Fiind un aliaj ușor esențial pentru echipamentele de transport aviatic, proprietățile mecanice macroscopice ale aliajului de aluminiu sunt strâns legate de microstructura sa. Prin schimbarea principalelor elemente de aliere din structura aliajului de aluminiu, se poate modifica microstructura aliajului de aluminiu, iar proprietățile mecanice macroscopice și alte proprietăți (cum ar fi rezistența la coroziune și performanța de sudare) ale materialului pot fi îmbunătățite semnificativ. Până în prezent, microalierea a devenit cea mai promițătoare strategie de dezvoltare tehnologică pentru optimizarea microstructurii aliajelor de aluminiu și îmbunătățirea proprietăților complete ale materialelor din aliaje de aluminiu.Scandiu(Sc) este cel mai eficient agent de îmbunătățire a microalierii cunoscut pentru aliajele de aluminiu. Solubilitatea scandiului în matricea de aluminiu este mai mică de 0,35% în greutate. Adăugarea de urme de element scandiu la aliajele de aluminiu poate îmbunătăți eficient microstructura acestora, sporind complet rezistența, duritatea, plasticitatea, stabilitatea termică și rezistența la coroziune. Scandiul are multiple efecte fizice în aliajele de aluminiu, inclusiv întărirea în soluție solidă, întărirea particulelor și inhibarea recristalizării. Acest articol va introduce dezvoltarea istorică, cele mai recente progrese și potențialele aplicații ale aliajelor de aluminiu care conțin scandiu în domeniul fabricării echipamentelor de aviație.
Cercetare și dezvoltare a aliajului de aluminiu scandiu
Adăugarea scandiului ca element de aliere la aliajele de aluminiu poate fi urmărită încă din anii 1960. La acea vreme, majoritatea lucrărilor au fost efectuate în sisteme binare de aliaje AlSc și ternare AlMgSc. În anii 1970, Institutul Baykov de Metalurgie și Știința Materialelor al Academiei Sovietice de Științe și Institutul Rus de Cercetare a Aliajelor Ușoare au efectuat un studiu sistematic asupra formei și mecanismului scandiului în aliajele de aluminiu. După aproape patruzeci de ani de eforturi, au fost dezvoltate 14 clase de aliaje de aluminiu-scandiu în trei serii majore (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Solubilitatea atomilor de scandiu în aluminiu este scăzută, iar prin utilizarea unor procese adecvate de tratament termic, se pot precipita nanoprecipitate de Al3Sc de densitate mare. Această fază de precipitare este aproape sferică, cu particule mici și distribuție dispersată și are o relație bună de coerență cu matricea de aluminiu, ceea ce poate îmbunătăți considerabil rezistența aliajelor de aluminiu la temperatura camerei. În plus, nanoprecipitatele de Al3Sc au o bună stabilitate termică și rezistență la coagulare la temperaturi ridicate (în limita a 400 ℃), ceea ce este extrem de benefic pentru rezistența puternică la căldură a aliajului. În aliajele de aluminiu-scandiu fabricate în Rusia, aliajul 1570 a atras multă atenție datorită rezistenței sale maxime și a celei mai largi aplicații. Acest aliaj prezintă performanțe excelente în intervalul de temperaturi de lucru de la -196 ℃ la 70 ℃ și are o superplasticitate naturală, putând înlocui aliajul de aluminiu LF6 fabricat în Rusia (un aliaj de aluminiu-magneziu compus în principal din aluminiu, magneziu, cupru, mangan și siliciu) pentru structuri de sudură portante în mediu de oxigen lichid, cu performanțe semnificativ îmbunătățite. În plus, Rusia a dezvoltat, de asemenea, aliaje de aluminiu-zinc-magneziu-scandiu, reprezentate de 1970, cu o rezistență a materialului de peste 500 MPa.
Starea de industrializare aAliaj de aluminiu scandiu
În 2015, Uniunea Europeană a lansat „Foaia de parcurs metalurgică europeană: perspective pentru producători și utilizatori finali”, propunând studierea sudabilității aluminiului.aliaje de magneziu și scandiuÎn septembrie 2020, Uniunea Europeană a publicat o listă cu 29 de resurse minerale cheie, inclusiv scandiu. Aliajul de aluminiu-magneziu-scandiu 5024H116, dezvoltat de Ale Aluminum în Germania, are o rezistență medie spre mare și o toleranță ridicată la deteriorare, ceea ce îl face un material foarte promițător pentru învelișul fuselajului. Poate fi utilizat pentru a înlocui aliajele tradiționale de aluminiu din seria 2xxx și a fost inclus în registrul de achiziții de materiale AIMS03-01-055 al Airbus. 5028 este o calitate îmbunătățită a 5024, potrivită pentru sudarea cu laser și sudarea prin frecare-agitare. Poate realiza procesul de formare prin fluaj a panourilor de perete integrale hiperbolice, care este rezistentă la coroziune și nu necesită acoperire cu aluminiu. Comparativ cu aliajul 2524, structura generală a panoului de perete al fuselajului poate realiza o reducere a greutății structurale cu 5%. Foaia din aliaj de aluminiu-scandiu AA5024-H116 produsă de Aili Aluminum Company a fost utilizată pentru fabricarea componentelor structurale ale fuselajului aeronavelor și navelor spațiale. Grosimea tipică a foii de aliaj AA5024-H116 este de 1,6 mm până la 8,0 mm și, datorită densității sale reduse, proprietăților mecanice moderate, rezistenței ridicate la coroziune și abaterilor dimensionale stricte, aceasta poate înlocui aliajul 2524 ca material pentru învelișul fuselajului. În prezent, foaia de aliaj AA5024-H116 a fost certificată de Airbus AIMS03-04-055. În decembrie 2018, Ministerul Industriei și Tehnologiei Informației din China a lansat „Catalogul îndrumător pentru primul lot de demonstrații de aplicații secundare ale noilor materiale cheie (ediția 2018)”, care a inclus „oxid de scandiu de înaltă puritate” în catalogul de dezvoltare al industriei noilor materiale. În 2019, Ministerul Industriei și Tehnologiei Informației din China a lansat „Catalogul îndrumător pentru primul lot de aplicații demonstrative ale noilor materiale cheie (ediția 2019)”, care a inclus „materiale de prelucrare a aliajelor de aluminiu care conțin Sc și sârme de sudură AlSiSc” în catalogul de dezvoltare al industriei noilor materiale. China Aluminum Group Northeast Light Alloy a dezvoltat un aliaj AlMgScZr din seria 5B70 care conține scandiu și zirconiu. Comparativ cu aliajul tradițional AlMg din seria 5083, fără scandiu și zirconiu, rezistența la rupere și la tracțiune au crescut cu peste 30%. Mai mult, aliajul AlMgScZr poate menține o rezistență la coroziune comparabilă cu aliajul 5083. În prezent, principalele întreprinderi autohtone cu oțel de calitate industrială...aliaj de aluminiu scandiuCapacitatea de producție este reprezentată de Northeast Light Alloy Company și Southwest Aluminum Industry. Tabla de aliaj de aluminiu scandiu 5B70 de dimensiuni mari, dezvoltată de Northeast Light Alloy Co., Ltd., poate furniza plăci groase de aliaj de aluminiu de dimensiuni mari, cu o grosime maximă de 70 mm și o lățime maximă de 3500 mm; Produsele din tablă subțire și produsele profilate pot fi personalizate pentru producție, cu o grosime cuprinsă între 2 mm și 6 mm și o lățime maximă de 1500 mm. Southwest Aluminum a dezvoltat independent materialul 5K40 și a făcut progrese semnificative în dezvoltarea plăcilor subțiri. Aliajul Al Zn Mg este un aliaj cu întărire în timp, cu rezistență ridicată, performanțe bune de prelucrare și performanțe excelente de sudare. Este un material structural indispensabil și important în vehiculele de transport actuale, cum ar fi avioanele. Pe baza AlZn Mg sudabil de rezistență medie, adăugarea de elemente din aliaje de scandiu și zirconiu poate forma nanoparticule de Al3 (Sc, Zr) mici și dispersate în microstructură, îmbunătățind semnificativ proprietățile mecanice și rezistența la coroziune sub stres a aliajului. Centrul de Cercetare Langley al NASA a dezvoltat un aliaj ternar de aluminiu-scandiu cu gradul C557, care este gata de utilizare în misiuni model. Rezistența statică, propagarea fisurilor și tenacitatea la fractură a acestui aliaj la temperatură scăzută (-200 ℃), temperatura camerei și temperatura ridicată (107 ℃) sunt toate egale sau mai bune decât cele ale aliajului 2524. Universitatea Northwestern din Statele Unite a dezvoltat aliajul de aluminiu de ultra-înaltă rezistență din seria 7000 AlZnMgSc, cu o rezistență la tracțiune de până la 680 MPa. S-a format un model de dezvoltare a îmbinărilor între aliajul de aluminiu-scandiu de rezistență medie-înaltă și AlZnMgSc de rezistență ultra-înaltă. Aliajul AlZnMgCuSc este un aliaj de aluminiu de înaltă rezistență cu o rezistență la tracțiune care depășește 800 MPa. În prezent, compoziția nominală și parametrii de performanță de bază ai principalelor clase de...aliaj de aluminiu scandiusunt rezumate după cum urmează, așa cum se arată în tabelele 1 și 2.
Tabelul 1 | Compoziția nominală a aliajului de aluminiu-scandiu
Tabelul 2 | Microstructura și proprietățile de tracțiune ale aliajului de aluminiu-scandiu
Perspective de aplicare ale aliajului de aluminiu scandiu
Aliajele Al Zn Mg Cu Sc și Al CuLi Sc de înaltă rezistență au fost aplicate la componente structurale portante, inclusiv la avioanele de vânătoare rusești MiG-21 și MiG-29. Bordul navei spațiale rusești „Mars-1” este fabricat din aliaj de aluminiu scandiu 1570, cu o reducere totală a greutății de 20%. Componentele portante ale modulului de instrumente al navei spațiale Mars-96 sunt fabricate din aliaj de aluminiu 1970 care conține scandiu, reducând greutatea modulului de instrumente cu 10%. În cadrul programului „Clean Sky” și al proiectului UE „2050 Flight Route”, Airbus a efectuat zboruri de testare integrate pentru proiectarea, cercetarea și dezvoltarea, fabricarea și instalarea ușilor de marfă pentru aeronavele A321, bazate pe aliajul de aluminiu scandiu AA5028-H116, de calitate succesoare, din aliajul de aluminiu scandiu 5024. Aliajele de aluminiu scandiu reprezentate de AA5028 au demonstrat performanțe excelente de procesare și sudare. Utilizarea tehnicilor avansate de sudare, cum ar fi sudarea prin frecare-agitare și sudarea cu laser, a permis realizarea unei conexiuni fiabile a materialelor din aliaje de aluminiu care conțin scandiu. Implementarea treptată a „sudării în loc de nituire” în structurile subțiri armate ale aeronavelor nu numai că menține consecvența materialelor aeronavei și integritatea structurală, obținând o fabricație eficientă și cu costuri reduse, dar are și efecte de reducere a greutății și etanșare. Cercetarea aplicațiilor aliajului de aluminiu scandiu 5B70, realizată de Institutul de Cercetare a Materialelor Speciale Aerospațiale din China, a depășit tehnologiile de filare puternică a componentelor cu grosime variabilă a pereților, controlul rezistenței la coroziune și a potrivirii rezistenței, precum și controlul tensiunii reziduale de sudură. S-a preparat o sârmă de sudură adaptivă din aliaj de aluminiu scandiu, iar coeficientul de rezistență la îmbinare prin sudare prin frecare-agitare pentru plăci groase din aliaj poate ajunge la 0,92. Academia Chineză de Tehnologie Spațială, Universitatea Centrală de Sud și alții au efectuat teste ample de performanță mecanică și experimente de proces pe materialul 5B70, au modernizat și iterat schema de selecție a materialelor structurale pentru 5A06 și au început să aplice aliajul de aluminiu 5B70 la structura principală a panourilor de perete armate ale cabinei etanșe și cabinei de retur ale stației spațiale. Panoul de perete general al cabinei presurizate cu structură de placă este proiectat cu o combinație de nervuri de întărire și piele, realizând o integrare structurală mai mare și o optimizare a greutății. Îmbunătățește rigiditatea și rezistența generală, reduce numărul și complexitatea componentelor de conectare, reducând astfel și mai mult greutatea, menținând în același timp performanțe ridicate. Odată cu promovarea aplicării ingineriei materialelor 5B70, utilizarea materialului 5B70 va... să crească treptat și să depășească pragul minim de aprovizionare, ceea ce va contribui la asigurarea producției continue și a calității stabile a materiilor prime și la reducerea semnificativă a prețurilor materiilor prime. După cum am menționat anterior, deși multe proprietăți ale aliajelor de aluminiu au fost îmbunătățite prin microalierea scandiului, prețul ridicat și raritatea scandiului limitează gama de aplicații a aliajelor de aluminiu-scandiu. Comparativ cu materialele din aliaje de aluminiu, cum ar fi AlCu, AlZn, AlZnMg, materialele din aliaje de aluminiu care conțin scandiu au proprietăți mecanice complete bune, rezistență la coroziune și caracteristici excelente de procesare, ceea ce le conferă perspective largi de aplicare în fabricarea principalelor componente structurale în domenii industriale precum aerospațial. Odată cu aprofundarea continuă a cercetării privind tehnologia de microaliere a scandiului și îmbunătățirea corelării lanțului de aprovizionare cu lanțul industrial, factorii de preț și cost care restricționează aplicarea industrială la scară largă a aliajelor de aluminiu-scandiu se vor îmbunătăți treptat. Proprietățile mecanice complete bune, rezistența la coroziune și caracteristicile excelente de procesare ale aliajelor de aluminiu-scandiu le conferă avantaje clare de reducere a greutății structurale și un potențial larg de aplicare în domeniul fabricării echipamentelor de aviație.
Data publicării: 29 oct. 2024