Ca un aliaj ușor care este crucial pentru echipamentele de transport de aviație, proprietățile mecanice macroscopice ale aliajului de aluminiu sunt strâns legate de microstructura sa. Prin modificarea elementelor principale de aliere în structura aliajului de aluminiu, microstructura aliajului de aluminiu poate fi modificată, iar proprietățile mecanice macroscopice și alte proprietăți (cum ar fi rezistența la coroziune și performanța de sudare) a materialului pot fi îmbunătățite semnificativ. Până în prezent, microaliajul a devenit cea mai promițătoare strategie de dezvoltare tehnologică pentru optimizarea microstructurii aliajelor de aluminiu și îmbunătățirea proprietăților cuprinzătoare ale materialelor din aliaj de aluminiu.Scandium(SC) este cel mai eficient îmbunătățitor de element de microalloying cunoscut pentru aliajele de aluminiu. Solubilitatea scandiului în matricea de aluminiu este mai mică de 0,35%în greutate, adăugând cantități de urme de element de scandium la aliajele de aluminiu își poate îmbunătăți eficient microstructura, îmbunătățesc în mod cuprinzător rezistența lor, duritatea, plasticitatea, stabilitatea termică și rezistența la coroziune. Scandium are multiple efecte fizice în aliajele de aluminiu, inclusiv întărirea soluției solide, întărirea particulelor și inhibarea recristalizării. Acest articol va introduce dezvoltarea istorică, ultimele progrese și aplicațiile potențiale ale scandiumului care conțin aliaje de aluminiu în domeniul producției de echipamente de aviație.
Cercetarea și dezvoltarea aliajului de scandium din aluminiu
Adăugarea scandiului ca element de aliere la aliajele de aluminiu poate fi urmărită în anii '60. În acea perioadă, cea mai mare parte a lucrărilor a fost realizată în sistemele binare AL SC și Ternary ALMG SC. În anii '70, Institutul de Metalurgie și Materiale Baykov Science of the Soviet Academy of Sciences and the All Russian Institute of Light Alloy Research a realizat un studiu sistematic asupra formei și mecanismului de scandium în aliaje de aluminiu. După aproape patruzeci de ani de efort, au fost dezvoltate 14 clase de aliaje de scandium de aluminiu în trei serii majore (Al MG SC, AL LI SC, AL ZN MG SC). Solubilitatea atomilor de scandium în aluminiu este scăzută, iar prin utilizarea proceselor adecvate de tratament termic, pot fi precipitate precipitații NANO AL3SC de înaltă densitate. Această fază de precipitații este aproape sferică, cu particule mici și distribuție dispersată și are o relație coerentă bună cu matricea de aluminiu, care poate îmbunătăți considerabil rezistența la temperatura camerei a aliajelor de aluminiu. În plus, precipitatele AL3SC Nano au o stabilitate termică bună și o rezistență la îngroșare la temperaturi ridicate (la 400 ℃), ceea ce este extrem de benefic pentru rezistența la căldură puternică a aliajului. În aliajele de scandium din aluminiu din Rusia, aliajul 1570 a atras multă atenție datorită forței sale cele mai mari și a celei mai largi aplicații. Acest aliaj prezintă performanțe excelente în intervalul de temperatură de lucru de la -196 ℃ ℃ 70 ℃ și are superplasticitate naturală, care poate înlocui aliajul de aluminiu LF6 din rusă (un aliaj de magneziu de aluminiu compus în principal din aluminiu, magneziu, cupru, mangan și siliciu) pentru structuri de sudură cu oxigen lichid, cu o performanță semnificativ îmbunătățită. În plus, Rusia a dezvoltat, de asemenea, aliaje de scandiu de magneziu de zinc din aluminiu, reprezentate de 1970, cu o rezistență materială de peste 500MPa.
Statutul de industrializare aAliaj de scandium din aluminiu
În 2015, Uniunea Europeană a lansat „Foaia de parcurs metalurgică europeană: perspective pentru producători și utilizatori finali”, propunând să studieze sudabilitatea aluminiuluiAliaje de scandium de magneziu. În septembrie 2020, Uniunea Europeană a lansat o listă cu 29 de resurse minerale cheie, inclusiv Scandium. Aliajul de scandium de magneziu 5024H116 din aluminiu dezvoltat de ALE Aluminum în Germania are o toleranță de rezistență medie până la mare și de daune ridicate, ceea ce îl face un material foarte promițător pentru pielea fuselajului. Poate fi utilizat pentru a înlocui aliajele tradiționale de aluminiu din seria 2xxx și a fost inclusă în Airbus 'AIMS03-01-055 Cartea de achiziții de materiale. 5028 este un grad îmbunătățit de 5024, potrivit pentru sudarea cu laser și sudarea cu agitare a frecării. Poate realiza procesul de formare a fluajului de panouri integrale hiperbolice, care este rezistent la coroziune și nu necesită acoperire din aluminiu. Comparativ cu 2524 aliaj, structura totală a panoului de perete a fuselajului poate obține o reducere a greutății structurale de 5%. Foaia de aliaj de scandium din aluminiu AA5024-H116, produsă de Aili Aluminum Company, a fost utilizată pentru fabricarea fuselajului aeronavei și a componentelor structurale pentru nave spațiale. Grosimea tipică a foii de aliaj AA5024-H116 este de 1,6 mm până la 8,0 mm și datorită densității mici, proprietăților mecanice moderate, rezistenței ridicate la coroziune și abaterii dimensionale stricte, poate înlocui 2524 aliaj ca material de piele de fuselaj. 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 de ghidare pentru primul lot de demonstrații de aplicații secundare ale materialelor noi cheie (ediția 2018)”, care a inclus „oxid de scandium de înaltă puritate” în catalogul de dezvoltare al noii industrie a materialelor. În 2019, Ministerul Industriei și Tehnologiei Informației din China a lansat „Catalogul de orientare pentru primul lot de aplicații demonstrative ale materialelor noi cheie (ediția 2019)”, care a inclus „SC care conține materiale de procesare a aliajului de aluminiu și fire de sudare Al SI SC” în catalogul de dezvoltare al noii industrie a materialelor. Grupul de aluminiu din China Aliaj Northeast Light a dezvoltat un aliaj Al MG SC ZR Seria 5B70 care conține scandium și zirconiu. În comparație cu aliajul tradițional al MG Seria 5083 fără scandiu și zirconiu, randamentul și rezistența la tracțiune au crescut cu mai mult de 30%. Mai mult decât atât, aliajul Al MG SC ZR poate menține o rezistență comparabilă la coroziune la aliajul 5083. În prezent, principalele întreprinderi interne cu grad industrialAliaj de scandium din aluminiuCapacitatea de producție este compania de aliaje de nord -est și industria de aluminiu din sud -vest. Foaia de aliaj de scandium de aluminiu 5B70 de dimensiuni mari 5B70, dezvoltată de Northeast Light Alloy Co., Ltd. poate furniza plăci groase mari din aliaj de aluminiu cu o grosime maximă de 70 mm și o lățime maximă de 3500mm; Produsele cu foi subțiri și produsele de profil pot fi personalizate pentru producție, cu un interval de grosime de la 2 mm până la 6mm și o lățime maximă de 1500mm. Southwest Aluminum a dezvoltat în mod independent material 5K40 și a făcut progrese semnificative în dezvoltarea plăcilor subțiri. Aliaj Al Zn Mg este un aliaj de întărire a timpului, cu rezistență ridicată, performanță de procesare bună și performanță excelentă de sudare. Este un material structural indispensabil și important în vehiculele de transport actuale, cum ar fi avioanele. Pe baza Alzn Mg mg de la rezistență medie, adăugarea de elemente de scandium și aliaj de zirconiu poate forma nanoparticule AL3 (SC, ZR) mici și dispersate în microstructura, îmbunătățind semnificativ proprietățile mecanice și rezistența la coroziune a stresului al aliajului. Langley Research Center din NASA a dezvoltat un aliaj de scandium de aluminiu ternar cu gradul C557, care este gata să fie aplicat în misiuni de model. Rezistența statică, propagarea fisurilor și rezistența la fractură a acestui aliaj la temperaturi scăzute (-200 ℃), temperatura camerei și temperatura ridicată (107 ℃) sunt toate egale sau mai bune decât cele ale aliajului de 2524. Universitatea Northwestern din Statele Unite a dezvoltat Alzn MG SC Alloy 7000 Series Ultra-High Force Aluminum Aliaj, cu o rezistență la tracțiune de până la 680MPa. S-a format un model de dezvoltare articulară între aliaj de scandium de aluminiu de înaltă rezistență medie și rezistență ultra-înaltă Al Zn Mg SC. Aliay Al Zn Mg Cu SC 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 grade aleAliaj de scandium din aluminiusunt rezumate după cum urmează, așa cum se arată în tabelele 1 și 2.
Tabelul 1 | Compoziția nominală a aliajului de scandium din aluminiu
Tabelul 2 | Microstructura și proprietățile de tracțiune ale aliajului de scandium de aluminiu
Perspective de aplicare a aliajului de scandium din aluminiu
Au fost aplicate aliaje de înaltă rezistență Al Zn Mg Cu SC și Al Culi SC pe componente structurale purtătoare de încărcare, inclusiv jeturi rusești MIG-21 și MIG-29. Tabloul de bord al navei spațiale rusești „Mars-1 ″ este fabricat din 1570 aliaj de scandium din aluminiu, cu o reducere totală a greutății de 20%. Componentele purtătoare de încărcare ale modulului de instrumente din navele spațiale MARS-96 sunt realizate din aliaj de aluminiu din 1970 care conține scandium, reducând greutatea modulului instrumentului cu 10%. În programul „Sky Clean Sky” și proiectul „Traseul de zbor al UE” al UE, Airbus a efectuat zboruri integrate de marfă, cercetare și dezvoltare, fabricație și instalare a zborurilor de testare pentru aeronavele A321, bazate pe succesorul AA5028-H116 aliaj de scandium de aluminiu de 5024 aliaj de scandium de aluminiu din aluminiu. Aliajele de scandiu din aluminiu reprezentate de AA5028 au demonstrat o performanță excelentă de prelucrare și sudare. Utilizarea tehnicilor avansate de sudare, cum ar fi sudarea cu agitație a frecării și sudarea cu laser pentru a obține o conexiune fiabilă a materialelor din aliaj de aluminiu. Implementarea treptată a „sudării în loc de nituire” în structurile cu plăci subțiri subțiri de aeronave nu numai că menține consistența materialelor aeronave și integritatea structurală, obținând o fabricare eficientă și scăzută, dar are și reducerea greutății și efectele de etanșare. Cercetarea aplicației din aliaj de aluminiu scandium 5b70 de către China Aerospace Special Materials Research Institute a trecut prin tehnologiile de învârtire puternică a componentelor variabile ale grosimii peretelui, controlul rezistenței la coroziune și potrivirea rezistenței și controlul stresului rezidual de sudură. A preparat sârmă de sudare adaptativă din aliaj de scandium din aluminiu, iar coeficientul de rezistență a articulației de sudură de agitare a frictării pentru plăcile groase din aliaj poate ajunge la 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University și alții au efectuat experimente extinse de testare și procese mecanice pe materialul 5B70, au modernizat și iterabile schema de selecție a materialelor structurale pentru 5A06 și au început să aplice aliajul de aluminiu 5B70 la structura principală a principalelor structuri a panourilor de perete consolidate generale ale cabinei de retur și cabina de returnare a stației spațiale. Panoul general de perete al Structurii plăcii Cabina presurizată este proiectată cu o combinație de piele și coaste de armare, obținând o integrare structurală mai mare și optimizarea greutății. În timp ce îmbunătățește rigiditatea și rezistența generală, reduce numărul și complexitatea componentelor de conectare, reducând astfel în continuare greutatea, menținând în același timp performanțe ridicate. Odată cu promovarea aplicării ingineriei de materiale 5B70, utilizarea materialului 5B70 va crește treptat și va depăși pragul minim de aprovizionare, ceea ce va contribui la asigurarea producției continue și a calității stabile a materiilor prime și va reduce semnificativ prețurile materiilor prime. Așa cum am menționat anterior, deși multe proprietăți ale aliajelor de aluminiu au fost îmbunătățite prin microalilierea scandiumului, prețul ridicat și deficitul de scandium limitează gama de aplicații de aliaje de scandiu din aluminiu. În comparație cu materialele din aliaj de aluminiu, cum ar fi Al Cu, Al Zn, Al Znmg, Scandium care conțin materiale din aliaj de aluminiu au proprietăți mecanice complete, rezistență la coroziune și caracteristici excelente de procesare, care le fac să aibă perspective largi de aplicare în fabricarea principalelor componente structurale în câmpuri industriale, cum ar fi aerospatie. Odată cu aprofundarea continuă a cercetărilor privind tehnologia de microaliliere a scandiumului și îmbunătățirea potrivirii lanțului de aprovizionare și a lanțului industrial, factorii de preț și cost care restricționează aplicarea industrială pe scară largă a aliajelor de aluminiu scandium se vor îmbunătăți treptat. Proprietățile mecanice bune, rezistența la coroziune și caracteristicile excelente de procesare ale aliajelor de scandiu din aluminiu le fac să aibă avantaje clare de reducere a greutății structurale și potențial larg de aplicare în domeniul producției de echipamente de aviație.
Timpul post: 29-202.2024