Ως ελαφρύ κράμα που είναι κρίσιμο για τον εξοπλισμό μεταφοράς αεροπορίας, οι μακροσκοπικές μηχανικές ιδιότητες του κράματος αλουμινίου συνδέονται στενά με τη μικροδομή του. Με την αλλαγή των κυριότερων στοιχείων κράματος στη δομή του κράματος αλουμινίου, η μικροδομή του κράματος αλουμινίου μπορεί να μεταβληθεί και οι μακροσκοπικές μηχανικές ιδιότητες και άλλες ιδιότητες (όπως η αντοχή στη διάβρωση και η απόδοση συγκόλλησης) του υλικού μπορεί να βελτιωθούν σημαντικά. Μέχρι τώρα, η μικροαλλοποίηση έχει γίνει η πιο ελπιδοφόρα στρατηγική τεχνολογικής ανάπτυξης για τη βελτιστοποίηση της μικροδομής των κραμάτων αλουμινίου και τη βελτίωση των ολοκληρωμένων ιδιοτήτων των υλικών κράματος αλουμινίου.Σκάνδιο(SC) είναι ο πιο αποτελεσματικός ενισχυτής στοιχείων μικροαλλοποίησης που είναι γνωστός για τα κράματα αλουμινίου. Η διαλυτότητα του σκανδίου στη μήτρα αλουμινίου είναι μικρότερη από 0,35%κατά βάρος, προσθέτοντας ιχνοστοιχεία σκανδιναβικού στοιχείου στα κράματα αλουμινίου μπορούν να βελτιώσουν αποτελεσματικά τη μικροδομή τους, ενισχύουν διεξοδικά τη δύναμή τους, τη σκληρότητα, την πλαστικότητα, τη θερμική σταθερότητα και την αντοχή στη διάβρωση. Το Scandium έχει πολλαπλές φυσικές επιδράσεις στα κράματα αλουμινίου, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης στερεών διαλύματος, της ενίσχυσης των σωματιδίων και της αναστολής της ανακρυστάλλωσης. Αυτό το άρθρο θα εισαγάγει την ιστορική εξέλιξη, την τελευταία πρόοδο και τις πιθανές εφαρμογές του σκανδίου που περιέχουν κράματα αλουμινίου στον τομέα της κατασκευής εξοπλισμού αεροπορίας.
Έρευνα και ανάπτυξη κράματος σκανδίου αλουμινίου
Η προσθήκη του σκανδίου ως στοιχείου κράματος για τα κράματα αλουμινίου μπορεί να ανιχνευθεί πίσω στη δεκαετία του 1960. Εκείνη την εποχή, το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε δυαδικά συστήματα Al SC και Ternary ALMG SC. Στη δεκαετία του 1970, το Ινστιτούτο Μεταλλουργίας και η Επιστήμη της Σοβιετικής Ακαδημίας της Σοβιετικής Ακαδημίας και το Ρωσικό Ινστιτούτο Ερευνών από κράμα φωτός διεξήγαγαν συστηματική μελέτη σχετικά με τη μορφή και τον μηχανισμό του σκανδίου σε κράματα αλουμινίου. Μετά από σχεδόν σαράντα χρόνια προσπάθειας, έχουν αναπτυχθεί 14 βαθμοί κράματος αλουμινίου σε τρεις μεγάλες σειρές (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn Mg SC). Η διαλυτότητα των ατόμων σκανδίου σε αλουμίνιο είναι χαμηλή και με τη χρήση κατάλληλων διεργασιών θερμικής επεξεργασίας, μπορούν να κατακρημνιστούν τα νανοσωματίδια AL3SC υψηλής πυκνότητας. Αυτή η φάση καθίζησης είναι σχεδόν σφαιρική, με μικρά σωματίδια και διασκορπισμένη κατανομή, και έχει μια καλή συνεκτική σχέση με τη μήτρα αλουμινίου, η οποία μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη θερμοκρασία δωματίου των κραμάτων αλουμινίου. Επιπλέον, τα νανοσυμπιεστά AL3SC έχουν καλή θερμική σταθερότητα και αντίσταση συσσώρευσης σε υψηλές θερμοκρασίες (εντός 400 ℃), η οποία είναι εξαιρετικά ευεργετική για την ισχυρή αντοχή στη θερμότητα του κράματος. Στα ρωσικά κράματα σκανδίου αλουμινίου, το 1570 κράμα έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω της υψηλότερης αντοχής και της ευρύτερης εφαρμογής του. Αυτό το κράμα παρουσιάζει εξαιρετική απόδοση στο εύρος θερμοκρασιών εργασίας από -196 ℃ έως 70 ℃ και έχει φυσική υπερπλαστικότητα, η οποία μπορεί να αντικαταστήσει το ρωσικό κράμα LF6 αλουμινίου (ένα κράμα μαγνησίου αλουμινίου που αποτελείται κυρίως από αλουμίνιο, μαγνήσιο, χαλκό, μαγγάνιο και πυριτίο) για δομές συγκόλλησης φορτίου σε υγρό οξυγόνο, με σημαντικά βελτιωμένο απόδοση. Επιπλέον, η Ρωσία έχει επίσης αναπτύξει κράματα μαγνησίου ψευδαργύρου αλουμινίου, που εκπροσωπούνται από το 1970, με υλική αντοχή άνω των 500MPa.
Το καθεστώς εκβιομηχάνισης τουΚράμα σκανδίου αλουμινίου
Το 2015, η Ευρωπαϊκή Ένωση δημοσίευσε τον "Ευρωπαϊκό Μεταλλουργικό Χάρτη Οδικής Αρχιών: Προοπτικές Κατασκευαστών και τελικών χρηστών", προτείνοντας να μελετήσει τη συγκολλητικότητα του αλουμινίουΚράματα μαγνησίου σκανδίου. Τον Σεπτέμβριο του 2020, η Ευρωπαϊκή Ένωση δημοσίευσε έναν κατάλογο 29 βασικών ορυκτών πόρων, συμπεριλαμβανομένου του σκανδίου. Το 5024H116 αλουμινίου μαγνησίου σκανδίου σκανδίου που αναπτύχθηκε από το ALE αλουμίνιο στη Γερμανία έχει μέση έως υψηλή αντοχή και υψηλή ανοχή βλάβης, καθιστώντας το ένα πολύ ελπιδοφόρο υλικό για το δέρμα της ατράκτου. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντικατάσταση των παραδοσιακών κραμάτων αλουμινίου 2xxx και έχει συμπεριληφθεί στο βιβλίο προμηθειών υλικών AIMS03-01-055 'AIMS03-01-055. Το 5028 είναι ένας βελτιωμένος βαθμός 5024, κατάλληλο για συγκόλληση με λέιζερ και συγκόλληση με αναταραχή με λέιζερ. Μπορεί να επιτύχει τη διαδικασία σχηματισμού ερπυσμού των υπερβολικών ενσωματωμένων πλαισίων τοίχων, η οποία είναι ανθεκτική στη διάβρωση και δεν απαιτεί επικάλυψη αλουμινίου. Σε σύγκριση με το κράμα 2524, η συνολική δομή του πλαισίου τοίχου της ατράκτου μπορεί να επιτύχει μείωση δομικού βάρους κατά 5%. Το φύλλο κράματος σκανδίου AA5024-H116 από αλουμίνιο που παράγεται από την AILI Aluminium Company έχει χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή δομικών εξαρτημάτων ατράκτου και διαστημικών σκαφών. Το τυπικό πάχος του φύλλου κράματος AA5024-H116 είναι 1,6mm έως 8,0 mm και λόγω των χαμηλών πυκνότητας, μέτριων μηχανικών ιδιοτήτων, υψηλής αντοχής στη διάβρωση και αυστηρής απόκλισης διαστάσεων, μπορεί να αντικαταστήσει το κράμα 2524 ως υλικό δέρματος της 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 "καθοδηγητικό κατάλογο για την πρώτη παρτίδα δευτεροβάθμιων διαδηλώσεων εφαρμογών βασικών νέων υλικών (2018 Edition)", η οποία περιελάμβανε "οξείδιο σκανδάλου υψηλής καθαρότητας" στον κατάλογο ανάπτυξης της βιομηχανίας νέων υλικών. Το 2019, το Υπουργείο Βιομηχανίας και Πληροφορικής της Κίνας απελευθέρωσε τον "καθοδηγητικό κατάλογο για την πρώτη παρτίδα των εφαρμογών επίδειξης βασικών νέων υλικών (2019 Edition)", η οποία περιελάμβανε "SC που περιέχει υλικά επεξεργασίας κράματος αλουμινίου και καλώδια συγκόλλησης Al Si SC" στον κατάλογο ανάπτυξης της νέας βιομηχανίας υλικών. China Aluminal Group Βορειοανατολική Ελάτη Εξόρυξη έχει αναπτύξει ένα Al Mg SC ZR Series 5B70 κράμα που περιέχει σκάνδιο και ζιρκόνιο. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό κράμα Al Mg Series 5083 χωρίς σκάνδιο και ζιρκόνιο, η απόδοση και η αντοχή του εφελκυσμού αυξήθηκαν κατά περισσότερο από 30%. Επιπλέον, το κράμα Al Mg SC ZR μπορεί να διατηρήσει συγκρίσιμη αντοχή στη διάβρωση στο κράμα 5083. Επί του παρόντος, οι κύριες εγχώριες επιχειρήσεις με βιομηχανική ποιότητακράμα σκανδίου αλουμινίουΗ παραγωγική ικανότητα είναι η βιομηχανία αλουμινίου βορειοανατολικού φωτός και η νοτιοδυτική βιομηχανία αλουμινίου. Το φύλλο κράματος σκανδίου 5B70 με 5B70 αλουμινίου που αναπτύχθηκε από το Northeast Light Alloy Co., Ltd. μπορεί να παρέχει μεγάλες πλάκες από κράμα αλουμινίου με μέγιστο πάχος 70mm και μέγιστο πλάτος 3500mm. Τα προϊόντα λεπτού φύλλου και τα προϊόντα προφίλ μπορούν να προσαρμοστούν για παραγωγή, με εύρος πάχους από 2mm έως 6mm και μέγιστο πλάτος 1500mm. Το νοτιοδυτικό αλουμίνιο έχει αναπτύξει ανεξάρτητα υλικό 5K40 και σημειώνει σημαντική πρόοδο στην ανάπτυξη λεπτών πλακών. Το Al Zn Mg κράμα είναι ένα κράμα σκλήρυνσης χρόνου με υψηλή αντοχή, καλή απόδοση επεξεργασίας και εξαιρετική απόδοση συγκόλλησης. Πρόκειται για ένα απαραίτητο και σημαντικό δομικό υλικό στα τρέχοντα οχήματα μεταφοράς όπως τα αεροπλάνα. Με βάση τη συγκόλληση μεσαίας αντοχής Alzn Mg, η προσθήκη σκανδίου και κράματος ζιρκονίου μπορούν να σχηματίσουν μικρά και διασκορπισμένα νανοσωματίδια AL3 (SC, ZR) στη μικροδομή, βελτιώνοντας σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες και την αντοχή στη διάβρωση του κράματος του κράματος. Το ερευνητικό κέντρο Langley της NASA έχει αναπτύξει ένα τριμερές κράμα σκανδίου αλουμινίου με το βαθμό C557, το οποίο είναι έτοιμο να εφαρμοστεί σε αποστολές μοντέλων. Η στατική αντοχή, η διάδοση της ρωγμής και η ανθεκτικότητα του θραύσματος αυτού του κράματος σε χαμηλή θερμοκρασία (-200 ℃), η θερμοκρασία δωματίου και η υψηλή θερμοκρασία (107 ℃) είναι όλα ίσα ή καλύτερα από αυτά του 2524 κράματος. Το Northwestern University στις Ηνωμένες Πολιτείες έχει αναπτύξει το κράμα αλουμινίου Alzn MG SC SCLOY 7000 Series 7000, με αντοχή σε εφελκυσμό μέχρι 680MPa. Έχει σχηματιστεί ένα πρότυπο ανάπτυξης μεταξύ μέσου υψηλής αντοχής αλουμινίου και εξαιρετικά υψηλής αντοχής AL Zn Mg SC. Το Al Zn Mg Cu Sc κράμα είναι ένα κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής με αντοχή εφελκυσμού που υπερβαίνει τα 800 MPa. Επί του παρόντος, η ονομαστική σύνθεση και οι βασικές παράμετροι απόδοσης των κύριων βαθμών τουκράμα σκανδίου αλουμινίουσυνοψίζονται ως εξής, όπως φαίνεται στους Πίνακες 1 και 2.
Πίνακας 1 | Ονομαστική σύνθεση του κράματος σκανδίου αλουμινίου
Πίνακας 2 | Οι ιδιότητες μικροδομής και εφελκυσμού του κράματος σκανδίου αλουμινίου
Προοπτικές εφαρμογής αλουμινίου σκανδίου κράμα
Υψηλή αντοχή al Zn Mg Cu SC και Al Culi SC κράματα έχουν εφαρμοστεί σε δομικά συστατικά που φέρουν φορτίο, συμπεριλαμβανομένων των μαχητών MIG-21 και MIG-29. Ο πίνακας ελέγχου του ρωσικού διαστημικού σκάφους "Mars-1" είναι κατασκευασμένο από κράμα σκανδιούλι 1570 αλουμινίου, με συνολική μείωση του βάρους κατά 20%. Τα συστατικά που φέρουν φορτίο της μονάδας οργάνων του διαστημικού σκάφους του Mars-96 κατασκευάζονται από κράμα αλουμινίου του 1970 που περιέχει σκάνδιο, μειώνοντας το βάρος της μονάδας οργάνου κατά 10%. Στο πρόγραμμα "Clean Sky" και στο έργο "Flight Route" της ΕΕ, η Airbus διεξήγαγε ολοκληρωμένο σχεδιασμό πόρτας, ερευνητή και ανάπτυξης, κατασκευής και εγκατάστασης αεροσκάφους A321 με βάση το διάδοχο σκανδαλώδη σκανδαλώδη σκάνδαλο αλουμινίου. Τα κράματα σκανδίου αλουμινίου που εκπροσωπούνται από το AA5028 έδειξαν εξαιρετική απόδοση επεξεργασίας και συγκόλλησης. Χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές συγκόλλησης, όπως η συγκόλληση με τριβή και η συγκόλληση με λέιζερ για την επίτευξη αξιόπιστης σύνδεσης του σκανδίου που περιέχει υλικά κράματος αλουμινίου. Η σταδιακή εφαρμογή της "συγκόλλησης αντί για πριτσίνια" σε ενισχυμένες δομές λεπτών πλακών που ενισχύεται με αεροσκάφη όχι μόνο διατηρεί τη συνοχή των υλικών αεροσκαφών και τη δομική ακεραιότητα, την επίτευξη αποτελεσματικών και χαμηλού κόστους κατασκευής, αλλά έχει επίσης αποτελέσματα μείωσης και σφράγισης. Η έρευνα εφαρμογής του αλουμινίου Scandium 5B70 κράμα από την Κίνα Αεροδιαστημική Ερευνητική Έρευνα Υλικών έχει σπάσει μέσω των τεχνολογιών της ισχυρής περιστροφής των μεταβλητών εξαρτημάτων πάχους τοιχώματος, του ελέγχου της αντοχής στη διάβρωση και της αντιστοίχισης αντοχής και τον έλεγχο της συγκόλλησης υπολειμματικού στρες. Έχει παρασκευάσει προσαρμοστικό σύρμα συγκόλλησης από κράμα αλουμινίου και ο συντελεστής αντοχής της άρθρωσης της τριβής ανακατεύει τη συγκόλληση για παχιά πλάκες στο κράμα μπορεί να φτάσει το 0,92. Η Ακαδημία Διαστημικής Τεχνολογίας της Κίνας, το Κεντρικό Νότιο Πανεπιστήμιο και άλλοι έχουν πραγματοποιήσει εκτεταμένες δοκιμές μηχανικής απόδοσης και πειράματα διεργασίας στο υλικό 5B70, αναβαθμίστηκαν και επαναλαμβάνουν το σχήμα επιλογής δομικών υλικών για 5A06 και έχουν αρχίσει να εφαρμόζουν το κράμα αλουμινίου 5B70 στην κύρια δομή των συνολικών ενισχυμένων πλαισίων τοίχων της σφραγισμένης καμπίνας και της καμπίνας επιστροφής. Ο συνολικός πίνακας τοίχου της δομής της πλάκας πίεσης είναι σχεδιασμένη με συνδυασμό νευρώσεων δέρματος και ενίσχυσης, επιτυγχάνοντας υψηλότερη δομική ολοκλήρωση και βελτιστοποίηση βάρους. Κατά τη βελτίωση της συνολικής ακαμψίας και της δύναμης, μειώνει τον αριθμό και την πολυπλοκότητα των συστατικών σύνδεσης, μειώνοντας έτσι περαιτέρω το βάρος διατηρώντας ταυτόχρονα υψηλή απόδοση. Με την προώθηση της εφαρμογής της μηχανικής υλικού 5B70, η χρήση υλικού 5B70 θα αυξάνεται σταδιακά και θα υπερβεί το ελάχιστο όριο τροφοδοσίας, το οποίο θα βοηθήσει στη διασφάλιση της συνεχούς παραγωγής και της σταθερής ποιότητας των πρώτων υλών και μειώνουν σημαντικά τις τιμές των πρώτων υλών. Όπως αναφέρθηκε προηγουμένως, αν και πολλές ιδιότητες των κραμάτων αλουμινίου έχουν βελτιωθεί μέσω μικροαποκρίσεων σκανδίου, η υψηλή τιμή και η έλλειψη σκανδίου περιορίζουν το εύρος εφαρμογής των κραμάτων σκανδιέτου αλουμινίου. Σε σύγκριση με υλικά κράματος αλουμινίου όπως Al Cu, Al Zn, AL ZnMG, σκάνδαλο που περιέχει κράματα αλουμινίου έχουν καλές ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες, αντοχή στη διάβρωση και εξαιρετικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας, τα οποία τους καθιστούν ευρείες προοπτικές εφαρμογής στην κατασκευή κύριων δομικών εξαρτημάτων σε βιομηχανικούς τομείς όπως η αεροδιαστημική. Με τη συνεχή εμβάθυνση της έρευνας σχετικά με την τεχνολογία μικροαλλοποίησης σκανδάλου και τη βελτίωση της αντιστοίχισης της αλυσίδας εφοδιασμού και της βιομηχανικής αλυσίδας, οι παράγοντες τιμής και κόστους που περιορίζουν τη μεγάλη βιομηχανική εφαρμογή των κραμάτων αλουμινίου σκανδίου θα βελτιωθούν σταδιακά. Οι καλές ολοκληρωμένες μηχανικές ιδιότητες, η αντίσταση στη διάβρωση και τα εξαιρετικά χαρακτηριστικά επεξεργασίας των κραμάτων σκανδίου αλουμινίου τους καθιστούν σαφή πλεονεκτήματα μείωσης του δομικού βάρους και ευρύ δυναμικό εφαρμογής στον τομέα της κατασκευής εξοπλισμού αεροπορίας.
Χρόνος δημοσίευσης: Οκτ-29-2024