Ker je aluminijeva zlitina lahka zlitina, ki je ključnega pomena za letalsko transportno opremo, so makroskopske mehanske lastnosti tesno povezane z njeno mikrostrukturo. S spreminjanjem glavnih legirnih elementov v strukturi aluminijeve zlitine se lahko spremeni mikrostruktura aluminijeve zlitine in znatno izboljšajo makroskopske mehanske lastnosti ter druge lastnosti materiala (kot sta odpornost proti koroziji in varilne lastnosti). Do sedaj je mikrolegiranje postalo najbolj obetavna strategija tehnološkega razvoja za optimizacijo mikrostrukture aluminijevih zlitin in izboljšanje celovitih lastnosti materialov iz aluminijevih zlitin.Skandij(Sc) je najučinkovitejši znan ojačevalec mikrolegirnih elementov za aluminijeve zlitine. Topnost skandija v aluminijevi matrici je manjša od 0,35 mas.%. Dodajanje sledov skandija aluminijevim zlitinam lahko učinkovito izboljša njihovo mikrostrukturo, celovito poveča njihovo trdnost, trdoto, plastičnost, toplotno stabilnost in odpornost proti koroziji. Skandij ima v aluminijevih zlitinah številne fizikalne učinke, vključno z utrjevanjem trdnih raztopin, utrjevanjem delcev in zaviranjem rekristalizacije. Ta članek bo predstavil zgodovinski razvoj, najnovejši napredek in potencialne aplikacije aluminijevih zlitin, ki vsebujejo skandij, na področju proizvodnje letalske opreme.
Raziskave in razvoj aluminijeve skandijeve zlitine
Dodajanje skandija kot legirnega elementa aluminijevim zlitinam sega v šestdeseta leta prejšnjega stoletja. Takrat je večina dela potekala v binarnih sistemih zlitin AlSc in ternarnih sistemih zlitin AlMgSc. V sedemdesetih letih prejšnjega stoletja sta Bajkov inštitut za metalurgijo in materiale Sovjetske akademije znanosti in Vseruski inštitut za raziskave lahkih zlitin izvedla sistematično študijo o obliki in mehanizmu skandija v aluminijevih zlitinah. Po skoraj štiridesetih letih prizadevanj je bilo razvitih 14 vrst aluminijevo-skandijevih zlitin v treh glavnih serijah (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Topnost atomov skandija v aluminiju je nizka, z uporabo ustreznih postopkov toplotne obdelave pa je mogoče izločiti nano-oborine Al3Sc z visoko gostoto. Ta faza oborine je skoraj okrogla, z majhnimi delci in dispergirano porazdelitvijo ter ima dober koherenten odnos z aluminijevo matrico, kar lahko močno izboljša trdnost aluminijevih zlitin pri sobni temperaturi. Poleg tega imajo nanoprecipitati Al3Sc dobro toplotno stabilnost in odpornost proti grobemu strjevanju pri visokih temperaturah (znotraj 400 ℃), kar je izjemno koristno za močno toplotno odpornost zlitine. Med ruskimi aluminijevo-skandijevimi zlitinami je zlitina 1570 pritegnila veliko pozornosti zaradi svoje najvišje trdnosti in najširše uporabe. Ta zlitina kaže odlične lastnosti v delovnem temperaturnem območju od -196 ℃ do 70 ℃ in ima naravno superplastičnost, zaradi česar lahko nadomesti rusko aluminijevo zlitino LF6 (aluminijevo-magnezijevo zlitino, ki je sestavljena predvsem iz aluminija, magnezija, bakra, mangana in silicija) za nosilne varilne konstrukcije v tekočem kisikovem mediju, z bistveno izboljšanimi lastnostmi. Poleg tega je Rusija razvila tudi zlitine aluminija in cinka ter magnezija, ki jih predstavlja podjetje 1970, z materialno trdnostjo nad 500 MPa.
Status industrializacijeAluminijeva skandijeva zlitina
Leta 2015 je Evropska unija objavila »Evropski metalurški načrt: možnosti za proizvajalce in končne uporabnike«, v katerem je predlagala preučevanje varivosti aluminija.magnezijeve skandijeve zlitineSeptembra 2020 je Evropska unija objavila seznam 29 ključnih mineralnih virov, vključno s skandijem. Zlitina aluminija in magnezija skandij 5024H116, ki jo je razvilo podjetje Ale Aluminum v Nemčiji, ima srednjo do visoko trdnost in visoko toleranco na poškodbe, zaradi česar je zelo obetaven material za oblogo trupa. Uporablja se lahko za zamenjavo tradicionalnih aluminijevih zlitin serije 2xxx in je bila vključena v Airbusovo knjigo o nabavi materialov AIMS03-01-055. 5028 je izboljšana vrsta 5024, primerna za lasersko varjenje in varjenje s trenjem in mešanjem. Z njo je mogoče doseči postopek lezenja hiperboličnih integralnih stenskih plošč, ki so odporne proti koroziji in ne potrebujejo aluminijaste prevleke. V primerjavi z zlitino 2524 lahko celotna struktura stenskih plošč trupa doseže 5-odstotno zmanjšanje konstrukcijske teže. Plošča iz zlitine aluminija in skandij AA5024-H116, ki jo proizvaja podjetje Aili Aluminum Company, se uporablja za izdelavo trupov letal in konstrukcijskih komponent vesoljskih plovil. Tipična debelina pločevine iz zlitine AA5024-H116 je od 1,6 mm do 8,0 mm, zaradi nizke gostote, zmernih mehanskih lastnosti, visoke odpornosti proti koroziji in strogega dimenzijskega odstopanja pa lahko nadomesti zlitino 2524 kot material za oblogo trupa. Trenutno je pločevina iz zlitine AA5024-H116 certificirana s strani Airbusa AIMS03-04-055. Decembra 2018 je Ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo Kitajske izdalo »Vodilni katalog za prvo serijo demonstracij sekundarne uporabe ključnih novih materialov (izdaja 2018)«, ki je v razvojni katalog industrije novih materialov vključeval »visoko čist skandijev oksid«. Leta 2019 je Ministrstvo za industrijo in informacijsko tehnologijo Kitajske izdalo »Vodilni katalog za prvo serijo demonstracijskih uporab ključnih novih materialov (izdaja 2019)«, ki je v razvojni katalog industrije novih materialov vključeval »materiale za predelavo aluminijevih zlitin, ki vsebujejo Sc, in varilne žice Al Si Sc«. China Aluminum Group Northeast Light Alloy je razvil zlitino AlMgScZr serije 5B70, ki vsebuje skandij in cirkonij. V primerjavi s tradicionalno zlitino AlMg serije 5083 brez skandija in cirkonija sta se njen tečenje in natezna trdnost povečala za več kot 30 %. Poleg tega lahko zlitina AlMgScZr ohrani primerljivo odpornost proti koroziji kot zlitina 5083. Trenutno glavna domača podjetja z industrijskim razredom ...aluminijeva skandijeva zlitinaProizvodne zmogljivosti so Northeast Light Alloy Company in Southwest Aluminum Industry. Velika plošča iz aluminijeve skandijeve zlitine 5B70, ki jo je razvilo podjetje Northeast Light Alloy Co., Ltd., lahko dobavi velike debele plošče iz aluminijeve zlitine z največjo debelino 70 mm in največjo širino 3500 mm; tanke pločevine in profilne izdelke je mogoče prilagoditi za proizvodnjo, z debelino od 2 mm do 6 mm in največjo širino 1500 mm. Southwest Aluminum je neodvisno razvil material 5K40 in dosegel pomemben napredek pri razvoju tankih plošč. Zlitina AlZnMg je časovno utrjevalna zlitina z visoko trdnostjo, dobro obdelovalnostjo in odličnimi varilnimi lastnostmi. Je nepogrešljiv in pomemben konstrukcijski material v sodobnih transportnih vozilih, kot so letala. Na osnovi srednje trdnega varljivega AlZnMg lahko dodajanje elementov zlitine skandija in cirkonija tvori majhne in razpršene nanodelce Al3 (Sc, Zr) v mikrostrukturi, kar znatno izboljša mehanske lastnosti in odpornost zlitine proti napetostni koroziji. Raziskovalni center Langley pri NASI je razvil ternarno aluminijevo-skandijevo zlitino razreda C557, ki je pripravljena za uporabo v modelnih misijah. Statična trdnost, širjenje razpok in lomna žilavost te zlitine pri nizki temperaturi (-200 ℃), sobni temperaturi in visoki temperaturi (107 ℃) so enake ali boljše od tistih pri zlitini 2524. Univerza Northwestern v Združenih državah Amerike je razvila zlitino AlZnMgSc serije 7000, ultra visoko trdno aluminijevo zlitino, z natezno trdnostjo do 680 MPa. Oblikoval se je vzorec razvoja spoja med srednje visoko trdno aluminijevo-skandijevo zlitino in ultra visoko trdno AlZnMgSc. Zlitina AlZnMgCuSc je visoko trdna aluminijeva zlitina z natezno trdnostjo več kot 800 MPa. Trenutno nominalna sestava in osnovni parametri delovanja glavnih razredov ...aluminijeva skandijeva zlitinaso povzeti na naslednji način, kot je prikazano v preglednicah 1 in 2.
Tabela 1 | Nominalna sestava aluminijeve skandijeve zlitine
Tabela 2 | Mikrostruktura in natezne lastnosti aluminijeve skandijeve zlitine
Možnosti uporabe aluminijeve skandijeve zlitine
Visokotrdnostne zlitine Al Zn Mg Cu Sc in Al CuLi Sc so bile uporabljene za nosilne konstrukcijske komponente, vključno z ruskimi lovskimi letali MiG-21 in MiG-29. Armaturna plošča ruskega vesoljskega plovila »Mars-1« je izdelana iz aluminijeve zlitine 1570, kar pomeni 20-odstotno zmanjšanje teže. Nosilne komponente instrumentnega modula vesoljskega plovila Mars-96 so izdelane iz aluminijeve zlitine 1970, ki vsebuje skandij, kar zmanjšuje težo instrumentnega modula za 10 %. V programu »Čisto nebo« in projektu EU »Poletna pot 2050« je Airbus izvedel integrirane testne lete za načrtovanje, raziskave in razvoj, proizvodnjo in montažo vrat tovornega prostora za letala A321, ki temeljijo na nasledniku aluminijeve zlitine 5024, razreda AA5028-H116. Aluminijeve zlitine skandij, ki jih predstavlja AA5028, so pokazale odlične lastnosti obdelave in varjenja. Z uporabo naprednih tehnik varjenja, kot sta varjenje s trenjem in lasersko varjenje, so dosegli zanesljivo povezavo materialov iz aluminijevih zlitin, ki vsebujejo skandij. Postopno uvajanje »varjenja namesto kovičenja« v tankoploščene konstrukcije, ojačane z letali, ne le ohranja doslednost materialov letal in strukturno celovitost, s čimer se doseže učinkovita in cenovno ugodna proizvodnja, temveč ima tudi učinke zmanjšanja teže in tesnjenja. Uporaba Raziskava zlitine aluminij-skandij 5B70, ki jo je izvedel Kitajski inštitut za raziskave posebnih vesoljskih materialov, je prebila tehnologije močnega predenja komponent s spremenljivo debelino sten, nadzora korozijske odpornosti in ujemanja trdnosti ter nadzora preostalih napetosti pri varjenju. Pripravili so prilagodljivo varilno žico iz zlitine aluminij-skandij, koeficient trdnosti spoja trenja pri mešalnem varjenju debelih plošč v zlitini pa lahko doseže 0,92. Kitajska akademija za vesoljsko tehnologijo, Univerza Central South in drugi so izvedli obsežne preizkuse mehanskih lastnosti in procesne poskuse na materialu 5B70, nadgradili in ponovili shemo izbire konstrukcijskega materiala za 5A06 ter začeli uporabljati aluminijevo zlitino 5B70 za glavno strukturo celotnih ojačanih stenskih plošč zaprte kabine in povratne kabine vesoljske postaje. Celotna stenska plošča tlačne kabine s ploščato konstrukcijo je zasnovana s kombinacijo obloge in ojačitvenih reber, kar doseže večjo strukturno integracijo in optimizacijo teže. Ob izboljšanju splošne togosti in trdnosti se zmanjša število in kompleksnost povezovalnih komponent, s čimer se dodatno zmanjša teža ob hkratnem ohranjanju visoke zmogljivosti. S spodbujanjem uporabe materialnega inženiringa 5B70 se bo uporaba materiala 5B70 postopoma povečevala. in preseči minimalni prag dobave, kar bo pripomoglo k zagotavljanju neprekinjene proizvodnje in stabilne kakovosti surovin ter znatno znižalo cene surovin. Kot smo že omenili, čeprav so bile številne lastnosti aluminijevih zlitin izboljšane z mikrolegiranjem skandija, visoka cena in pomanjkanje skandija omejujeta območje uporabe aluminijevih skandijevih zlitin. V primerjavi z aluminijevimi zlitinami, kot so AlCu, AlZn, AlZnMg, imajo materiali iz aluminijevih zlitin, ki vsebujejo skandij, dobre celovite mehanske lastnosti, odpornost proti koroziji in odlične predelovalne lastnosti, zaradi česar imajo široke možnosti uporabe pri izdelavi glavnih strukturnih komponent na industrijskih področjih, kot je vesoljska industrija. Z nenehnim poglabljanjem raziskav tehnologije mikrolegiranja skandija in izboljšanjem usklajevanja dobavnih in industrijskih verig se bodo cenovni in stroškovni dejavniki, ki omejujejo obsežno industrijsko uporabo skandijevih aluminijevih zlitin, postopoma izboljševali. Dobre celovite mehanske lastnosti, odpornost proti koroziji in odlične predelovalne lastnosti aluminijevih skandijevih zlitin jim dajejo jasne prednosti pri zmanjšanju strukturne teže in širok potencial uporabe na področju proizvodnje letalske opreme.
Čas objave: 29. oktober 2024