Kevytmetalliseoksena, joka on ratkaisevan tärkeä ilmailukuljetusvälineissä, alumiiniseoksen makroskooppiset mekaaniset ominaisuudet liittyvät läheisesti sen mikrorakenteeseen. Muuttamalla alumiiniseosrakenteen pääseosaineita voidaan muuttaa alumiiniseoksen mikrorakennetta ja parantaa merkittävästi materiaalin makroskooppisia mekaanisia ominaisuuksia ja muita ominaisuuksia (kuten korroosionkestävyyttä ja hitsausominaisuuksia). Tähän mennessä mikroseostus on ollut lupaavin teknologinen kehitysstrategia alumiiniseosten mikrorakenteen optimoimiseksi ja alumiiniseosmateriaalien kokonaisvaltaisten ominaisuuksien parantamiseksi.Skandium(Sc) on tehokkain tunnettu alumiiniseosten mikroseostusalkuaine. Skandiumin liukoisuus alumiinimatriisiin on alle 0,35 painoprosenttia. Skandiumalkuaineen pienten määrien lisääminen alumiiniseoksiin voi tehokkaasti parantaa niiden mikrorakennetta ja parantaa kokonaisvaltaisesti niiden lujuutta, kovuutta, plastisuutta, lämpöstabiilisuutta ja korroosionkestävyyttä. Skandiumilla on useita fysikaalisia vaikutuksia alumiiniseoksissa, mukaan lukien kiinteän liuoksen lujittaminen, hiukkasten lujittaminen ja uudelleenkiteytymisen estäminen. Tässä artikkelissa esitellään skandiumia sisältävien alumiiniseosten historiallinen kehitys, uusimmat edistysaskeleet ja mahdolliset sovellukset ilmailulaitteiden valmistuksessa.
Alumiiniskandiumseoksen tutkimus ja kehitys
Skandiumin lisääminen alumiiniseoksiin seosaineena juontaa juurensa 1960-luvulle. Tuolloin suurin osa työstä tehtiin binaarisissa AlSc- ja ternaarisissa AlMgSc-seosjärjestelmissä. 1970-luvulla Neuvostoliiton tiedeakatemian Baykovin metallurgian ja materiaalitieteen instituutti ja Venäjän kevytmetalliseosten tutkimuslaitos tekivät systemaattisen tutkimuksen skandiumin muodosta ja mekanismista alumiiniseoksissa. Lähes neljänkymmenen vuoden työn jälkeen on kehitetty 14 alumiiniskandiumseoslaatua kolmessa pääsarjassa (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Skandiumatomien liukoisuus alumiiniin on alhainen, ja sopivia lämpökäsittelyprosesseja käyttämällä voidaan saostaa tiheitä Al3Sc-nanosaostumia. Tämä saostumisfaasi on lähes pallomainen, pienikokoinen ja hajanainen, ja sillä on hyvä koherenssisuhde alumiinimatriisiin, mikä voi parantaa huomattavasti alumiiniseosten lujuutta huoneenlämmössä. Lisäksi Al3Sc-nanosaostuksilla on hyvä lämmönkestävyys ja karhenemiskestävyys korkeissa lämpötiloissa (400 ℃:n sisällä), mikä on erittäin hyödyllistä seoksen vahvan lämmönkestävyyden kannalta. Venäjällä valmistetuista alumiiniskandiumseoksista 1570-seos on herättänyt paljon huomiota korkeimman lujuutensa ja laajimman käyttöalueensa ansiosta. Tällä seoksella on erinomainen suorituskyky -196 ℃ - 70 ℃:n käyttölämpötila-alueella ja se on luonnostaan superplastista, minkä ansiosta se voi korvata Venäjällä valmistetun LF6-alumiiniseoksen (alumiinimagnesiumseos, joka koostuu pääasiassa alumiinista, magnesiumista, kuparista, mangaanista ja piistä) kantavissa hitsausrakenteissa nestemäisessä happiväliaineessa merkittävästi parannetulla suorituskyvyllä. Lisäksi Venäjällä on kehitetty myös alumiinisinkkimagnesiumskandiumseoksia, joita edustaa 1970-seos, joiden materiaalilujuus on yli 500 MPa.
TeollistumistilanneAlumiiniskandiumseos
Vuonna 2015 Euroopan unioni julkaisi ”Euroopan metallurgisen etenemissuunnitelman: Valmistajien ja loppukäyttäjien näkymät”, jossa ehdotettiin alumiinin hitsattavuuden tutkimista.magnesium-skandiumseoksetSyyskuussa 2020 Euroopan unioni julkaisi luettelon 29 keskeisestä mineraalivarasta, mukaan lukien skandiumin. Ale Aluminiumin Saksassa kehittämä 5024H116 alumiinimagnesium-skandiumseos on keskiluja tai korkean lujuuden ja korkean vaurionkeston omaava materiaali, mikä tekee siitä erittäin lupaavan materiaalin rungon kuoreen. Sitä voidaan käyttää korvaamaan perinteisiä 2xxx-sarjan alumiiniseoksia, ja se on sisällytetty Airbusin AIMS03-01-055-materiaalihankintakirjaan. 5028 on 5024:n parannettu laatu, joka soveltuu laserhitsaukseen ja kitkahitsaukseen. Se voi saavuttaa hyperbolisten integraalisten seinäpaneelien virumismuovausprosessin, mikä on korroosionkestävää eikä vaadi alumiinipinnoitetta. Verrattuna 2524-seokseen rungon seinäpaneelien kokonaisrakenne voi saavuttaa 5 %:n rakenteellisen painonpudotuksen. Aili Aluminum Companyn valmistamaa AA5024-H116 alumiiniskandiumseoslevyä on käytetty lentokoneiden rungon ja avaruusalusten rakenneosien valmistukseen. AA5024-H116-seoslevyn tyypillinen paksuus on 1,6–8,0 mm, ja sen alhaisen tiheyden, kohtalaisten mekaanisten ominaisuuksien, korkean korroosionkestävyyden ja tarkkojen mittapoikkeamien ansiosta se voi korvata 2524-seoksen rungon pintamateriaalina. Tällä hetkellä AA5024-H116-seoslevy on saanut Airbus AIMS03-04-055 -sertifioinnin. Joulukuussa 2018 Kiinan teollisuus- ja tietotekniikkaministeriö julkaisi "Opastavan luettelon ensimmäiselle avainten uusien materiaalien toissijaisten sovellusten demonstraatioiden erälle (vuoden 2018 painos)", joka sisälsi "erittäin puhtaan skandiumoksidin" uusien materiaalien teollisuuden kehitysluetteloon. Vuonna 2019 Kiinan teollisuus- ja tietotekniikkaministeriö julkaisi "Opastavan luettelon ensimmäiselle avainten uusien materiaalien demonstraatiosovellusten erälle (vuoden 2019 painos)", joka sisälsi "Sc:tä sisältävät alumiiniseosten käsittelymateriaalit ja Al Si Sc -hitsauslangat". China Aluminum Group Northeast Light Alloy on kehittänyt skandiumia ja zirkoniumia sisältävän AlMgScZr-sarjan 5B70-seoksen. Perinteiseen skandiumittomaan ja zirkoniumittomaan AlMg-sarjan 5083-seokseen verrattuna sen saanto ja vetolujuus ovat parantuneet yli 30 %. Lisäksi AlMgScZr-seoksen korroosionkestävyys on verrattavissa 5083-seokseen. Tällä hetkellä tärkeimmät kotimaiset yritykset valmistavat teollisuuslaatuisia seoksia.alumiiniskandiumseosTuotantokapasiteettia ovat Northeast Light Alloy Company ja Southwest Aluminum Industry. Northeast Light Alloy Co., Ltd.:n kehittämä suurikokoinen 5B70-alumiiniskandiumseoslevy pystyy toimittamaan suuria alumiiniseoksesta valmistettuja paksuja levyjä, joiden enimmäispaksuus on 70 mm ja enimmäisleveys 3500 mm. Ohutlevytuotteita ja profiilituotteita voidaan räätälöidä tuotantoa varten, ja niiden paksuusalue on 2–6 mm ja enimmäisleveys 1500 mm. Southwest Aluminum on itsenäisesti kehittänyt 5K40-materiaalia ja edistynyt merkittävästi ohuiden levyjen kehittämisessä. AlZnMg-seos on aikakarkaistuva seos, jolla on korkea lujuus, hyvät prosessointiominaisuudet ja erinomaiset hitsausominaisuudet. Se on välttämätön ja tärkeä rakennemateriaali nykyisissä kuljetusvälineissä, kuten lentokoneissa. Keskilujan hitsattavan AlZnMg:n pohjalta skandium- ja zirkoniumseoselementtien lisääminen voi muodostaa pieniä ja hajallaan olevia Al3 (Sc, Zr) -nanohiukkasia mikrorakenteeseen, mikä parantaa merkittävästi seoksen mekaanisia ominaisuuksia ja jännityskorroosionkestävyyttä. NASAn Langley Research Center on kehittänyt kolmikomponenttisen alumiiniskandiumseoksen luokalla C557, joka on valmis käytettäväksi mallilennoilla. Tämän seoksen staattinen lujuus, halkeamien eteneminen ja murtumissitkeys matalassa lämpötilassa (-200 ℃), huoneenlämmössä ja korkeassa lämpötilassa (107 ℃) ovat kaikki yhtä hyviä tai parempia kuin 2524-seoksen. Yhdysvaltalainen Northwestern University on kehittänyt AlZnMgSc-seoksen, 7000-sarjan erittäin lujan alumiiniseoksen, jonka vetolujuus on jopa 680 MPa. Keskilujan alumiiniskandiumseoksen ja erittäin lujan AlZnMgSc:n välille on muodostunut liitoskehityskuvio. AlZnMgCuSc-seos on erittäin luja alumiiniseos, jonka vetolujuus on yli 800 MPa. Tällä hetkellä tärkeimpien laatujen nimellinen koostumus ja perusominaisuudet ovat...alumiiniskandiumseoson esitetty yhteenvetona seuraavasti, kuten taulukoissa 1 ja 2 on esitetty.
Taulukko 1 | Alumiiniskandiumseoksen nimellinen koostumus
Taulukko 2 | Alumiini-skandiumseoksen mikrorakenne ja vetolujuusominaisuudet
Alumiiniskandiumseoksen sovellusmahdollisuudet
Korkean lujuuden omaavia AlZnMgCuSc- ja AlCuLiSc-seoksia on käytetty kantavissa rakenneosissa, kuten venäläisissä MiG-21- ja MiG-29-hävittäjissä. Venäläisen Mars-1-luotaimen kojelauta on valmistettu 1570-alumiiniskandiumseoksesta, jonka kokonaispainoa on alennettu 20 %. Mars-96-luotaimen instrumenttimoduulin kantavat komponentit on valmistettu 1970-alumiiniskandiumia sisältävästä scandium-alumiiniseoksesta, mikä vähentää instrumenttimoduulin painoa 10 %. Airbus toteutti ”Clean Sky” -ohjelmassa ja EU:n ”2050 Flight Route” -hankkeessa integroituja lastitilan ovien suunnittelu-, tutkimus- ja kehitystyötä, valmistusta ja asennuskoelentoja A321-lentokoneelle, joka perustui seuraajaluokan AA5028-H116-alumiiniskandiumseokseen eli 5024-alumiiniskandiumseokseen. AA5028:n edustamat alumiiniskandiumseokset osoittivat erinomaista prosessointi- ja hitsauskykyä. Edistyneiden hitsaustekniikoiden, kuten kitkahitsauksen ja laserhitsauksen, avulla saavutettiin skandiumia sisältävien alumiiniseosmateriaalien luotettava liitos. ”Hitsaamisen asteittainen käyttöönotto niittaamisen sijaan” lentokoneiden vahvistetuissa ohutlevyrakenteissa ei ainoastaan säilytä lentokonemateriaalien ja rakenteellisen eheyden yhdenmukaisuutta, mikä mahdollistaa tehokkaan ja edullisen valmistuksen, vaan myös vähentää painoa ja parantaa tiiviyttä. vaikutukset. China Aerospace Special Materials Research Instituten alumiiniskandium-5B70-seoksen sovellustutkimus on murtautunut läpi vaihtelevien seinämäpaksuisten komponenttien vahvan kehräyksen, korroosionkestävyyden ja lujuuden yhteensovittamisen hallinnan sekä hitsauksen jäännösjännityksen hallinnan teknologioiden. Se on valmistanut alumiiniskandiumseoksesta adaptiivista hitsauslankaa, ja seoksen paksujen levyjen kitkahitsauksen liitoslujuuskerroin voi nousta 0,92:een. China Avaruusteknologian akatemia, Central South University ja muut ovat tehneet laajoja mekaanisia suorituskykytestejä ja prosessikokeita 5B70-materiaalilla, päivittäneet ja iteroineet 5A06:n rakennemateriaalien valintajärjestelmää ja alkaneet soveltaa 5B70-alumiiniseosta avaruusaseman suljetun ohjaamon ja paluuohjaamon vahvistettujen seinäpaneelien päärakenteeseen. Levyrakenteen paineistetun ohjaamon yleinen seinäpaneeli on suunniteltu yhdistelmällä pintakerrosta ja vahvistusripoja, mikä saavuttaa paremman rakenteellisen integraation ja painon optimoinnin. Samalla kun se parantaa yleistä jäykkyyttä ja lujuutta, se vähentää liitososien määrää ja monimutkaisuutta, mikä vähentää edelleen painoa ja säilyttää samalla korkean suorituskyvyn. 5B70-materiaalitekniikan käytön edistämisen myötä käyttö 5B70-materiaalin kysyntä kasvaa vähitellen ja ylittää vähimmäistoimituskynnyksen, mikä auttaa varmistamaan raaka-aineiden jatkuvan tuotannon ja vakaan laadun sekä alentaa merkittävästi raaka-aineiden hintoja. Kuten aiemmin mainittiin, vaikka monia alumiiniseosten ominaisuuksia on parannettu skandiummikroseostuksella, skandiumin korkea hinta ja niukkuus rajoittavat alumiiniskandiumseosten käyttöaluetta. Verrattuna alumiiniseosmateriaaleihin, kuten AlCu, AlZn ja AlZnMg, skandiumia sisältävillä alumiiniseosmateriaaleilla on hyvät kokonaisvaltaiset mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys ja erinomaiset prosessointiominaisuudet, mikä tekee niistä laaja-alaisia sovellusmahdollisuuksia teollisuuden, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuuden, tärkeimpien rakenneosien valmistuksessa. Skandiummikroseosteknologian tutkimuksen jatkuvan syventymisen ja toimitusketjun ja teollisuusketjun yhteensovittamisen parantamisen myötä skandiumalumiiniseosten laajamittaista teollista käyttöä rajoittavat hinta- ja kustannustekijät paranevat vähitellen. Alumiiniskandiumseosten hyvät kokonaisvaltaiset mekaaniset ominaisuudet, korroosionkestävyys ja erinomaiset prosessointiominaisuudet antavat niille selkeitä rakenteellisia painonpudotusetuja ja laajan sovelluspotentiaalin ilmailulaitteiden valmistuksessa.
Julkaisuaika: 29.10.2024