Kao laka legura koja je ključna za opremu za avionski transport, makroskopska mehanička svojstva aluminijske legure usko su povezana s njenom mikrostrukturom. Promjenom glavnih legirajućih elemenata u strukturi aluminijske legure, mikrostruktura aluminijske legure može se promijeniti, a makroskopska mehanička svojstva i druga svojstva (kao što su otpornost na koroziju i performanse zavarivanja) materijala mogu se značajno poboljšati. Do sada je mikrolegiranje postalo najperspektivnija strategija tehnološkog razvoja za optimizaciju mikrostrukture aluminijskih legura i poboljšanje sveobuhvatnih svojstava materijala od aluminijskih legura.Skandijum(Sc) je najefikasniji pojačivač mikrolegirajućih elemenata poznat za aluminijske legure. Topljivost skandija u aluminijskoj matrici je manja od 0,35 težinskih %. Dodavanje tragova skandija aluminijskim legurama može efikasno poboljšati njihovu mikrostrukturu, sveobuhvatno poboljšati njihovu čvrstoću, tvrdoću, plastičnost, termičku stabilnost i otpornost na koroziju. Skandij ima višestruke fizičke efekte u aluminijskim legurama, uključujući ojačavanje čvrstim rastvorom, ojačavanje česticama i inhibiciju rekristalizacije. Ovaj članak će predstaviti historijski razvoj, najnoviji napredak i potencijalne primjene aluminijskih legura koje sadrže skandij u oblasti proizvodnje avionske opreme.
Istraživanje i razvoj legure aluminija i skandija
Dodavanje skandija kao legirajućeg elementa aluminijskim legurama može se pratiti do 1960-ih. U to vrijeme, većina rada provedena je u binarnim AlSc i ternarnim AlMgSc sistemima legura. Tokom 1970-ih, Bajkovljev institut za metalurgiju i nauku o materijalima Sovjetske akademije nauka i Sveruski institut za istraživanje lakih legura proveli su sistematsku studiju o obliku i mehanizmu skandija u aluminijskim legurama. Nakon gotovo četrdeset godina napora, razvijeno je 14 vrsta aluminijskih skandijskih legura u tri glavne serije (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Topljivost atoma skandija u aluminijumu je niska, a korištenjem odgovarajućih procesa termičke obrade mogu se istaložiti Al3Sc nano precipitati visoke gustoće. Ova faza precipitacije je gotovo sferična, s malim česticama i disperznom distribucijom, te ima dobar koherentan odnos s aluminijskom matricom, što može značajno poboljšati čvrstoću aluminijskih legura na sobnoj temperaturi. Osim toga, Al3Sc nano precipitati imaju dobru termičku stabilnost i otpornost na grubljenje na visokim temperaturama (unutar 400 ℃), što je izuzetno korisno za snažnu otpornost legure na toplinu. Među legurama aluminij-skandij proizvedenim u Rusiji, legura 1570 privukla je veliku pažnju zbog svoje najveće čvrstoće i najšire primjene. Ova legura pokazuje odlične performanse u radnom temperaturnom rasponu od -196 ℃ do 70 ℃ i ima prirodnu superplastičnost, koja može zamijeniti rusku leguru aluminij-LF6 (legura aluminij-magnezij koja se uglavnom sastoji od aluminija, magnezija, bakra, mangana i silicija) za zavarivanje nosivih konstrukcija u mediju tekućeg kisika, sa značajno poboljšanim performansama. Osim toga, Rusija je također razvila legure aluminij-cinka-magnezij-skandij, predstavljene od strane 1970, sa čvrstoćom materijala preko 500 MPa.
Status industrijalizacijeLegura aluminija i skandija
Evropska unija je 2015. godine objavila „Evropski metalurški plan: Perspektive za proizvođače i krajnje korisnike“, predlažući proučavanje zavarljivosti aluminija.legure magnezija i skandijaU septembru 2020. godine, Evropska unija je objavila listu od 29 ključnih mineralnih resursa, uključujući skandij. Legura aluminija i magnezija skandij 5024H116, koju je razvila kompanija Ale Aluminum u Njemačkoj, ima srednju do visoku čvrstoću i visoku toleranciju na oštećenja, što je čini vrlo obećavajućim materijalom za oplatu trupa. Može se koristiti za zamjenu tradicionalnih aluminijskih legura serije 2xxx i uvrštena je u Airbusovu knjigu o nabavci materijala AIMS03-01-055. 5028 je poboljšana klasa 5024, pogodna za lasersko zavarivanje i zavarivanje trenjem s miješanjem. Može postići proces puzanja hiperboličnih integralnih zidnih panela, koji je otporan na koroziju i ne zahtijeva aluminijski premaz. U poređenju sa legurom 2524, ukupna struktura zidnih panela trupa može postići smanjenje strukturne težine od 5%. Lim od legure aluminija i skandij AA5024-H116, koji proizvodi kompanija Aili Aluminum, korišten je za proizvodnju konstrukcijskih komponenti trupa aviona i svemirskih letjelica. Tipična debljina lima od legure AA5024-H116 je od 1,6 mm do 8,0 mm, a zbog niske gustoće, umjerenih mehaničkih svojstava, visoke otpornosti na koroziju i strogih dimenzijskih odstupanja, može zamijeniti leguru 2524 kao materijal oplate trupa. Trenutno je lim od legure AA5024-H116 certificiran od strane Airbus AIMS03-04-055. U decembru 2018. godine, Ministarstvo industrije i informacionih tehnologija Kine objavilo je „Vodeći katalog za prvu seriju demonstracija sekundarne primjene ključnih novih materijala (izdanje 2018.)“, koji je u razvojni katalog industrije novih materijala uvrstio „visokočisti skandij oksid“. U 2019. godini, Ministarstvo industrije i informacionih tehnologija Kine objavilo je „Vodeći katalog za prvu seriju demonstracija primjene ključnih novih materijala (izdanje 2019.)“, koji je u razvojni katalog industrije novih materijala uvrstio „Materijale za obradu aluminijskih legura koje sadrže Sc i Al Si Sc žice za zavarivanje“. Kompanija China Aluminum Group Northeast Light Alloy razvila je leguru Al Mg Sc Zr serije 5B70 koja sadrži skandij i cirkonij. U poređenju s tradicionalnom legurom Al Mg serije 5083 bez skandija i cirkonija, njena čvrstoća na istezanje i zatezna čvrstoća su povećane za više od 30%. Štaviše, legura Al Mg Sc Zr može održati otpornost na koroziju uporedivu s legurom 5083. Trenutno, glavna domaća preduzeća s industrijskim kvalitetom...legura aluminija i skandijaProizvodni kapaciteti su Northeast Light Alloy Company i Southwest Aluminum Industry. Veliki lim od legure aluminija i skandija 5B70, koji je razvila kompanija Northeast Light Alloy Co., Ltd., može isporučiti velike debele ploče od legure aluminija maksimalne debljine 70 mm i maksimalne širine 3500 mm; Tanki limovi i profilni proizvodi mogu se prilagoditi za proizvodnju, s rasponom debljine od 2 mm do 6 mm i maksimalnom širinom od 1500 mm. Southwest Aluminum je samostalno razvio materijal 5K40 i postigao značajan napredak u razvoju tankih ploča. Legura AlZnMg je legura koja se vremenom stvrdnjava, s visokom čvrstoćom, dobrim performansama obrade i odličnim performansama zavarivanja. To je neophodan i važan konstrukcijski materijal u današnjim transportnim vozilima poput aviona. Na bazi zavarivog AlZnMg srednje čvrstoće, dodavanje elemenata legure skandija i cirkonija može formirati male i dispergovane nanočestice Al3 (Sc, Zr) u mikrostrukturi, značajno poboljšavajući mehanička svojstva i otpornost legure na koroziju pod naponom. Istraživački centar Langley pri NASA-i razvio je ternarnu aluminijsko-skandijsku leguru klase C557, koja je spremna za primjenu u modelnim misijama. Statička čvrstoća, širenje pukotina i žilavost loma ove legure na niskim temperaturama (-200 ℃), sobnoj temperaturi i visokoj temperaturi (107 ℃) jednaki su ili bolji od onih kod legure 2524. Univerzitet Northwestern u Sjedinjenim Državama razvio je AlZnMgSc leguru ultra visoke čvrstoće serije 7000, sa zateznom čvrstoćom do 680 MPa. Formiran je obrazac razvoja spoja između srednje visoko čvrstoće aluminijsko-skandijske legure i ultra visoke čvrstoće AlZnMgSc. AlZnMgCuSc legura je visokočvrsta aluminijska legura sa zateznom čvrstoćom većom od 800 MPa. Trenutno, nominalni sastav i osnovni parametri performansi glavnih klasa...legura aluminija i skandijasu sažeti na sljedeći način, kao što je prikazano u Tabelama 1 i 2.
Tabela 1 | Nominalni sastav legure aluminija i skandija
Tabela 2 | Mikrostruktura i zatezna svojstva legure aluminija i skandija
Perspektive primjene legure aluminija i skandija
Visokočvrste legure Al Zn Mg Cu Sc i Al CuLi Sc primijenjene su na nosive strukturne komponente, uključujući ruske borbene avione MiG-21 i MiG-29. Kontrolna ploča ruske svemirske letjelice "Mars-1" izrađena je od legure aluminija i skandijuma 1570, sa ukupnim smanjenjem težine od 20%. Nosive komponente instrumentalnog modula svemirske letjelice Mars-96 izrađene su od legure aluminija 1970 koja sadrži skandij, što smanjuje težinu instrumentalnog modula za 10%. U programu "Čisto nebo" i projektu EU "Ruta leta 2050", Airbus je proveo integrisani dizajn vrata teretnog prostora, istraživanje i razvoj, proizvodnju i probne letove instalacije za avion A321 na osnovu nasljedne legure aluminija i skandijuma 5024 klase AA5028-H116. Legure aluminija i skandijuma predstavljene sa AA5028 pokazale su odlične performanse obrade i zavarivanja. Korištenjem naprednih tehnika zavarivanja kao što su zavarivanje trenjem i lasersko zavarivanje postiže se pouzdano spajanje materijala od legura aluminija koje sadrže skandij. Postepena primjena "zavarivanja umjesto zakivanja" u tankim pločama ojačanim avionima ne samo da održava konzistentnost materijala aviona i strukturni integritet, postižući efikasnu i jeftinu proizvodnju, već ima i efekte smanjenja težine i zaptivanja. Primjena Istraživanje legure aluminij-skandij 5B70 od strane Kineskog instituta za istraživanje specijalnih vazduhoplovnih materijala (KIMI) donijelo je napredak u tehnologijama snažnog predenja komponenti promjenjive debljine stijenke, kontrole otpornosti na koroziju i usklađivanja čvrstoće, te kontrole zaostalog napona zavarivanja. Pripremili su adaptivnu žicu za zavarivanje legure aluminij-skandij, a koeficijent čvrstoće spoja trenjem zavarivanja s miješanjem za debele ploče u leguri može doseći 0,92. Kineska akademija za svemirsku tehnologiju, Centralni južni univerzitet i drugi proveli su opsežna ispitivanja mehaničkih performansi i procesne eksperimente na materijalu 5B70, unaprijedili i iterirali shemu odabira strukturnog materijala za 5A06, te su počeli primjenjivati aluminijsku leguru 5B70 na glavnu strukturu ukupnih ojačanih zidnih panela zatvorene kabine i povratne kabine svemirske stanice. Cjelokupni zidni panel kabine pod pritiskom s pločastom konstrukcijom dizajniran je s kombinacijom obloge i rebara za ojačanje, čime se postiže veća strukturna integracija i optimizacija težine. Uz poboljšanje ukupne krutosti i čvrstoće, smanjuje se broj i složenost spojnih komponenti, čime se dodatno smanjuje težina uz održavanje visokih performansi. S promocijom primjene inženjerstva materijala 5B70, upotreba materijala 5B70 će se postepeno povećavati. i premašiti minimalni prag snabdijevanja, što će pomoći u osiguravanju kontinuirane proizvodnje i stabilnog kvaliteta sirovina, te značajno smanjiti cijene sirovina. Kao što je ranije spomenuto, iako su mnoga svojstva aluminijskih legura poboljšana mikrolegiranjem skandija, visoka cijena i rijetkost skandija ograničavaju raspon primjene aluminijskih skandijskih legura. U usporedbi s aluminijskim legurama kao što su Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, aluminijske legure koje sadrže skandij imaju dobra sveobuhvatna mehanička svojstva, otpornost na koroziju i odlične karakteristike obrade, što ih čini širokim potencijalom primjene u proizvodnji glavnih strukturnih komponenti u industrijskim područjima kao što je zrakoplovstvo. Kontinuiranim produbljivanjem istraživanja tehnologije mikrolegiranja skandija i poboljšanjem lanca snabdijevanja i usklađivanja industrijskih lanaca, faktori cijene i troškova koji ograničavaju industrijsku primjenu aluminijskih legura na bazi skandija postepeno će se poboljšavati. Dobra sveobuhvatna mehanička svojstva, otpornost na koroziju i odlične karakteristike obrade aluminijskih skandijskih legura čine ih jasnim prednostima u smanjenju strukturne težine i širokim potencijalom primjene u području proizvodnje zrakoplovne opreme.
Vrijeme objave: 29. oktobar 2024.