Kao laka legura koja je ključna za opremu za zrakoplovni prijevoz, makroskopska mehanička svojstva aluminijske legure usko su povezana s njezinom mikrostrukturom. Promjenom glavnih legirajućih elemenata u strukturi aluminijske legure može se promijeniti mikrostruktura aluminijske legure, a makroskopska mehanička svojstva i druga svojstva (poput otpornosti na koroziju i performansi zavarivanja) materijala mogu se značajno poboljšati. Do sada je mikrolegiranje postalo najperspektivnija strategija tehnološkog razvoja za optimizaciju mikrostrukture aluminijskih legura i poboljšanje sveobuhvatnih svojstava aluminijskih legura.Skandij(Sc) je najučinkovitiji pojačivač mikrolegirajućih elemenata poznat za aluminijeve legure. Topljivost skandija u aluminijevoj matrici je manja od 0,35 težinskih %. Dodavanje tragova skandija aluminijevim legurama može učinkovito poboljšati njihovu mikrostrukturu, sveobuhvatno poboljšati njihovu čvrstoću, tvrdoću, plastičnost, toplinsku stabilnost i otpornost na koroziju. Skandij ima višestruke fizičke učinke u aluminijevim legurama, uključujući ojačanje krutom otopinom, ojačanje česticama i inhibiciju rekristalizacije. Ovaj članak će predstaviti povijesni razvoj, najnoviji napredak i potencijalne primjene aluminijevih legura koje sadrže skandij u području proizvodnje zrakoplovne opreme.
Istraživanje i razvoj aluminijsko-skandijeve legure
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 sustavima legura. U 1970-ima, Baykov institut za metalurgiju i znanost o materijalima Sovjetske akademije znanosti i Sveruski institut za istraživanje lakih legura proveli su sustavnu studiju o obliku i mehanizmu skandija u aluminijskim legurama. Nakon gotovo četrdeset godina truda, razvijeno je 14 vrsta aluminijskih skandijskih legura u tri glavne serije (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Topljivost atoma skandija u aluminiju je niska, a korištenjem odgovarajućih procesa toplinske obrade mogu se istaložiti Al3Sc nano precipitati visoke gustoće. Ova faza taloženja je gotovo sferična, s malim česticama i disperznom raspodjelom te ima dobar koherentan odnos s aluminijskom matricom, što može uvelike poboljšati čvrstoću aluminijskih legura na sobnoj temperaturi. Osim toga, Al3Sc nano precipitati imaju dobru toplinsku stabilnost i otpornost na grubljenje na visokim temperaturama (unutar 400 ℃), što je izuzetno korisno za snažnu toplinsku otpornost legure. Među legurama aluminij-skandij proizvedenima u Rusiji, legura 1570 privukla je veliku pozornost zbog svoje najveće čvrstoće i najšire primjene. Ova legura pokazuje izvrsne performanse u radnom temperaturnom rasponu od -196 ℃ do 70 ℃ i ima prirodnu superplastičnost, koja može zamijeniti rusku aluminijsku leguru LF6 (legura aluminij-magnezij koja se uglavnom sastoji od aluminija, magnezija, bakra, mangana i silicija) za nosive zavarivačke konstrukcije u tekućem mediju kisika, sa značajno poboljšanim performansama. Osim toga, Rusija je također razvila legure aluminij-cink-magnezij-skandij, predstavljene od strane 1970, s čvrstoćom materijala većom od 500 MPa.
Status industrijalizacijeAluminijsko-skandijeva legura
Europska unija je 2015. godine objavila „Europski metalurški plan: Izgledi za proizvođače i krajnje korisnike“, predlažući proučavanje zavarljivosti aluminija.legure magnezija i skandijaU rujnu 2020. Europska unija objavila je popis od 29 ključnih mineralnih resursa, uključujući skandij. Aluminijsko-magnezijeva legura 5024H116 koju je razvio 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 nabave materijala AIMS03-01-055. 5028 je poboljšana vrsta 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 usporedbi s legurom 2524, ukupna struktura zidnih panela trupa može postići smanjenje strukturne težine od 5%. Lim od aluminijsko-skandijeve legure AA5024-H116 koji proizvodi Aili Aluminum Company korišten je za proizvodnju trupova zrakoplova i strukturnih komponenti 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 strogog dimenzijskog odstupanja, može zamijeniti leguru 2524 kao materijal oplate trupa. Trenutno je lim od legure AA5024-H116 certificiran od strane Airbusa AIMS03-04-055. U prosincu 2018. Ministarstvo industrije i informacijske tehnologije 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 skandijev oksid“. Godine 2019. Ministarstvo industrije i informacijske tehnologije 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 koji sadrže Sc i žice za zavarivanje Al Si Sc“. China Aluminum Group Northeast Light Alloy razvila je leguru Al Mg Sc Zr serije 5B70 koja sadrži skandij i cirkonij. U usporedbi s tradicionalnom legurom Al Mg serije 5083 bez skandija i cirkonija, njezino razvlačenje i vlačna čvrstoća povećani su za više od 30%. Štoviše, legura Al Mg Sc Zr može održati usporedivu otpornost na koroziju kao i legura 5083. Trenutno, glavna domaća poduzeća s industrijskim stupnjem kvalitete...aluminijska skandijeva leguraProizvodni kapaciteti su Northeast Light Alloy Company i Southwest Aluminum Industry. Veliki lim od aluminijske skandijeve legure 5B70 koji je razvila tvrtka Northeast Light Alloy Co., Ltd. može isporučiti velike debele ploče od aluminijske legure 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 izvrsnim performansama zavarivanja. To je neophodan i važan konstrukcijski materijal u današnjim prijevoznim sredstvima poput aviona. Na temelju zavarivog AlZnMg srednje čvrstoće, dodavanjem elemenata legure skandija i cirkonija mogu se formirati male i raspršene nanočestice Al3 (Sc, Zr) u mikrostrukturi, značajno poboljšavajući mehanička svojstva i otpornost legure na koroziju pod naponom. NASA-in istraživački centar Langley 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. Sveučilište Northwestern u Sjedinjenim Državama razvilo je AlZnMgSc leguru ultra visoke čvrstoće serije 7000, s vlačnom čvrstoćom do 680 MPa. Formiran je uzorak razvoja spoja između srednje visoko čvrstoće aluminijsko-skandijske legure i ultra visoko čvrstoće AlZnMgSc. Legura AlZnMgCuSc je visokočvrsta aluminijska legura s vlačnom čvrstoćom većom od 800 MPa. Trenutno, nominalni sastav i osnovni parametri performansi glavnih vrstaaluminijska skandijeva legurasažeti su kako slijedi, kao što je prikazano u tablicama 1 i 2.
Tablica 1 | Nominalni sastav aluminijsko-skandijeve legure
Tablica 2 | Mikrostruktura i vlačna svojstva aluminijsko-skandijeve legure
Mogućnosti primjene aluminijsko-skandijeve legure
Visokočvrste legure Al Zn Mg Cu Sc i Al CuLi Sc primijenjene su na nosive konstrukcijske komponente, uključujući ruske borbene zrakoplove MiG-21 i MiG-29. Nadzorna ploča ruske svemirske letjelice „Mars-1“ izrađena je od legure aluminija i skandija 1570, s ukupnim smanjenjem težine od 20%. Nosive komponente instrumentalnog modula svemirske letjelice Mars-96 izrađene su od legure aluminija 1970 koja sadrži skandij, čime je težina instrumentalnog modula smanjena za 10%. U programu „Čisto nebo“ i projektu EU „Ruta leta 2050“, Airbus je proveo integrirani dizajn vrata teretnog prostora, istraživanje i razvoj, proizvodnju i probne letove ugradnje za zrakoplove A321 na temelju nasljedne legure aluminija i skandija 5024 klase AA5028-H116. Legure aluminija i skandija predstavljene s AA5028 pokazale su izvrsne performanse obrade i zavarivanja. Korištenjem naprednih tehnika zavarivanja poput zavarivanja trenjem s miješanjem i laserskog zavarivanja postiže se pouzdano spajanje materijala od legura aluminija koje sadrže skandij. Postupna primjena „zavarivanja umjesto zakovica“ u tankolisnatim konstrukcijama ojačanim zrakoplovima ne samo da održava konzistentnost materijala zrakoplova i strukturni integritet, postižući učinkovitu i jeftinu proizvodnju, već ima i učinke smanjenja težine i brtvljenja. Primjena Istraživanje legure aluminij-skandij 5B70 od strane Kineskog instituta za istraživanje specijalnih zrakoplovnih materijala probilo je tehnologije snažnog predenja komponenti promjenjive debljine stijenke, kontrole otpornosti na koroziju i usklađivanja čvrstoće te kontrole zaostalog naprezanja 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, Sveučilište Central South i drugi proveli su opsežna ispitivanja mehaničkih performansi i procesne eksperimente na materijalu 5B70, nadogradili i iterirali shemu odabira konstrukcijskog materijala za 5A06 te su počeli primjenjivati aluminijsku leguru 5B70 na glavnu strukturu ukupnih ojačanih zidnih panela zatvorene kabine i povratne kabine svemirske stanice. Cijeli zidni panel tlačne kabine 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 promicanjem primjene inženjerstva materijala 5B70, upotreba materijala 5B70 postupno će se povećavati. i premašiti minimalni prag opskrbe, što će pomoći u osiguravanju kontinuirane proizvodnje i stabilne kvalitete sirovina te značajno smanjiti cijene sirovina. Kao što je ranije spomenuto, iako su mnoga svojstva aluminijevih legura poboljšana mikrolegiranjem skandija, visoka cijena i rijetkost skandija ograničavaju raspon primjene aluminijevo-skandijevih 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 izvrsne 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 usklađivanja lanca opskrbe i industrijskog lanca, faktori cijene i troškova koji ograničavaju industrijsku primjenu aluminijevih legura na bazi skandija postupno će se poboljšavati. Dobra sveobuhvatna mehanička svojstva, otpornost na koroziju i izvrsne karakteristike obrade aluminijevo-skandijevih legura čine ih jasnim prednostima smanjenja strukturne težine i širokim potencijalom primjene u području proizvodnje zrakoplovne opreme.
Vrijeme objave: 29. listopada 2024.