Som en let legering, der er afgørende for luftfartstransportudstyr, er aluminiumlegeringens makroskopiske mekaniske egenskaber tæt forbundet med dens mikrostruktur. Ved at ændre de vigtigste legeringselementer i aluminiumlegeringens struktur kan aluminiumlegeringens mikrostruktur ændres, og materialets makroskopiske mekaniske egenskaber og andre egenskaber (såsom korrosionsbestandighed og svejseegenskaber) kan forbedres betydeligt. Indtil videre er mikrolegering blevet den mest lovende teknologiske udviklingsstrategi til optimering af mikrostrukturen af aluminiumlegeringer og forbedring af de omfattende egenskaber af aluminiumlegeringsmaterialer.Scandium(Sc) er den mest effektive mikrolegeringselementforstærker, der er kendt for aluminiumlegeringer. Scandiums opløselighed i aluminiummatrix er mindre end 0,35 vægt%. Tilsætning af spormængder af scandiumelementet til aluminiumlegeringer kan effektivt forbedre deres mikrostruktur og i høj grad forbedre deres styrke, hårdhed, plasticitet, termiske stabilitet og korrosionsbestandighed. Scandium har flere fysiske effekter i aluminiumlegeringer, herunder styrkelse i fast opløsning, partikelstyrke og hæmning af omkrystallisation. Denne artikel vil introducere den historiske udvikling, de seneste fremskridt og potentielle anvendelser af scandiumholdige aluminiumlegeringer inden for fremstilling af luftfartsudstyr.
Forskning og udvikling af aluminiumscandiumlegering
Tilsætningen af scandium som legeringselement til aluminiumlegeringer kan spores tilbage til 1960'erne. På det tidspunkt blev det meste af arbejdet udført i binære AlSc- og ternære AlMgSc-legeringssystemer. I 1970'erne gennemførte Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science under det sovjetiske videnskabsakademi og det alrussiske institut for letlegeringsforskning en systematisk undersøgelse af scandiums form og mekanisme i aluminiumlegeringer. Efter næsten fyrre års arbejde er der blevet udviklet 14 kvaliteter af aluminiumscandiumlegeringer i tre hovedserier (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Scandiumatomernes opløselighed i aluminium er lav, og ved at anvende passende varmebehandlingsprocesser kan der udfældes Al3Sc-nanobundfald med høj densitet. Denne udfældningsfase er næsten sfærisk med små partikler og spredt fordeling og har et godt sammenhængende forhold til aluminiummatrixen, hvilket i høj grad kan forbedre aluminiumlegeringernes styrke ved stuetemperatur. Derudover har Al3Sc-nanopræcipitater god termisk stabilitet og modstandsdygtighed over for grovkornsdannelse ved høje temperaturer (inden for 400 ℃), hvilket er yderst gavnligt for legeringens stærke varmebestandighed. I russisk fremstillede aluminium-scandiumlegeringer har 1570-legeringen tiltrukket sig stor opmærksomhed på grund af sin højeste styrke og bredeste anvendelse. Denne legering udviser fremragende ydeevne i arbejdstemperaturområdet fra -196 ℃ til 70 ℃ og har naturlig superplasticitet, som kan erstatte den russisk fremstillede LF6-aluminiumlegering (en aluminium-magnesiumlegering hovedsageligt sammensat af aluminium, magnesium, kobber, mangan og silicium) til bærende svejsestrukturer i flydende iltmedium med betydeligt forbedret ydeevne. Derudover har Rusland også udviklet aluminium-zink-magnesium-scandiumlegeringer, repræsenteret af 1970, med en materialestyrke på over 500 MPa.
Industrialiseringsstatus forAluminium scandiumlegering
I 2015 udgav Den Europæiske Union den "European Metallurgical Roadmap: Perspectives for Manufacturers and End Users", der foreslog at undersøge aluminiums svejseevne.magnesium scandium legeringerI september 2020 offentliggjorde Den Europæiske Union en liste over 29 vigtige mineralressourcer, herunder scandium. Aluminium-magnesium-scandiumlegeringen 5024H116, der er udviklet af Ale Aluminum i Tyskland, har medium til høj styrke og høj skadestolerance, hvilket gør den til et meget lovende materiale til flykroppens beklædning. Den kan bruges til at erstatte traditionelle 2xxx-serie aluminiumlegeringer og er inkluderet i Airbus' AIMS03-01-055 materialeindkøbsbog. 5028 er en forbedret kvalitet af 5024, der er egnet til lasersvejsning og friktionssvejsning. Den kan opnå krybeformningsprocessen for hyperbolske integrerede vægpaneler, som er korrosionsbestandig og ikke kræver aluminiumsbelægning. Sammenlignet med 2524-legering kan flykroppens samlede vægpanelstruktur opnå en strukturel vægtreduktion på 5%. AA5024-H116 aluminium-scandiumlegeringspladen produceret af Aili Aluminum Company er blevet brugt til at fremstille flykroppens og rumfartøjernes strukturelle komponenter. Den typiske tykkelse af AA5024-H116-legeringspladen er 1,6 mm til 8,0 mm, og på grund af dens lave densitet, moderate mekaniske egenskaber, høje korrosionsbestandighed og strenge dimensionsafvigelse kan den erstatte 2524-legering som flykroppens overflademateriale. I øjeblikket er AA5024-H116-legeringspladen blevet certificeret af Airbus AIMS03-04-055. I december 2018 udgav Kinas ministerium for industri og informationsteknologi "Guiding Catalogue for the First Batch of Secondary Application Demonstrations of Key New Materials (2018 Edition)", som inkluderede "scandiumoxid med høj renhed" i udviklingskataloget for den nye materialeindustri. I 2019 udgav Kinas ministerium for industri og informationsteknologi "Guiding Catalogue for the First Batch of Demonstration Applications of Key New Materials (2019 Edition)", som inkluderede "Sc-holdige aluminiumlegeringsforarbejdningsmaterialer og Al Si Sc-svejsetråde" i udviklingskataloget for den nye materialeindustri. China Aluminum Group Northeast Light Alloy har udviklet en Al Mg Sc Zr-serie 5B70-legering, der indeholder scandium og zirconium. Sammenlignet med den traditionelle Al Mg-serie 5083-legering uden scandium og zirconium er dens udbytte og trækstyrke steget med mere end 30%. Desuden kan Al Mg Sc Zr-legeringen opretholde en korrosionsbestandighed, der er sammenlignelig med 5083-legeringen. I øjeblikket er de største indenlandske virksomheder med industriel kvalitet...aluminium scandium legeringProduktionskapaciteten er Northeast Light Alloy Company og Southwest Aluminum Industry. Den store 5B70 aluminiumscandiumlegeringsplade, der er udviklet af Northeast Light Alloy Co., Ltd., kan levere store tykke plader af aluminiumlegering med en maksimal tykkelse på 70 mm og en maksimal bredde på 3500 mm. Tyndpladeprodukter og profilprodukter kan tilpasses til produktion med en tykkelse på 2 mm til 6 mm og en maksimal bredde på 1500 mm. Southwest Aluminum har uafhængigt udviklet 5K40-materiale og gjort betydelige fremskridt i udviklingen af tynde plader. AlZnMg-legering er en tidshærdende legering med høj styrke, god forarbejdningsevne og fremragende svejseevne. Det er et uundværligt og vigtigt strukturmateriale i nuværende transportmidler såsom fly. På basis af svejsbar AlZnMg med mellemstyrke kan tilsætning af scandium- og zirconiumlegeringselementer danne små og dispergerede Al3 (Sc, Zr) nanopartikler i mikrostrukturen, hvilket forbedrer legeringens mekaniske egenskaber og spændingskorrosionsbestandighed betydeligt. NASAs Langley Research Center har udviklet en ternær aluminiumscandiumlegering med kvaliteten C557, som er klar til anvendelse i modelmissioner. Den statiske styrke, revneudbredelse og brudstyrke for denne legering ved lav temperatur (-200 ℃), stuetemperatur og høj temperatur (107 ℃) er alle lig med eller bedre end for 2524-legeringen. Northwestern University i USA har udviklet AlZn Mg Sc-legeringen i 7000-serien af ultrahøjstyrkealuminiumlegering med en trækstyrke på op til 680 MPa. Der er dannet et mønster af samlingsudvikling mellem en mellemhøjstyrkealuminiumscandiumlegering og en ultrahøjstyrke Al Zn Mg Sc. Al Zn Mg Cu Sc-legering er en højstyrkealuminiumlegering med en trækstyrke på over 800 MPa. I øjeblikket er den nominelle sammensætning og de grundlæggende ydeevneparametre for de vigtigste kvaliteter af ...aluminium scandium legeringer opsummeret som følger, som vist i tabel 1 og 2.
Tabel 1 | Nominel sammensætning af aluminium-scandiumlegering
Tabel 2 | Mikrostruktur og trækstyrkeegenskaber for aluminium-scandiumlegering
Anvendelsesmuligheder for aluminiumscandiumlegering
Højstyrke AlZnMgCuSc- og AlCuLiSc-legeringer er blevet anvendt på bærende strukturelle komponenter, herunder de russiske MiG-21- og MiG-29-jagerfly. Instrumentbrættet på det russiske rumfartøj "Mars-1" er lavet af 1570 aluminiums-scandiumlegering, med en samlet vægtreduktion på 20%. De bærende komponenter i instrumentmodulet på Mars-96-rumfartøjet er lavet af 1970 aluminiums-legering indeholdende scandium, hvilket reducerer instrumentmodulets vægt med 10%. I "Clean Sky"-programmet og EU's "2050 Flight Route"-projekt udførte Airbus integrerede testflyvninger inden for design, forskning og udvikling, fremstilling og installation af lastrumsdøre for A321-fly baseret på efterfølgeren AA5028-H116 aluminiums-scandiumlegering af 5024 aluminiums-scandiumlegering. Aluminiums-scandiumlegeringer repræsenteret af AA5028 udviste fremragende forarbejdnings- og svejseegenskaber. Ved at anvende avancerede svejseteknikker såsom friktionssvejsning og lasersvejsning opnås pålidelig forbindelse af scandiumholdige aluminiumlegeringsmaterialer. Den gradvise implementering af "svejsning i stedet for nitning" i flyforstærkede tyndpladestrukturer opretholder ikke kun flymaterialernes ensartethed og strukturel integritet, hvilket opnår effektiv og billig fremstilling, men har også vægtreduktion og forseglingseffekter. China Aerospace Special Materials Research Institutes forskning i anvendelsen af aluminium scandium 5B70-legeringen har gennembrudt teknologierne til stærk spinding af komponenter med variabel vægtykkelse, kontrol af korrosionsbestandighed og styrketilpasning samt kontrol af restspænding i svejsning. De har fremstillet adaptiv svejsetråd af aluminium scandium-legering, og samlingens friktionskoefficient for omrøringssvejsning til tykke plader i legeringen kan nå 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University og andre har udført omfattende mekanisk ydeevnetest og procesforsøg på 5B70-materialet, opgraderet og itereret det strukturelle materialevalgssystem for 5A06 og er begyndt at anvende 5B70-aluminiumlegeringen på hovedstrukturen af de overordnede forstærkede vægpaneler i rumstationens forseglede kabine og returkabine. Det overordnede vægpanel i pladestrukturens trykkabine er designet med en kombination af beklædning og forstærkningsribber, hvilket opnår højere strukturel integration og vægtoptimering. Samtidig med at den samlede stivhed og styrke forbedres, reduceres antallet og kompleksiteten af forbindelseskomponenter, hvorved vægten reduceres yderligere, samtidig med at den høje ydeevne opretholdes. Med fremme af anvendelsen af 5B70-materialeteknik vil brugen af 5B70-materiale... gradvist øge og overskride minimumsforsyningstærsklen, hvilket vil bidrage til at sikre kontinuerlig produktion og stabil kvalitet af råmaterialer og reducere råvarepriserne betydeligt. Som tidligere nævnt, selvom mange egenskaber ved aluminiumlegeringer er blevet forbedret gennem scandium-mikrolegering, begrænser den høje pris og knaphed på scandium anvendelsesområdet for aluminium-scandiumlegeringer. Sammenlignet med aluminiumlegeringsmaterialer som Al Cu, Al Zn, Al ZnMg har scandiumholdige aluminiumlegeringsmaterialer gode omfattende mekaniske egenskaber, korrosionsbestandighed og fremragende forarbejdningsegenskaber, hvilket giver dem brede anvendelsesmuligheder inden for fremstilling af vigtigste strukturelle komponenter inden for industrielle områder som f.eks. luftfart. Med den fortsatte uddybning af forskningen i scandium-mikrolegeringsteknologi og forbedringen af forsyningskæden og den industrielle kædematchning vil de pris- og omkostningsfaktorer, der begrænser den industrielle anvendelse af scandium-aluminiumlegeringer i stor skala, gradvist forbedres. De gode omfattende mekaniske egenskaber, korrosionsbestandigheden og de fremragende forarbejdningsegenskaber ved aluminium-scandiumlegeringer gør dem til klare strukturelle vægtreduktionsfordele og et bredt anvendelsespotentiale inden for fremstilling af luftfartsudstyr.
Opslagstidspunkt: 29. oktober 2024