Kā vieglam sakausējumam, kas ir izšķirošs aviācijas transporta iekārtām, alumīnija sakausējuma makroskopiskās mehāniskās īpašības ir cieši saistītas ar tā mikrostruktūru. Mainot galvenos leģējošos elementus alumīnija sakausējuma struktūrā, var mainīt alumīnija sakausējuma mikrostruktūru un ievērojami uzlabot materiāla makroskopiskās mehāniskās īpašības un citas īpašības (piemēram, izturību pret koroziju un metināšanas veiktspēju). Līdz šim mikrosakausēšana ir kļuvusi par daudzsološāko tehnoloģiskās attīstības stratēģiju alumīnija sakausējumu mikrostruktūras optimizēšanai un alumīnija sakausējumu materiālu visaptverošo īpašību uzlabošanai.Skandijs(Sc) ir visefektīvākais mikroleģējošo elementu pastiprinātājs, kas zināms alumīnija sakausējumiem. Skandija šķīdība alumīnija matricā ir mazāka par 0,35 svara %. Pievienojot alumīnija sakausējumiem nelielu daudzumu skandija elementa, var efektīvi uzlabot to mikrostruktūru, visaptveroši palielināt to izturību, cietību, plastiskumu, termisko stabilitāti un izturību pret koroziju. Skandijam ir vairāki fizikāli efekti alumīnija sakausējumos, tostarp cieto šķīdumu stiprināšana, daļiņu stiprināšana un pārkristalizācijas inhibīcija. Šajā rakstā tiks iepazīstināts ar skandiju saturošu alumīnija sakausējumu vēsturisko attīstību, jaunākajiem sasniegumiem un potenciālajiem pielietojumiem aviācijas iekārtu ražošanas jomā.
Alumīnija skandija sakausējuma izpēte un attīstība
Skandija kā leģējošā elementa pievienošana alumīnija sakausējumiem aizsākās 20. gs. sešdesmitajos gados. Tolaik lielākā daļa darba tika veikta binārajās Al₂Sc un trīskāršajās Al₂Mg₂Sc sakausējumu sistēmās. Septiņdesmitajos gados Padomju Savienības Zinātņu akadēmijas Baikova Metalurģijas un materiālzinātnes institūts un Viskrievijas Vieglo sakausējumu pētniecības institūts veica sistemātisku pētījumu par skandija formu un mehānismu alumīnija sakausējumos. Pēc gandrīz četrdesmit gadu ilga darba ir izstrādātas 14 alumīnija skandija sakausējumu markas trīs galvenajās sērijās (Al₂Mg₃Sc, Al₂Sc, Al₂Zn₃Mg₃Sc). Skandija atomu šķīdība alumīnijā ir zema, un, izmantojot atbilstošus termiskās apstrādes procesus, var izgulsnēties augsta blīvuma Al₃Sc nano nogulsnes. Šī nogulšņu fāze ir gandrīz sfēriska, ar mazām daļiņām un izkliedētu sadalījumu, un tai ir laba koherence ar alumīnija matricu, kas var ievērojami uzlabot alumīnija sakausējumu izturību istabas temperatūrā. Turklāt Al3Sc nano nogulsnēm ir laba termiskā stabilitāte un rupjības izturība augstās temperatūrās (400 ℃ robežās), kas ir ārkārtīgi izdevīgi sakausējuma spēcīgajai karstumizturībai. Krievijā ražoto alumīnija skandija sakausējumu vidū lielu uzmanību ir piesaistījis 1570 sakausējums, pateicoties tā augstākajai izturībai un plašākajam pielietojumam. Šim sakausējumam ir lieliska veiktspēja darba temperatūras diapazonā no -196 ℃ līdz 70 ℃, un tam ir dabiska superplastiskums, kas var aizstāt Krievijā ražoto LF6 alumīnija sakausējumu (alumīnija magnija sakausējumu, kas galvenokārt sastāv no alumīnija, magnija, vara, mangāna un silīcija) nesošajām metināšanas konstrukcijām šķidrā skābekļa vidē, ievērojami uzlabojot veiktspēju. Turklāt Krievija ir izstrādājusi arī alumīnija cinka magnija skandija sakausējumus, ko pārstāv 1970 sakausējums, ar materiāla izturību virs 500 MPa.
Industrializācijas statussAlumīnija skandija sakausējums
2015. gadā Eiropas Savienība publicēja “Eiropas metalurģijas ceļvedi: ražotāju un gala lietotāju perspektīvas”, ierosinot izpētīt alumīnija metināmību.magnija skandija sakausējumi2020. gada septembrī Eiropas Savienība publicēja 29 galveno derīgo izrakteņu, tostarp skandija, sarakstu. Ale Aluminum Vācijā izstrādātajam 5024H116 alumīnija magnija skandija sakausējumam ir vidēja līdz augsta izturība un augsta bojājumu tolerance, padarot to par ļoti daudzsološu materiālu fizelāžas apvalkam. To var izmantot, lai aizstātu tradicionālos 2xxx sērijas alumīnija sakausējumus, un tas ir iekļauts Airbus AIMS03-01-055 materiālu iepirkumu grāmatā. 5028 ir uzlabota 5024 klase, kas piemērota lāzera metināšanai un berzes maisīšanas metināšanai. Tā var panākt hiperbolisku integrālu sienu paneļu šļūdes formēšanas procesu, kas ir izturīgs pret koroziju un neprasa alumīnija pārklājumu. Salīdzinot ar 2524 sakausējumu, fizelāžas sienu paneļu kopējā struktūra var samazināt strukturālo svaru par 5 %. Aili Aluminum Company ražotā AA5024-H116 alumīnija skandija sakausējuma loksne ir izmantota lidmašīnu fizelāžas un kosmosa kuģu konstrukcijas komponentu ražošanā. AA5024-H116 sakausējuma loksnes tipiskais biezums ir no 1,6 mm līdz 8,0 mm, un, pateicoties tās zemajam blīvumam, mērenajām mehāniskajām īpašībām, augstajai izturībai pret koroziju un stingrajām izmēru novirzēm, tā var aizstāt 2524 sakausējumu kā fizelāžas apvalka materiālu. Pašlaik AA5024-H116 sakausējuma loksne ir sertificēta ar Airbus AIMS03-04-055. 2018. gada decembrī Ķīnas Rūpniecības un informācijas tehnoloģiju ministrija publicēja "Pirmās galveno jauno materiālu sekundāro pielietojumu demonstrāciju partijas vadlīniju katalogu (2018. gada izdevums)", kurā jauno materiālu nozares attīstības katalogā bija iekļauts "augstas tīrības pakāpes skandija oksīds". 2019. gadā Ķīnas Rūpniecības un informācijas tehnoloģiju ministrija publicēja "Pirmās galveno jauno materiālu demonstrācijas pielietojumu partijas vadlīniju katalogu (2019. gada izdevums)", kurā jauno materiālu nozares attīstības katalogā bija iekļauti "Sc saturoši alumīnija sakausējumu apstrādes materiāli un Al Si Sc metināšanas stieples". China Aluminum Group Northeast Light Alloy ir izstrādājusi AlMgScZr sērijas 5B70 sakausējumu, kas satur skandiju un cirkoniju. Salīdzinot ar tradicionālo AlMg sērijas 5083 sakausējumu bez skandija un cirkonija, tā ražība un stiepes izturība ir palielinājusies par vairāk nekā 30%. Turklāt AlMgScZr sakausējums var saglabāt salīdzināmu korozijas izturību ar 5083 sakausējumu. Pašlaik galvenie vietējie uzņēmumi ar rūpnieciskas kvalitātes...alumīnija skandija sakausējumsRažošanas jauda ir Northeast Light Alloy Company un Southwest Aluminum Industry. Northeast Light Alloy Co., Ltd. izstrādātā lielizmēra 5B70 alumīnija skandija sakausējuma loksne var piegādāt lielas alumīnija sakausējuma biezas plāksnes ar maksimālo biezumu 70 mm un maksimālo platumu 3500 mm; Plānās loksnes un profila izstrādājumus var pielāgot ražošanai ar biezuma diapazonu no 2 mm līdz 6 mm un maksimālo platumu 1500 mm. Southwest Aluminum ir neatkarīgi izstrādājis 5K40 materiālu un guvis ievērojamus panākumus plāno plākšņu izstrādē. Al-Zn-Mg sakausējums ir laika gaitā sacietējošs sakausējums ar augstu izturību, labām apstrādes īpašībām un izcilām metināšanas īpašībām. Tas ir neaizstājams un svarīgs konstrukcijas materiāls mūsdienu transporta līdzekļos, piemēram, lidmašīnās. Uz vidējas stiprības metināmā AlZn-Mg bāzes pievienojot skandija un cirkonija sakausējuma elementus, mikrostruktūrā var veidot mazas un izkliedētas Al3 (Sc, Zr) nanodaļiņas, ievērojami uzlabojot sakausējuma mehāniskās īpašības un izturību pret sprieguma koroziju. NASA Langley pētniecības centrs ir izstrādājis trīskāršu alumīnija skandija sakausējumu ar C557 pakāpi, kas ir gatavs izmantošanai modeļu misijās. Šī sakausējuma statiskā izturība, plaisu izplatīšanās un lūzuma izturība zemā temperatūrā (-200 ℃), istabas temperatūrā un augstā temperatūrā (107 ℃) ir vienāda ar vai labāka par 2524 sakausējuma īpašībām. Ziemeļrietumu universitāte Amerikas Savienotajās Valstīs ir izstrādājusi AlZn Mg Sc sakausējuma 7000. sērijas īpaši augstas stiprības alumīnija sakausējumu ar stiepes izturību līdz 680 MPa. Ir izveidojies savienojuma attīstības modelis starp vidēji augstas stiprības alumīnija skandija sakausējumu un īpaši augstas stiprības AlZn Mg Sc. AlZn Mg Cu Sc sakausējums ir augstas stiprības alumīnija sakausējums ar stiepes izturību, kas pārsniedz 800 MPa. Pašlaik galveno marku nominālais sastāvs un pamata veiktspējas parametri...alumīnija skandija sakausējumsir apkopoti šādi, kā parādīts 1. un 2. tabulā.
1. tabula | Alumīnija skandija sakausējuma nominālais sastāvs
2. tabula | Alumīnija skandija sakausējuma mikrostruktūra un stiepes īpašības
Alumīnija skandija sakausējuma pielietojuma perspektīvas
Augstas stiprības AlZnMgCuSc un AlCuLiSc sakausējumi ir izmantoti nesošajās konstrukcijas sastāvdaļās, tostarp Krievijas MiG-21 un MiG-29 iznīcinātājos. Krievijas kosmosa kuģa “Mars-1” instrumentu panelis ir izgatavots no 1570 alumīnija skandija sakausējuma, un kopējais svara samazinājums ir 20%. Kosmosa kuģa Mars-96 instrumentu moduļa nesošās sastāvdaļas ir izgatavotas no 1970 alumīnija sakausējuma, kas satur skandiju, samazinot instrumentu moduļa svaru par 10%. “Clean Sky” programmas un ES projekta “2050 Flight Route” ietvaros Airbus veica integrētus kravas nodalījuma durvju projektēšanas, pētniecības un izstrādes, ražošanas un uzstādīšanas testa lidojumus A321 lidmašīnai, kuras pamatā ir 5024 alumīnija skandija sakausējuma pēctecis AA5028-H116 alumīnija skandija sakausējums. Alumīnija skandija sakausējumi, ko pārstāv AA5028, demonstrēja izcilu apstrādes un metināšanas veiktspēju. Izmantojot progresīvas metināšanas metodes, piemēram, berzes maisīšanas metināšanu un lāzera metināšanu, tiek panākts uzticams skandiju saturošu alumīnija sakausējumu materiālu savienojums. Pakāpeniska “metināšanas kniedēšanas vietā” ieviešana lidmašīnu pastiprinātās plānās plākšņu konstrukcijās ne tikai saglabā lidmašīnu materiālu konsekvenci un konstrukcijas integritāti, panākot efektīvu un zemu ražošanas izmaksu, bet arī samazina svaru un nodrošina hermētiskumu. efekti. Ķīnas Aerokosmisko speciālo materiālu pētniecības institūta veiktais alumīnija skandija 5B70 sakausējuma pielietojuma pētījums ir izrāvis mainīga sienu biezuma komponentu spēcīgas vērpšanas, korozijas izturības un stiprības saskaņošanas kontroles, kā arī metināšanas atlikušā sprieguma kontroles tehnoloģijas. Ir sagatavota alumīnija skandija sakausējuma adaptīvā metināšanas stieple, un biezu plākšņu berzes maisīšanas metināšanas savienojuma stiprības koeficients sakausējumā var sasniegt 0,92. Ķīnas Kosmosa tehnoloģiju akadēmija, Centrālās Dienvidu universitāte un citi ir veikuši plašus mehāniskās veiktspējas testus un procesa eksperimentus ar 5B70 materiālu, uzlabojuši un atkārtojuši 5A06 konstrukcijas materiāla izvēles shēmu un ir sākuši pielietot 5B70 alumīnija sakausējumu kosmosa stacijas noslēgtās kabīnes un atgriešanās kabīnes kopējo pastiprināto sienu paneļu galvenajai konstrukcijai. Spiediena kabīnes plākšņu konstrukcijas kopējais sienas panelis ir veidots ar ādas un pastiprinājuma ribu kombināciju, panākot augstāku strukturālo integrāciju un svara optimizāciju. Vienlaikus uzlabojot kopējo stingrību un izturību, tas samazina savienojošo komponentu skaitu un sarežģītību, tādējādi vēl vairāk samazinot svaru, vienlaikus saglabājot augstu veiktspēju. Veicinot 5B70 materiālu inženierijas pielietošanu, tiek izmantota... 5B70 materiāla piegādes apjoms pakāpeniski palielināsies un pārsniegs minimālo piegādes slieksni, kas palīdzēs nodrošināt nepārtrauktu ražošanu un stabilu izejvielu kvalitāti, kā arī ievērojami samazinās izejvielu cenas. Kā jau minēts iepriekš, lai gan daudzas alumīnija sakausējumu īpašības ir uzlabotas, izmantojot skandija mikrosakausēšanu, skandija augstā cena un retums ierobežo alumīnija skandija sakausējumu pielietojuma klāstu. Salīdzinot ar alumīnija sakausējumu materiāliem, piemēram, AlCu, AlZn, AlZnMg, skandiju saturošiem alumīnija sakausējumu materiāliem ir labas visaptverošas mehāniskās īpašības, izturība pret koroziju un lieliskas apstrādes īpašības, kas padara tos plaši izmantojamus galveno strukturālo komponentu ražošanā rūpniecības jomās, piemēram, kosmiskajā aviācijā. Pastāvīgi padziļinot pētījumus par skandija mikrosakausēšanas tehnoloģiju un uzlabojot piegādes ķēdes un rūpnieciskās ķēdes saskaņošanu, pakāpeniski uzlabosies cenu un izmaksu faktori, kas ierobežo skandija alumīnija sakausējumu plaša mēroga rūpniecisko pielietojumu. Alumīnija skandija sakausējumu labās visaptverošās mehāniskās īpašības, izturība pret koroziju un lieliskās apstrādes īpašības padara tos par skaidrām strukturālā svara samazināšanas priekšrocībām un plašu pielietojuma potenciālu aviācijas iekārtu ražošanas jomā.
Publicēšanas laiks: 2024. gada 29. oktobris