Som en lett legering som er avgjørende for luftfartstransportutstyr, er de makroskopiske mekaniske egenskapene til aluminiumslegering nært knyttet til dens mikrostruktur. Ved å endre de viktigste legeringselementene i aluminiumslegeringsstrukturen, kan mikrostrukturen til aluminiumslegeringen endres, og de makroskopiske mekaniske egenskapene og andre egenskaper (som korrosjonsbestandighet og sveiseegenskaper) til materialet kan forbedres betydelig. Hittil har mikrolegering blitt den mest lovende teknologiske utviklingsstrategien for å optimalisere mikrostrukturen til aluminiumslegeringer og forbedre de omfattende egenskapene til aluminiumslegeringsmaterialer.Skandium(Sc) er den mest effektive mikrolegeringselementforsterkeren kjent for aluminiumslegeringer. Løseligheten av scandium i aluminiummatrise er mindre enn 0,35 vekt%. Tilsetning av spormengder av scandiumelementet til aluminiumslegeringer kan effektivt forbedre mikrostrukturen deres, og i stor grad forbedre styrken, hardheten, plastisiteten, termisk stabiliteten og korrosjonsmotstanden. Scandium har flere fysiske effekter i aluminiumslegeringer, inkludert styrking i fast løsning, partikkelstyrking og hemming av omkrystallisering. Denne artikkelen vil introdusere den historiske utviklingen, den siste utviklingen og potensielle bruksområder for scandiumholdige aluminiumslegeringer innen produksjon av luftfartsutstyr.
Forskning og utvikling av aluminiumskandiumlegering
Tilsetningen av scandium som legeringselement til aluminiumslegeringer kan spores tilbake til 1960-tallet. På den tiden ble mesteparten av arbeidet utført i binære AlSc- og ternære AlMgSc-legeringssystemer. På 1970-tallet gjennomførte Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science ved det sovjetiske vitenskapsakademiet og det allrussiske instituttet for lettlegeringsforskning en systematisk studie av formen og mekanismen til scandium i aluminiumslegeringer. Etter nesten førti års arbeid er 14 kvaliteter av aluminiumscandiumlegeringer utviklet i tre hovedserier (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Løseligheten av scandiumatomer i aluminium er lav, og ved bruk av passende varmebehandlingsprosesser kan Al3Sc-nanoutfellinger med høy tetthet utfelles. Denne utfellingsfasen er nesten sfærisk, med små partikler og spredt fordeling, og har et godt koherent forhold til aluminiummatrisen, noe som kan forbedre romtemperaturstyrken til aluminiumslegeringer betraktelig. I tillegg har Al3Sc-nanoutfellinger god termisk stabilitet og motstand mot grovkorning ved høye temperaturer (innenfor 400 ℃), noe som er ekstremt gunstig for legeringens sterke varmebestandighet. I russiskproduserte aluminium-scandiumlegeringer har 1570-legeringen fått mye oppmerksomhet på grunn av sin høyeste styrke og bredeste anvendelse. Denne legeringen viser utmerket ytelse i arbeidstemperaturområdet fra -196 ℃ til 70 ℃ og har naturlig superplastisitet, som kan erstatte den russiskproduserte LF6-aluminiumlegeringen (en aluminium-magnesiumlegering hovedsakelig bestående av aluminium, magnesium, kobber, mangan og silisium) for lastbærende sveisestrukturer i flytende oksygenmedium, med betydelig forbedret ytelse. I tillegg har Russland også utviklet aluminium-sink-magnesium-scandiumlegeringer, representert av 1970, med en materialstyrke på over 500 MPa.
Industrialiseringsstatusen tilAluminium scandiumlegering
I 2015 publiserte EU «European Metallurgical Roadmap: Prospects for Manufacturers and End Users», som foreslo å studere sveisebarheten til aluminium.magnesium-scandium-legeringerI september 2020 publiserte EU en liste over 29 viktige mineralressurser, inkludert scandium. Aluminium-magnesium-scandiumlegeringen 5024H116, utviklet av Ale Aluminum i Tyskland, har middels til høy styrke og høy skadetoleranse, noe som gjør den til et svært lovende materiale for flykroppskledning. Den kan brukes til å erstatte tradisjonelle aluminiumslegeringer i 2xxx-serien og er inkludert i Airbus' materialanskaffelsesbok AIMS03-01-055. 5028 er en forbedret kvalitet av 5024, egnet for lasersveising og friksjonsrørsveising. Den kan oppnå krypformingsprosessen til hyperbolske integrerte veggpaneler, som er korrosjonsbestandige og ikke krever aluminiumsbelegg. Sammenlignet med 2524-legering kan den samlede veggpanelstrukturen til flykroppen oppnå en strukturell vektreduksjon på 5 %. AA5024-H116 aluminium-scandiumlegeringsplaten produsert av Aili Aluminum Company har blitt brukt til å produsere flykropp- og romfartøystrukturkomponenter. Den typiske tykkelsen på AA5024-H116-legeringsplaten er 1,6 mm til 8,0 mm, og på grunn av dens lave tetthet, moderate mekaniske egenskaper, høye korrosjonsbestandighet og strenge dimensjonsavvik, kan den erstatte 2524-legering som flykroppens hudmateriale. For tiden er AA5024-H116-legeringsplaten sertifisert av Airbus AIMS03-04-055. I desember 2018 ga Kinas industri- og informasjonsministerium ut «Veiledende katalog for den første batchen med sekundære applikasjonsdemonstrasjoner av viktige nye materialer (2018-utgaven)», som inkluderte «skandiumoksid med høy renhet» i utviklingskatalogen for den nye materialindustrien. I 2019 ga Kinas industri- og informasjonsministerium ut «Veiledende katalog for den første batchen med demonstrasjonsapplikasjoner av viktige nye materialer (2019-utgaven)», som inkluderte «Sc-holdige prosesseringsmaterialer for aluminiumlegering og Al Si Sc-sveisetråder» i utviklingskatalogen for den nye materialindustrien. China Aluminum Group Northeast Light Alloy har utviklet en Al Mg Sc Zr-serie 5B70-legering som inneholder scandium og zirkonium. Sammenlignet med den tradisjonelle Al Mg-serie 5083-legeringen uten scandium og zirkonium, har utbyttet og strekkfastheten økt med mer enn 30 %. Dessuten kan Al Mg Sc Zr-legeringen opprettholde sammenlignbar korrosjonsbestandighet som 5083-legeringen. For tiden er de viktigste innenlandske bedriftene med industriell kvalitetaluminiumskandiumlegeringProduksjonskapasiteten er Northeast Light Alloy Company og Southwest Aluminum Industry. Den store 5B70 aluminiums-scandiumlegeringsplaten utviklet av Northeast Light Alloy Co., Ltd. kan levere store tykke plater av aluminiumslegering med en maksimal tykkelse på 70 mm og en maksimal bredde på 3500 mm. Tynne plateprodukter og profilprodukter kan tilpasses for produksjon, med et tykkelsesområde fra 2 mm til 6 mm og en maksimal bredde på 1500 mm. Southwest Aluminum har uavhengig utviklet 5K40-materiale og gjort betydelige fremskritt i utviklingen av tynne plater. AlZnMg-legering er en tidsherdende legering med høy styrke, god prosesseringsytelse og utmerket sveiseytelse. Det er et uunnværlig og viktig strukturmateriale i dagens transportkjøretøy som fly. På grunnlag av sveisbar AlZnMg med middels styrke kan tilsetning av scandium- og zirkoniumlegeringselementer danne små og spredte Al3 (Sc, Zr) nanopartikler i mikrostrukturen, noe som forbedrer legeringens mekaniske egenskaper og spenningskorrosjonsmotstand betydelig. Langley Research Center ved NASA har utviklet en ternær aluminiumskandiumlegering med kvaliteten C557, som er klar til bruk i modelloppdrag. Den statiske styrken, sprekkforplantningen og bruddseigheten til denne legeringen ved lav temperatur (-200 ℃), romtemperatur og høy temperatur (107 ℃) er alle lik eller bedre enn for 2524-legeringen. Northwestern University i USA har utviklet AlZn Mg Sc-legeringen i 7000-serien med ultrahøy styrke, med en strekkfasthet på opptil 680 MPa. Det er dannet et mønster av sammenføyning mellom en middels høystyrke aluminiumskandiumlegering og en ultrahøystyrke Al Zn Mg Sc. Al Zn Mg Cu Sc-legering er en høystyrke aluminiumlegering med en strekkfasthet på over 800 MPa. For tiden er den nominelle sammensetningen og grunnleggende ytelsesparametrene til hovedkvalitetene avaluminiumskandiumlegeringer oppsummert som følger, som vist i tabell 1 og 2.
Tabell 1 | Nominell sammensetning av aluminium-scandiumlegering
Tabell 2 | Mikrostruktur og strekkfasthetsegenskaper til aluminium-scandiumlegering
Anvendelsesutsikter for aluminiumskandiumlegering
Høyfaste AlZnMgCuSc- og AlCuLiSc-legeringer har blitt brukt på bærende strukturelle komponenter, inkludert de russiske MiG-21- og MiG-29-jagerflyene. Dashbordet til det russiske romfartøyet «Mars-1» er laget av 1570 aluminiums-scandiumlegering, med en total vektreduksjon på 20 %. De lastbærende komponentene i instrumentmodulen til Mars-96-romfartøyet er laget av 1970 aluminiums-legering som inneholder scandium, noe som reduserer vekten på instrumentmodulen med 10 %. I «Clean Sky»-programmet og EUs «2050 Flight Route»-prosjekt gjennomførte Airbus integrerte testflyvninger for design, forskning og utvikling av lasteromsdører, produksjon og installasjon for A321-fly basert på etterfølgeren AA5028-H116 aluminiums-scandiumlegering av 5024 aluminiums-scandiumlegering. Aluminiums-scandiumlegeringer representert ved AA5028 viste utmerket prosesserings- og sveiseytelse. Ved å bruke avanserte sveiseteknikker som friksjonssveising og lasersveising oppnås pålitelig forbindelse av scandiumholdige aluminiumslegeringsmaterialer. Den gradvise implementeringen av «sveising i stedet for nagling» i flyforsterkede tynnplatestrukturer opprettholder ikke bare konsistensen av flymaterialene og strukturell integritet, noe som oppnår effektiv og rimelig produksjon, men har også vektreduksjon og tetningseffekter. Anvendelsesforskningen av aluminium scandium 5B70-legering ved China Aerospace Special Materials Research Institute har brutt gjennom teknologiene for sterk spinning av komponenter med variabel veggtykkelse, kontroll av korrosjonsmotstand og styrketilpasning, og kontroll av sveisespenninger. De har fremstilt adaptiv sveisetråd av aluminium scandium-legering, og skjøtestyrkekoeffisienten for friksjonsrørsveising for tykke plater i legeringen kan nå 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University og andre har utført omfattende mekanisk ytelsestesting og prosesseksperimenter på 5B70-materialet, oppgradert og iterert det strukturelle materialvalgskjemaet for 5A06, og har begynt å bruke 5B70-aluminiumlegeringen på hovedstrukturen til de overordnede forsterkede veggpanelene i romstasjonens forseglede kabin og returkabinen. Det overordnede veggpanelet i trykkkabinen med platestruktur er designet med en kombinasjon av skinn og forsterkningsribber, noe som oppnår høyere strukturell integrasjon og vektoptimalisering. Samtidig som den forbedrer den generelle stivheten og styrken, reduseres antallet og kompleksiteten til tilkoblingskomponenter, og reduserer dermed vekten ytterligere samtidig som høy ytelse opprettholdes. Med promoteringen av bruken av 5B70-materialteknikk vil bruken av 5B70-materiale... gradvis øke og overskride minimumstilførselsterskelen, noe som vil bidra til å sikre kontinuerlig produksjon og stabil kvalitet på råvarer, og redusere råvareprisene betydelig. Som nevnt tidligere, selv om mange egenskaper ved aluminiumslegeringer har blitt forbedret gjennom scandium-mikrolegering, begrenser den høye prisen og knappheten på scandium bruksområdet for aluminium-scandiumlegeringer. Sammenlignet med aluminiumslegeringsmaterialer som Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, har scandiumholdige aluminiumslegeringsmaterialer gode omfattende mekaniske egenskaper, korrosjonsbestandighet og utmerkede prosesseringsegenskaper, noe som gir dem brede anvendelsesmuligheter innen produksjon av hovedstrukturkomponenter innen industrielle felt som luftfart. Med den kontinuerlige fordypningen av forskningen på scandium-mikrolegeringsteknologi og forbedringen av forsyningskjeden og industriell kjedematching, vil pris- og kostnadsfaktorene som begrenser storskala industriell anvendelse av scandium-aluminiumlegeringer gradvis forbedres. De gode omfattende mekaniske egenskapene, korrosjonsbestandigheten og de utmerkede prosesseringsegenskapene til aluminium-scandiumlegeringer gjør dem til klare strukturelle vektreduksjonsfordeler og bredt anvendelsespotensial innen produksjon av luftfartsutstyr.
Publisert: 29. oktober 2024