследи до 1960-тите. Во тоа време, поголемиот дел од работата се извршувала во бинарни AlSc и тернерни AlMgSc легурни системи. Во 1970-тите, Бајковскиот институт за металургија и наука за материјали при Советската академија на науките и Серускиот институт за истражување на лесни легури спроведоа систематска студија за формата и механизмот на скандиум во алуминиумските легури. По речиси четириесет години труд, развиени се 14 степени на алуминиумски легури на скандиум во три главни серии (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Растворливоста на атомите на скандиум во алуминиум е ниска, а со користење на соодветни процеси на термичка обработка, може да се таложат нано-талоги со висока густина на Al3Sc. Оваа фаза на таложење е речиси сферична, со мали честички и дисперзирана дистрибуција, и има добра кохерентна врска со алуминиумската матрица, што може значително да ја подобри цврстината на алуминиумските легури на собна температура. Покрај тоа, Al3Sc нано талогите имаат добра термичка стабилност и отпорност на згрутчување на високи температури (во рамките на 400 ℃), што е исклучително корисно за силната топлинска отпорност на легурата. Кај руски произведените алуминиумски скандиумски легури, легурата 1570 привлече големо внимание поради својата највисока цврстина и најширока примена. Оваа легура покажува одлични перформанси во работен температурен опсег од -196 ℃ до 70 ℃ и има природна суперпластичност, што може да ја замени руски произведената алуминиумска легура LF6 (легура на алуминиумски магнезиум главно составена од алуминиум, магнезиум, бакар, манган и силициум) за заварување на носиви конструкции во течен кислороден медиум, со значително подобрени перформанси. Покрај тоа, Русија разви и алуминиумски цинк-магнезиумски скандиумски легури, претставени од 1970, со материјална цврстина од над 500MPa.
Статусот на индустријализација наАлуминиумска легура на скандиум
Во 2015 година, Европската Унија го објави „Европскиот металуршки патоказ: Перспективи за производителите и крајните корисници“, во кој се предлага да се проучи заварливоста на алуминиумот.легури на магнезиум-скандиумВо септември 2020 година, Европската Унија објави список од 29 клучни минерални ресурси, вклучувајќи го и скандиумот. Легурата од алуминиум и магнезиум скандиум 5024H116, развиена од Ale Aluminum во Германија, има средна до висока цврстина и висока толеранција на оштетување, што ја прави многу ветувачки материјал за обвивка на трупот. Може да се користи за замена на традиционалните алуминиумски легури од серијата 2xxx и е вклучена во книгата за набавка на материјали AIMS03-01-055 на Airbus. 5028 е подобрена класа на 5024, погодна за ласерско заварување и заварување со триење и мешање. Може да го постигне процесот на лазење на хиперболични интегрални ѕидни панели, што е отпорно на корозија и не бара алуминиумско обложување. Во споредба со легурата 2524, целокупната структура на ѕидните панели на трупот може да постигне намалување на структурната тежина од 5%. Листот од легура на алуминиум и скандиум AA5024-H116, произведен од компанијата Aili Aluminum, се користи за производство на структурни компоненти на трупот на авиони и вселенски летала. Типичната дебелина на легираниот лим AA5024-H116 е од 1,6 mm до 8,0 mm, а поради неговата мала густина, умерени механички својства, висока отпорност на корозија и строго димензионално отстапување, може да ја замени легурата 2524 како материјал за обвивката на трупот. Моментално, легираниот лим AA5024-H116 е сертифициран од Airbus AIMS03-04-055. Во декември 2018 година, Министерството за индустрија и информатичка технологија на Кина го објави „Водечкиот каталог за првата серија демонстрации на секундарна примена на клучни нови материјали (издание 2018)“, кој вклучуваше „скандиум оксид со висока чистота“ во каталогот за развој на индустријата за нови материјали. Во 2019 година, Министерството за индустрија и информатичка технологија на Кина го објави „Водечкиот каталог за првата серија демонстративни примени на клучни нови материјали (издание 2019)“, кој вклучуваше „материјали за обработка на алуминиумски легури што содржат Sc и жици за заварување AlSiSc“ во каталогот за развој на индустријата за нови материјали. Кинеската алуминиумска групација Northeast Light Alloy разви легура AlMgScZr серија 5B70 што содржи скандиум и циркониум. Во споредба со традиционалната легура AlMg серија 5083 без скандиум и циркониум, нејзината истегнување и цврстина на истегнување се зголемени за повеќе од 30%. Покрај тоа, легурата AlMgScZr може да одржи споредлива отпорност на корозија како легурата 5083. Во моментов, главните домашни претпријатија со индустриски квалитет...алуминиумска скандиумска легураПроизводствениот капацитет го имаат Northeast Light Alloy Company и Southwest Aluminum Industry. Големиот лим од легура на алуминиум-скандиум 5B70, развиен од Northeast Light Alloy Co., Ltd., може да испорача големи дебели плочи од легура на алуминиум со максимална дебелина од 70 mm и максимална ширина од 3500 mm; тенки лимови и профилни производи може да се прилагодат за производство, со опсег на дебелина од 2 mm до 6 mm и максимална ширина од 1500 mm. Southwest Aluminum независно разви материјал 5K40 и постигна значителен напредок во развојот на тенки плочи. Легурата AlZnMg е легура што се стврднува со време со висока цврстина, добри перформанси на обработка и одлични перформанси на заварување. Таа е неопходен и важен структурен материјал во тековните транспортни возила како што се авионите. Врз основа на средна цврстина на заварливи AlZnMg, додавањето елементи од легура на скандиум и циркониум може да формира мали и дисперзирани Al3 (Sc, Zr) наночестички во микроструктурата, значително подобрувајќи ги механичките својства и отпорноста на корозија на легурата на стрес. Истражувачкиот центар Ленгли на НАСА разви тернарна легура на алуминиум-скандиум со степен C557, која е подготвена за примена во модел мисии. Статичката цврстина, ширењето на пукнатини и отпорноста на кршење на оваа легура на ниска температура (-200 ℃), собна температура и висока температура (107 ℃) се еднакви или подобри од оние на легурата 2524. Универзитетот Нортвестерн во Соединетите Американски Држави ја разви легурата AlZnMgSc од серијата 7000 со ултра-висока цврстина на алуминиумска легура, со цврстина на истегнување до 680MPa. Формиран е модел на развој на спојки помеѓу легура на алуминиум-скандиум со средна висока цврстина и ултра-висока цврстина AlZnMgSc. Легурата AlZnMgCuSc е легура на алуминиум со висока цврстина со цврстина на истегнување што надминува 800 MPa. Во моментов, номиналниот состав и основните параметри на перформансите на главните степени наалуминиумска скандиумска легурасе сумирани на следниов начин, како што е прикажано во табелите 1 и 2.
Табела 1 | Номинален состав на легура од алуминиум и скандиум
Табела 2 | Микроструктура и затегнувачки својства на алуминиумска скандиумска легура
Перспективи за примена на легура од алуминиум-скандиум
Легурите Al-Zn-Mg-Cu-Sc и Al-CuLi-Sc со висока цврстина се применуваат на структурни компоненти што носат товар, вклучувајќи ги и руските борбени авиони МиГ-21 и МиГ-29. Контролната табла на руското вселенско летало „Марс-1“ е изработена од легура на алуминиумски скандиум 1570, со вкупно намалување на тежината од 20%. Носечките компоненти на инструменталниот модул на вселенското летало Марс-96 се направени од легура на алуминиум 1970 што содржи скандиум, со што се намалува тежината на инструменталниот модул за 10%. Во програмата „Чисто небо“ и проектот на ЕУ „Летна рута 2050“, Ербас спроведе интегриран дизајн, истражување и развој, производство и тест летови за инсталација на врати од товарен простор за авиони А321 базирани на наследничката легура на алуминиумски скандиум AA5028-H116 од легура на алуминиумски скандиум 5024. Легурите на алуминиумски скандиум претставени со AA5028 покажаа одлични перформанси на обработка и заварување. Користејќи напредни техники на заварување како што се заварување со триење и мешање и ласерско заварување, се постигнува сигурно поврзување на материјали од легури на алуминиум што содржат скандиум. Постепената имплементација на „заварување наместо заковување“ во структурите со тенки плочи зајакнати со авиони не само што ја одржува конзистентноста на материјалите на авионот и структурниот интегритет, постигнувајќи ефикасно и нискобуџетно производство, туку и има... Намалување на тежината и ефекти на запечатување. Истражувањето на примената на легурата од алуминиум скандиум 5B70 од страна на Кинескиот институт за истражување на воздухопловни специјални материјали ги проби технологиите на силно предење на компоненти со променлива дебелина на ѕидот, контрола на отпорноста на корозија и усогласување на цврстината и контрола на преостанатиот стрес на заварувањето. Подготвена е адаптивна жица за заварување од легура на алуминиум скандиум, а коефициентот на цврстина на спојот при триење со мешање заварување за дебели плочи во легурата може да достигне 0,92. Кинеската академија за вселенска технологија, Централниот јужен универзитет и други спроведоа обемни механички тестирања на перформансите и процесни експерименти на материјалот 5B70, ја надградија и повторија шемата за избор на структурен материјал за 5A06 и почнаа да ја применуваат легурата од алуминиум 5B70 на главната структура на целокупните армирани ѕидни панели на запечатената кабина и кабината за враќање на вселенската станица. Целокупниот ѕиден панел на кабината под притисок со структурата на плочи е дизајниран со комбинација од обвивка и армирачки ребра, постигнувајќи поголема структурна интеграција и оптимизација на тежината. Додека се подобрува целокупната цврстина и цврстина, се намалува бројот и сложеноста на поврзувачките компоненти, со што дополнително се намалува тежината, а се одржуваат високи перформанси. Со промоцијата на примената на инженерството на материјали 5B70, употребата... на материјалот 5B70 постепено ќе се зголемува и ќе го надминува минималниот праг на снабдување, што ќе помогне да се обезбеди континуирано производство и стабилен квалитет на суровините, а значително ќе се намалат цените на суровините. Како што споменавме претходно, иако многу својства на алуминиумските легури се подобрени преку микролегирање со скандиум, високата цена и недостигот на скандиум го ограничуваат опсегот на примена на алуминиумските легури на скандиум. Во споредба со материјалите од алуминиумски легури како што се Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, материјалите од алуминиумски легури што содржат скандиум имаат добри сеопфатни механички својства, отпорност на корозија и одлични карактеристики на обработка, што ги прави да имаат широки перспективи за примена во производството на главни структурни компоненти во индустриските области како што е воздухопловството. Со континуирано продлабочување на истражувањето на технологијата за микролегирање со скандиум и подобрувањето на синџирот на снабдување и усогласувањето на индустрискиот синџир, факторите на цена и трошоци што ја ограничуваат индустриската примена на алуминиумските легури на скандиум во големи размери постепено ќе се подобруваат. Добрите сеопфатни механички својства, отпорноста на корозија и одличните карактеристики на обработка на алуминиумските легури на скандиум ги прават да имаат јасни структурни предности за намалување на тежината и широк потенцијал за примена во областа на производството на воздухопловна опрема.
Време на објавување: 29 октомври 2024 година