Ως ελαφρύ κράμα που είναι κρίσιμο για τον εξοπλισμό αερομεταφορών, οι μακροσκοπικές μηχανικές ιδιότητες του κράματος αλουμινίου σχετίζονται στενά με τη μικροδομή του. Αλλάζοντας τα κύρια στοιχεία κράματος στη δομή του κράματος αλουμινίου, η μικροδομή του κράματος αλουμινίου μπορεί να τροποποιηθεί και οι μακροσκοπικές μηχανικές ιδιότητες και άλλες ιδιότητες (όπως η αντοχή στη διάβρωση και η απόδοση συγκόλλησης) του υλικού μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά. Μέχρι σήμερα, η μικροκράματωση έχει γίνει η πιο πολλά υποσχόμενη στρατηγική τεχνολογικής ανάπτυξης για τη βελτιστοποίηση της μικροδομής των κραμάτων αλουμινίου και τη βελτίωση των συνολικών ιδιοτήτων των υλικών κραμάτων αλουμινίου.ΣκάνδιοΤο (Sc) είναι ο πιο αποτελεσματικός ενισχυτής στοιχείων μικροκραμάτων που είναι γνωστός για κράματα αλουμινίου. Η διαλυτότητα του σκανδίου στη μήτρα αλουμινίου είναι μικρότερη από 0,35% κ.β. Η προσθήκη ιχνοποσοτήτων στοιχείου σκανδίου σε κράματα αλουμινίου μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τη μικροδομή τους, να ενισχύσει συνολικά την αντοχή, τη σκληρότητα, την πλαστικότητα, τη θερμική σταθερότητα και την αντοχή στη διάβρωση. Το σκάνδιο έχει πολλαπλές φυσικές επιδράσεις στα κράματα αλουμινίου, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης σε στερεό διάλυμα, της ενίσχυσης σωματιδίων και της αναστολής της ανακρυστάλλωσης. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει την ιστορική εξέλιξη, την τελευταία πρόοδο και τις πιθανές εφαρμογές των κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο στον τομέα της κατασκευής αεροπορικού εξοπλισμού.
Έρευνα και Ανάπτυξη Κράματος Αλουμινίου-Σκανδίου
Η προσθήκη σκανδίου ως στοιχείο κράματος σε κράματα αλουμινίου μπορεί να εντοπιστεί στη δεκαετία του 1960. Εκείνη την εποχή, το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε δυαδικά συστήματα κραμάτων AlSc και τριαδικά συστήματα κραμάτων AlMgSc. Τη δεκαετία του 1970, το Ινστιτούτο Μεταλλουργίας και Επιστήμης Υλικών Baykov της Σοβιετικής Ακαδημίας Επιστημών και το Πανρωσικό Ινστιτούτο Έρευνας Ελαφρών Κραμάτων διεξήγαγαν μια συστηματική μελέτη σχετικά με τη μορφή και τον μηχανισμό του σκανδίου σε κράματα αλουμινίου. Μετά από σχεδόν σαράντα χρόνια προσπάθειας, αναπτύχθηκαν 14 ποιότητες κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου σε τρεις κύριες σειρές (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Η διαλυτότητα των ατόμων σκανδίου στο αλουμίνιο είναι χαμηλή και, χρησιμοποιώντας κατάλληλες διαδικασίες θερμικής επεξεργασίας, μπορούν να καθιζάνουν νανοιζήματα Al3Sc υψηλής πυκνότητας. Αυτή η φάση καθίζησης είναι σχεδόν σφαιρική, με μικρά σωματίδια και διασκορπισμένη κατανομή και έχει καλή συνεκτική σχέση με τη μήτρα αλουμινίου, η οποία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή των κραμάτων αλουμινίου σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, τα νανοιζήματα Al3Sc έχουν καλή θερμική σταθερότητα και αντοχή στην τραχύτητα σε υψηλές θερμοκρασίες (εντός 400 ℃), κάτι που είναι εξαιρετικά ευεργετικό για την ισχυρή αντοχή στη θερμότητα του κράματος. Στα ρωσικής κατασκευής κράματα αλουμινίου-σκανδίου, το κράμα 1570 έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω της υψηλότερης αντοχής και της ευρύτερης εφαρμογής του. Αυτό το κράμα παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση στο εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας από -196 ℃ έως 70 ℃ και έχει φυσική υπερπλαστικότητα, η οποία μπορεί να αντικαταστήσει το ρωσικής κατασκευής κράμα αλουμινίου LF6 (ένα κράμα αλουμινίου-μαγνησίου που αποτελείται κυρίως από αλουμίνιο, μαγνήσιο, χαλκό, μαγγάνιο και πυρίτιο) για φέρουσες συγκολλήσεις κατασκευών σε υγρό οξυγόνο, με σημαντικά βελτιωμένη απόδοση. Επιπλέον, η Ρωσία έχει επίσης αναπτύξει κράματα αλουμινίου-ψευδαργύρου-μαγνησίου-σκανδίου, που αντιπροσωπεύονται από το 1970, με αντοχή υλικού άνω των 500MPa.
Η κατάσταση εκβιομηχάνισης τηςΚράμα αλουμινίου-σκάνδιου
Το 2015, η Ευρωπαϊκή Ένωση δημοσίευσε τον «Ευρωπαϊκό Χάρτη Πορείας για τη Μεταλλουργία: Προοπτικές για τους Κατασκευαστές και τους Τελικούς Χρήστες», προτείνοντας τη μελέτη της συγκολλησιμότητας του αλουμινίου.κράματα μαγνησίου-σκανδίουΤον Σεπτέμβριο του 2020, η Ευρωπαϊκή Ένωση δημοσίευσε μια λίστα με 29 βασικούς ορυκτούς πόρους, συμπεριλαμβανομένου του σκανδίου. Το κράμα αλουμινίου-μαγνησίου-σκανδίου 5024H116 που αναπτύχθηκε από την Ale Aluminum στη Γερμανία έχει μέτρια έως υψηλή αντοχή και υψηλή ανοχή σε ζημιές, καθιστώντας το ένα πολύ πολλά υποσχόμενο υλικό για το περίβλημα της ατράκτου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αντικαταστήσει τα παραδοσιακά κράματα αλουμινίου της σειράς 2xxx και έχει συμπεριληφθεί στο βιβλίο προμηθειών υλικών AIMS03-01-055 της Airbus. Το 5028 είναι μια βελτιωμένη ποιότητα του 5024, κατάλληλη για συγκόλληση με λέιζερ και συγκόλληση με ανάδευση τριβής. Μπορεί να επιτύχει τη διαδικασία σχηματισμού ερπυσμού υπερβολικών ενσωματωμένων πάνελ τοίχου, η οποία είναι ανθεκτική στη διάβρωση και δεν απαιτεί επίστρωση αλουμινίου. Σε σύγκριση με το κράμα 2524, η συνολική δομή του πάνελ τοίχου της ατράκτου μπορεί να επιτύχει μείωση του δομικού βάρους κατά 5%. Το φύλλο κράματος αλουμινίου-σκανδίου AA5024-H116 που παράγεται από την Aili Aluminum Company έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή δομικών στοιχείων ατράκτου αεροσκαφών και διαστημοπλοίων. Το τυπικό πάχος του φύλλου κράματος AA5024-H116 είναι 1,6 mm έως 8,0 mm και, λόγω της χαμηλής πυκνότητας, των μέτριων μηχανικών ιδιοτήτων, της υψηλής αντοχής στη διάβρωση και της αυστηρής διαστασιακής απόκλισης, μπορεί να αντικαταστήσει το κράμα 2524 ως υλικό περιβλήματος ατράκτου. Επί του παρόντος, το φύλλο κράματος AA5024-H116 έχει πιστοποιηθεί από την Airbus AIMS03-04-055. Τον Δεκέμβριο του 2018, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής της Κίνας δημοσίευσε τον «Κατάλογο Οδηγιών για την Πρώτη Παρτίδα Επιδείξεων Δευτερογενών Εφαρμογών Βασικών Νέων Υλικών (Έκδοση 2018)», ο οποίος περιελάμβανε «οξείδιο του σκάνδιου υψηλής καθαρότητας» στον κατάλογο ανάπτυξης της βιομηχανίας νέων υλικών. Το 2019, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής της Κίνας δημοσίευσε τον «Κατάλογο Οδηγιών για την Πρώτη Παρτίδα Επιδεικτικών Εφαρμογών Βασικών Νέων Υλικών (Έκδοση 2019)», ο οποίος περιελάμβανε «Υλικά επεξεργασίας κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν Sc και σύρματα συγκόλλησης AlSi-Sc» στον κατάλογο ανάπτυξης της βιομηχανίας νέων υλικών. Η China Aluminum Group Northeast Light Alloy ανέπτυξε ένα κράμα Al Mg Sc Zr σειράς 5B70 που περιέχει σκάνδιο και ζιρκόνιο. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό κράμα Al Mg σειράς 5083 χωρίς σκάνδιο και ζιρκόνιο, η ελαστικότητα και η αντοχή σε εφελκυσμό έχουν αυξηθεί κατά περισσότερο από 30%. Επιπλέον, το κράμα Al Mg Sc Zr μπορεί να διατηρήσει συγκρίσιμη αντοχή στη διάβρωση με το κράμα 5083. Προς το παρόν, οι κύριες εγχώριες επιχειρήσεις με βιομηχανική ποιότητα...κράμα αλουμινίου-σκανδίουΗ παραγωγική ικανότητα είναι η Northeast Light Alloy Company και η Southwest Aluminum Industry. Το μεγάλου μεγέθους φύλλο κράματος αλουμινίου-σκανδίου 5B70 που αναπτύχθηκε από την Northeast Light Alloy Co., Ltd. μπορεί να παρέχει μεγάλες παχιές πλάκες κράματος αλουμινίου με μέγιστο πάχος 70 mm και μέγιστο πλάτος 3500 mm. Τα προϊόντα λεπτών φύλλων και προφίλ μπορούν να προσαρμοστούν για παραγωγή, με εύρος πάχους από 2 mm έως 6 mm και μέγιστο πλάτος 1500 mm. Η Southwest Aluminum έχει αναπτύξει ανεξάρτητα το υλικό 5K40 και έχει σημειώσει σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξη λεπτών πλακών. Το κράμα AlZnMg είναι ένα κράμα που σκληραίνει με χρόνο με υψηλή αντοχή, καλή απόδοση επεξεργασίας και εξαιρετική απόδοση συγκόλλησης. Είναι ένα απαραίτητο και σημαντικό δομικό υλικό στα σημερινά οχήματα μεταφοράς όπως τα αεροπλάνα. Με βάση το συγκολλήσιμο AlZnMg μέσης αντοχής, η προσθήκη στοιχείων κράματος σκανδίου και ζιρκονίου μπορεί να σχηματίσει μικρά και διασκορπισμένα νανοσωματίδια Al3 (Sc, Zr) στη μικροδομή, βελτιώνοντας σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες και την αντοχή στη διάβρωση λόγω καταπόνησης του κράματος. Το Ερευνητικό Κέντρο Langley της NASA ανέπτυξε ένα τριαδικό κράμα αλουμινίου-σκανδίου με βαθμό C557, το οποίο είναι έτοιμο για εφαρμογή σε αποστολές μοντέλων. Η στατική αντοχή, η διάδοση ρωγμών και η αντοχή σε θραύση αυτού του κράματος σε χαμηλή θερμοκρασία (-200 ℃), θερμοκρασία δωματίου και υψηλή θερμοκρασία (107 ℃) είναι όλες ίσες ή καλύτερες από εκείνες του κράματος 2524. Το Πανεπιστήμιο Northwestern στις Ηνωμένες Πολιτείες ανέπτυξε το κράμα αλουμινίου εξαιρετικά υψηλής αντοχής AlZnMgSc σειράς 7000, με αντοχή σε εφελκυσμό έως 680MPa. Έχει σχηματιστεί ένα μοτίβο ανάπτυξης συνδέσεων μεταξύ κράματος αλουμινίου-σκανδίου μεσαίας υψηλής αντοχής και κράματος αλουμινίου-σκανδίου εξαιρετικά υψηλής αντοχής AlZnMgSc. Το κράμα AlZnMgCuSc είναι ένα κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής με αντοχή σε εφελκυσμό που υπερβαίνει τα 800 MPa. Προς το παρόν, η ονομαστική σύνθεση και οι βασικές παράμετροι απόδοσης των κύριων βαθμών...κράμα αλουμινίου-σκανδίουσυνοψίζονται ως εξής, όπως φαίνεται στους Πίνακες 1 και 2.
Πίνακας 1 | Ονομαστική σύνθεση κράματος αλουμινίου-σκανδίου
Πίνακας 2 | Μικροδομή και Ιδιότητες Εφελκυσμού Κράματος Αλουμινίου-Σκανδίου
Προοπτικές εφαρμογής κράματος αλουμινίου-σκανδίου
Κράματα υψηλής αντοχής Al-Zn-Mg-Cu-Sc και Al-CuLi-Sc έχουν εφαρμοστεί σε φέροντα δομικά στοιχεία, συμπεριλαμβανομένων των ρωσικών μαχητικών αεροσκαφών MiG-21 και MiG-29. Το ταμπλό του ρωσικού διαστημοπλοίου «Mars-1» είναι κατασκευασμένο από κράμα αλουμινίου-σκανδίου 1570, με συνολική μείωση βάρους 20%. Τα φέροντα εξαρτήματα της μονάδας οργάνων του διαστημοπλοίου Mars-96 είναι κατασκευασμένα από κράμα αλουμινίου 1970 που περιέχει σκάνδιο, μειώνοντας το βάρος της μονάδας οργάνων κατά 10%. Στο πρόγραμμα «Clean Sky» και στο έργο «Flight Route 2050» της ΕΕ, η Airbus διεξήγαγε ολοκληρωμένες πτήσεις σχεδιασμού, έρευνας και ανάπτυξης, κατασκευής και εγκατάστασης θυρών αποσκευών για αεροσκάφη A321 με βάση το διάδοχο κράμα αλουμινίου-σκανδίου AA5028-H116 από κράμα αλουμινίου-σκανδίου 5024. Τα κράματα αλουμινίου-σκανδίου που αντιπροσωπεύονται από το AA5028 επέδειξαν εξαιρετική απόδοση επεξεργασίας και συγκόλλησης. Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές συγκόλλησης, όπως συγκόλληση με τριβή και ανάδευση και συγκόλληση με λέιζερ, για την επίτευξη αξιόπιστης σύνδεσης υλικών κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο. Η σταδιακή εφαρμογή της «συγκόλλησης αντί για πριτσίνια» σε δομές λεπτών πλακών ενισχυμένων με αεροσκάφη όχι μόνο διατηρεί τη συνοχή των υλικών των αεροσκαφών και τη δομική ακεραιότητα, επιτυγχάνοντας αποτελεσματική και χαμηλού κόστους κατασκευή, αλλά έχει επίσης... Μείωση βάρους και αποτελέσματα στεγανοποίησης. Η έρευνα εφαρμογής του κράματος αλουμινίου-σκανδίου 5B70 από το Ινστιτούτο Έρευνας Ειδικών Υλικών Αεροδιαστημικής της Κίνας (China Aerospace Special Materials Research Institute) έχει διερευνήσει τις τεχνολογίες ισχυρής περιστροφής εξαρτημάτων μεταβλητού πάχους τοιχώματος, τον έλεγχο της αντοχής στη διάβρωση και της αντιστοίχισης αντοχής, καθώς και τον έλεγχο της υπολειμματικής τάσης συγκόλλησης. Έχει παρασκευάσει προσαρμοστικό σύρμα συγκόλλησης από κράμα αλουμινίου-σκανδίου, και ο συντελεστής αντοχής τριβής ανάδευσης για παχιές πλάκες στο κράμα μπορεί να φτάσει το 0,92. Η Ακαδημία Διαστημικής Τεχνολογίας της Κίνας, το Κεντρικό Νότιο Πανεπιστήμιο και άλλοι έχουν διεξάγει εκτεταμένες δοκιμές μηχανικής απόδοσης και πειράματα επεξεργασίας στο υλικό 5B70, έχουν αναβαθμίσει και επαναλάβει το σχήμα επιλογής δομικού υλικού για το 5A06 και έχουν αρχίσει να εφαρμόζουν το κράμα αλουμινίου 5B70 στην κύρια δομή των συνολικών ενισχυμένων πάνελ τοίχου της σφραγισμένης καμπίνας και της καμπίνας επιστροφής του διαστημικού σταθμού. Το συνολικό πάνελ τοίχου της καμπίνας υπό πίεση με δομή πλάκας έχει σχεδιαστεί με συνδυασμό δέρματος και ενισχυτικών νευρώσεων, επιτυγχάνοντας υψηλότερη δομική ολοκλήρωση και βελτιστοποίηση βάρους. Ενώ βελτιώνει τη συνολική ακαμψία και αντοχή, μειώνει τον αριθμό και την πολυπλοκότητα των συνδετικών εξαρτημάτων, μειώνοντας έτσι περαιτέρω το βάρος διατηρώντας παράλληλα υψηλή απόδοση. Με την προώθηση της εφαρμογής της μηχανικής υλικών 5B70, η χρήση Η ποσότητα του υλικού 5B70 θα αυξηθεί σταδιακά και θα υπερβεί το ελάχιστο όριο προσφοράς, γεγονός που θα βοηθήσει στη διασφάλιση της συνεχούς παραγωγής και της σταθερής ποιότητας των πρώτων υλών και θα μειώσει σημαντικά τις τιμές των πρώτων υλών. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, παρόλο που πολλές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου έχουν βελτιωθεί μέσω της μικροκραματοποίησης με σκάνδιο, η υψηλή τιμή και η σπανιότητα του σκανδίου περιορίζουν το εύρος εφαρμογής των κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου. Σε σύγκριση με υλικά κραμάτων αλουμινίου όπως AlCu, AlZn, AlZnMg, τα υλικά κραμάτων αλουμινίου που περιέχουν σκάνδιο έχουν καλές ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες, αντοχή στη διάβρωση και εξαιρετικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας, γεγονός που τα καθιστά ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην κατασκευή κύριων δομικών στοιχείων σε βιομηχανικούς τομείς όπως η αεροδιαστημική. Με τη συνεχή εμβάθυνση της έρευνας σχετικά με την τεχνολογία μικροκραματοποίησης με σκάνδιο και τη βελτίωση της αλυσίδας εφοδιασμού και της αντιστοίχισης της βιομηχανικής αλυσίδας, οι παράγοντες τιμής και κόστους που περιορίζουν την μεγάλης κλίμακας βιομηχανική εφαρμογή των κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου θα βελτιωθούν σταδιακά. Οι καλές ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες, η αντοχή στη διάβρωση και τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας των κραμάτων αλουμινίου-σκανδίου τα καθιστούν σαφή πλεονεκτήματα μείωσης του δομικού βάρους και ευρύ δυναμικό εφαρμογής στον τομέα της κατασκευής αεροπορικού εξοπλισμού.
Ώρα δημοσίευσης: 29 Οκτωβρίου 2024