Som en lyslegering, der er afgørende for luftfartstransportudstyr, er de makroskopiske mekaniske egenskaber ved aluminiumslegering tæt knyttet til dens mikrostruktur. Ved at ændre de vigtigste legeringselementer i aluminiumslegeringsstrukturen kan mikrostrukturen af aluminiumslegeringen ændres, og de makroskopiske mekaniske egenskaber og andre egenskaber (såsom korrosionsbestandighed og svejsning af materialet) kan forbedres markant. Indtil nu er mikroalloying blevet den mest lovende teknologiske udviklingsstrategi til optimering af mikrostrukturen af aluminiumslegeringer og forbedring af de omfattende egenskaber ved aluminiumslegeringsmaterialer.Scandium(SC) er det mest effektive mikroalloying -enhancer, der er kendt for aluminiumslegeringer. Opløseligheden af skandium i aluminiumsmatrix er mindre end 0,35 vægt%, hvilket tilføjer spormængder af skandiumelement til aluminiumslegeringer kan effektivt forbedre deres mikrostruktur, forbedre deres styrke, hårdhed, plasticitet, termisk stabilitet og korrosionsbestandighed. Scandium har flere fysiske effekter i aluminiumslegeringer, herunder solid opløsningsstyrke, partikelstyrke og hæmning af omkrystallisation. Denne artikel vil introducere den historiske udvikling, de seneste fremskridt og potentielle anvendelser af skandium indeholdende aluminiumslegeringer inden for fremstilling af luftfartsudstyr.
Forskning og udvikling af aluminiumsskandiumlegering
Tilsætningen af skandium som et legeringselement til aluminiumslegeringer kan spores tilbage til 1960'erne. På det tidspunkt blev det meste af arbejdet udført i binære Al SC og ternære AlMG SC -legeringssystemer. I 1970'erne gennemførte Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science fra Sovjet -Academy of Sciences og All Russian Institute of Light Alloy Research en systematisk undersøgelse af form og mekanisme for skandium i aluminiumslegeringer. Efter næsten fyrre års indsats er 14 kvaliteter af aluminiumsskandiumlegeringer blevet udviklet i tre større serier (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn MG SC). Opløseligheden af skandiumatomer i aluminium er lav, og ved anvendelse af passende varmebehandlingsprocesser kan højdensitet Al3Sc nano-bundfald udfældes. Denne nedbørsfase er næsten sfærisk med små partikler og spredt fordeling og har et godt sammenhængende forhold til aluminiumsmatrixen, hvilket i høj grad kan forbedre stuetemperaturstyrken for aluminiumslegeringer. Derudover har AL3SC -nano -bundfald god termisk stabilitet og grov modstand ved høje temperaturer (inden for 400 ℃), hvilket er yderst fordelagtigt for legeringens stærke varmemodstand. På russisk lavet aluminiumsskandiumlegeringer har 1570 legering tiltrukket meget opmærksomhed på grund af sin højeste styrke og bredeste anvendelse. Denne legering udviser fremragende ydeevne i arbejdstemperaturområdet på -196 ℃ til 70 ℃ og har naturlig superplasticitet, som kan erstatte den russiske fremstillede LF6 -aluminiumlegering (en aluminiumsmagnesiumlegering hovedsageligt sammensat af aluminium, magnesium, kobber, mangan og silicium) til belastningsbærende welding -strukturer i flydende oxygenmedium, med markant forbedret ydeevne. Derudover har Rusland også udviklet aluminiumszinkmagnesiumskandiumlegeringer, repræsenteret i 1970, med en materiel styrke på over 500MPa.
Industrialiseringsstatus forAluminiumsskandiumlegering
I 2015 frigav Den Europæiske Union den "europæiske metallurgiske køreplan: udsigter for producenter og slutbrugere" og foreslog at studere svejseligheden af aluminiumMagnesiumskandiumlegeringer. I september 2020 frigav Den Europæiske Union en liste med 29 nøglemineralressourcer, herunder Scandium. 5024H116 aluminiumsmagnesiumskandiumlegering udviklet af Ale aluminium i Tyskland har medium til høj styrke og høj skade tolerance, hvilket gør det til et meget lovende materiale til flykrop. Det kan bruges til at erstatte traditionelle 2xxx-serie aluminiumslegeringer og er inkluderet i Airbus 'AIMS03-01-055 Material Procurement Book. 5028 er en forbedret kvalitet på 5024, der er egnet til laser svejsning og friktion omrør svejsning. Det kan opnå krybdannelsesprocessen for hyperboliske integrerede vægpaneler, som er korrosionsbestandig og ikke kræver aluminiumsbelægning. Sammenlignet med 2524 legering kan den samlede vægpanelstruktur af flykroppen opnå en 5% strukturel vægttab. AA5024-H116 aluminiumsskandiumlegeringsark produceret af Aili Aluminium Company er blevet brugt til at fremstille flybely og rumfartøjer strukturelle komponenter. Den typiske tykkelse af AA5024-H116-legeringsarket er 1,6 mm til 8,0 mm, og på grund af dens lave densitet, moderate mekaniske egenskaber, høj korrosionsmodstand og streng dimensionel afvigelse, kan det erstatte 2524 legering som fuselage hudmateriale. I øjeblikket er AA5024-H116-legeringsarket certificeret af Airbus AIMS03-04-055. I december 2018 frigav Ministeriet for Industri og Informationsteknologi for Kinas "Vejledende katalog for den første batch af sekundære applikationsdemonstrationer af de vigtigste nye materialer (2018-udgave)", der omfattede "High-Purity Scandiumoxid" i udviklingskataloget i den nye materialeindustri. I 2019 frigav industriministeriet og informationsteknologi i Kinas "vejledende katalog for den første batch af demonstrationsapplikationer af nøgle nye materialer (2019 -udgave)", der omfattede "SC indeholdende aluminiumslegeringsbehandlingsmaterialer og Al Si SC Welding Wires" i udviklingskataloget i den nye materialeindustri. China Aluminium Group Northeast Light Alloy har udviklet en AL MG SC ZR -serie 5B70 -legering indeholdende skandium og zirkonium. Sammenlignet med den traditionelle AL MG -serie 5083 -legering uden skandium og zirkonium er dens udbytte og trækstyrke steget med mere end 30%. Desuden kan Al Mg SC ZR -legeringen opretholde sammenlignelig korrosionsbestandighed med 5083 -legeringen. På nuværende tidspunkt er de vigtigste indenlandske virksomheder med industriel kvalitetAluminiumsskandiumlegeringProduktionskapacitet er Northeast Light Alloy Company og Southwest Aluminium Industry. Det store størrelse 5B70 aluminiumsskandiumlegeringsark udviklet af Northeast Light Alloy Co., Ltd. kan levere store aluminiumslegeringsplader med en maksimal tykkelse på 70 mm og en maksimal bredde på 3500 mm; Tynde pladeprodukter og profilprodukter kan tilpasses til produktion med et tykkelsesområde på 2 mm til 6 mm og en maksimal bredde på 1500 mm. Southwest Aluminium har uafhængigt udviklet 5K40 -materiale og gjort betydelige fremskridt i udviklingen af tynde plader. Al Zn Mg Alloy er en tidshærdningslegering med høj styrke, god behandlingspræstation og fremragende svejsning. Det er et uundværligt og vigtigt strukturelt materiale i aktuelle transportkøretøjer såsom fly. På basis af mediumstyrke svejselig Alzn Mg kan tilsætning af skandium- og zirkoniumlegeringselementer danne små og spredte Al3 (SC, Zr) nanopartikler i mikrostrukturen, hvilket forbedrer legeringens mekaniske egenskaber og stress korrosionsmodstand. Langley Research Center of NASA har udviklet en ternær aluminiumskandiumlegering med klasse C557, som er klar til at blive anvendt i modelopgaver. Den statiske styrke, spredningsformering og brudhårdhed af denne legering ved lav temperatur (-200 ℃), stuetemperatur og høj temperatur (107 ℃) er alle lig med eller bedre end dem for 2524 legering. Northwestern University i USA har udviklet Alzn Mg SC Alloy 7000-serien ultrahøj styrke aluminiumslegering med en trækstyrke på op til 680MPa. Et mønster af ledudvikling mellem medium høj styrke aluminiumsskandiumlegering og ultrahøj styrke al Zn Mg SC er dannet. Al Zn Mg Cu SC-legering er en aluminiumslegering med høj styrke med en trækstyrke, der overstiger 800 MPa. På nuværende tidspunkt er den nominelle sammensætning og grundlæggende præstationsparametre for hovedkvaliteterne iAluminiumsskandiumlegeringopsummeres som følger, som vist i tabel 1 og 2.
Tabel 1 | Nominel sammensætning af aluminiumskandiumlegering
Tabel 2 | Mikrostruktur og trækegenskaber ved aluminiumskandiumlegering
Anvendelsesudsigter for aluminiumskandiumlegering
Al Zn Mg Cu SC og Al Culi SC-legeringer er blevet anvendt på bærende strukturelle komponenter, herunder de russiske MIG-21 og MIG-29 jagerfly. Dashboardet af det russiske rumfartøj “Mars-1 ″ er lavet af 1570 aluminiumsskandiumlegering med en samlet vægttab på 20%. De bærende komponenter i instrumentmodulet i Mars-96-rumfartøjet er lavet af 1970 aluminiumslegering indeholdende skandium, hvilket reducerer vægten af instrumentmodulet med 10%. I programmet "Clean Sky" og EU's "2050 flyrute" -projekt gennemførte Airbus integreret lastdørdesign, forskning og udvikling, fremstilling og installationstestflyvninger til A321-fly baseret på efterfølgerklasse AA5028-H116 aluminiumskandiumlegering af 5024 aluminiumskandiumlegering. Aluminiumsskandiumlegeringer repræsenteret af AA5028 demonstrerede fremragende behandlings- og svejsestyring. Brug af avancerede svejseteknikker såsom friktion omrøres svejsning og laser svejsning for at opnå pålidelig forbindelse af skandium indeholdende aluminiumslegeringsmaterialer. Den gradvise implementering af "svejsning i stedet for nitning" i flyforstærket tynde pladestrukturer opretholder ikke kun konsistensen af flysmaterialer og strukturel integritet, opnåelse af effektiv og billig fremstilling, men har også vægttab og forseglingseffekter. Applikationsundersøgelsen af aluminiumsskandium 5B70 -legering af Kina Aerospace Special Materials Research Institute har brudt gennem teknologierne med stærk spinding af variable vægtykkekomponenter, kontrol af korrosionsmodstand og styrketilpasning og kontrol af svejsningsresterende stress. Det har forberedt aluminiumsskandiumlegeringsadaptiv svejsningstråd, og ledstyrkekoefficienten for friktionsrør svejsning til tykke plader i legeringen kan nå 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University og andre har udført omfattende mekanisk præstationstest og proceseksperimenter på 5B70 -materialet, opgraderet og itereret det strukturelle materialeudvælgelsesskema for 5A06 og er begyndt at anvende 5B70 -aluminiumslegeringen til hovedstrukturen i de samlede forstærkede vægpaneler på rumstationens forseglede kabiner og returnabin. Det samlede vægpanel i pladestrukturens trykkabine er designet med en kombination af hud- og forstærkningsribben, der opnå højere strukturel integration og vægtoptimering. Mens det forbedrer den samlede stivhed og styrke, reducerer det antallet og kompleksiteten ved at forbinde komponenter, hvilket yderligere reducerer vægten, mens den opretholder høj ydeevne. Med fremme af anvendelsen af 5B70 -materialeteknik vil brugen af 5B70 -materiale gradvist stige og overskride minimumsforsyningstærsklen, hvilket vil hjælpe med at sikre den kontinuerlige produktion og stabile kvalitet af råmaterialer og reducere råmaterialpriserne markant. Som nævnt tidligere, selv om mange egenskaber ved aluminiumslegeringer er blevet forbedret gennem skandiummikroalloying, begrænser den høje pris og knaphed af skandium anvendelsesområdet for aluminiumsskandiumlegeringer. Sammenlignet med aluminiumslegeringsmaterialer som Al Cu, Al Zn, Al Znmg, har skandium indeholdende aluminiumslegeringsmaterialer gode omfattende mekaniske egenskaber, korrosionsmodstand og fremragende behandlingsegenskaber, hvilket får dem til at have brede anvendelsesudsigter til fremstilling af vigtigste strukturelle komponenter i industrielle felter såsom Aerospace. Med den kontinuerlige uddybning af forskning på skandiummikroalloying-teknologi og forbedring af forsyningskæden og den industrielle kæde-matching vil pris- og omkostningsfaktorer, der begrænser den store industrielle anvendelse af skandiumaluminiumslegeringer, gradvist forbedres. De gode omfattende mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed og fremragende behandlingskarakteristika for aluminiumsskandiumlegeringer gør dem til fordele ved strukturel vægttab og bredt anvendelsespotentiale inden for fremstilling af luftfartsudstyr.
Posttid: Okt-29-2024