Som en lätt legering som är avgörande för flygtransportutrustning är aluminiumlegeringens makroskopiska mekaniska egenskaper nära relaterade till dess mikrostruktur. Genom att ändra de viktigaste legeringselementen i aluminiumlegeringens struktur kan aluminiumlegeringens mikrostruktur förändras, och materialets makroskopiska mekaniska egenskaper och andra egenskaper (såsom korrosionsbeständighet och svetsprestanda) kan förbättras avsevärt. Hittills har mikrolegering blivit den mest lovande tekniska utvecklingsstrategin för att optimera mikrostrukturen hos aluminiumlegeringar och förbättra de övergripande egenskaperna hos aluminiumlegeringsmaterial.Skandium(Sc) är den mest effektiva mikrolegeringselementförstärkaren som är känd för aluminiumlegeringar. Lösligheten av scandium i aluminiummatris är mindre än 0,35 viktprocent. Att tillsätta spårmängder av scandium till aluminiumlegeringar kan effektivt förbättra deras mikrostruktur och i sin tur förbättra deras styrka, hårdhet, plasticitet, termiska stabilitet och korrosionsbeständighet. Scandium har flera fysikaliska effekter i aluminiumlegeringar, inklusive förstärkning i fast lösning, partikelförstärkning och hämning av omkristallisation. Denna artikel kommer att introducera den historiska utvecklingen, de senaste framstegen och potentiella tillämpningarna av scandiumhaltiga aluminiumlegeringar inom tillverkning av flygutrustning.
Forskning och utveckling av aluminiumskandiumlegering
Tillsatsen av scandium som legeringsämne till aluminiumlegeringar kan spåras tillbaka till 1960-talet. Vid den tiden utfördes det mesta av arbetet i binära AlSc- och ternära AlMgSc-legeringssystem. På 1970-talet genomförde Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science vid Sovjetiska vetenskapsakademin och All Russian Institute of Light Alloy Research en systematisk studie av scandiums form och mekanism i aluminiumlegeringar. Efter nästan fyrtio års arbete har 14 kvaliteter av aluminiumscandiumlegeringar utvecklats i tre huvudserier (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Lösligheten av scandiumatomer i aluminium är låg, och genom att använda lämpliga värmebehandlingsprocesser kan högdensitets Al3Sc-nanofällningar fällas ut. Denna utfällningsfas är nästan sfärisk, med små partiklar och spridd fördelning, och har ett gott koherent förhållande till aluminiummatrisen, vilket avsevärt kan förbättra rumstemperaturhållfastheten hos aluminiumlegeringar. Dessutom har Al3Sc-nanoutfällningar god termisk stabilitet och motståndskraft mot grovkornighet vid höga temperaturer (inom 400 ℃), vilket är extremt fördelaktigt för legeringens starka värmebeständighet. Bland rysktillverkade aluminium-skandiumlegeringar har 1570-legeringen väckt stor uppmärksamhet på grund av sin högsta hållfasthet och bredaste tillämpning. Denna legering uppvisar utmärkta prestanda i arbetstemperaturområdet -196 ℃ till 70 ℃ och har naturlig superplasticitet, vilket kan ersätta den rysktillverkade LF6-aluminiumlegeringen (en aluminium-magnesiumlegering huvudsakligen bestående av aluminium, magnesium, koppar, mangan och kisel) för lastbärande svetskonstruktioner i flytande syremedium, med avsevärt förbättrad prestanda. Dessutom har Ryssland också utvecklat aluminium-zink-magnesium-skandiumlegeringar, representerade av 1970, med en materialhållfasthet på över 500 MPa.
Industrialiseringsstatusen förAluminiumskandiumlegering
År 2015 släppte Europeiska unionen den ”Europeiska metallurgiska färdplanen: Framtidsutsikter för tillverkare och slutanvändare”, där man föreslog att man skulle studera aluminiums svetsbarhet.magnesiumskandiumlegeringarI september 2020 släppte Europeiska unionen en lista över 29 viktiga mineraltillgångar, inklusive scandium. Aluminium-magnesium-scandiumlegeringen 5024H116, som utvecklats av Ale Aluminum i Tyskland, har medelhög till hög hållfasthet och hög skadetålighet, vilket gör den till ett mycket lovande material för flygkroppens ytskikt. Den kan användas för att ersätta traditionella aluminiumlegeringar i 2xxx-serien och har inkluderats i Airbus materialupphandlingsbok AIMS03-01-055. 5028 är en förbättrad kvalitet av 5024, lämplig för lasersvetsning och friktionssvetsning. Den kan uppnå krypformningsprocessen för hyperboliska integrerade väggpaneler, vilket är korrosionsbeständigt och inte kräver aluminiumbeläggning. Jämfört med 2524-legering kan flygkroppens övergripande väggpanelstruktur uppnå en strukturell viktminskning på 5 %. AA5024-H116 aluminium-scandiumlegeringsplåten, som produceras av Aili Aluminum Company, har använts för att tillverka flygplansflygplans- och rymdfarkoststrukturkomponenter. Den typiska tjockleken på AA5024-H116-legeringsplåten är 1,6 mm till 8,0 mm, och på grund av dess låga densitet, måttliga mekaniska egenskaper, höga korrosionsbeständighet och strikta dimensionsavvikelse kan den ersätta 2524-legering som flygkroppens ytmaterial. För närvarande har AA5024-H116-legeringsplåten certifierats av Airbus AIMS03-04-055. I december 2018 släppte Kinas industri- och informationsministerium den "Vägledande katalogen för den första omgången av sekundära applikationsdemonstrationer av viktiga nya material (2018 års utgåva)", som inkluderade "skandiumoxid med hög renhet" i utvecklingskatalogen för den nya materialindustrin. År 2019 släppte Kinas industri- och informationsministerium den "Vägledande katalogen för den första omgången av demonstrationsapplikationer av viktiga nya material (2019 års utgåva)", som inkluderade "Sc-innehållande bearbetningsmaterial för aluminiumlegeringar och Al Si Sc-svetstrådar" i utvecklingskatalogen för den nya materialindustrin. China Aluminum Group Northeast Light Alloy har utvecklat en Al Mg Sc Zr-legering i 5B70-serien innehållande scandium och zirkonium. Jämfört med den traditionella Al Mg-legeringen i 5083-serien utan scandium och zirkonium har dess utbyte och draghållfasthet ökat med mer än 30 %. Dessutom kan Al Mg Sc Zr-legeringen bibehålla jämförbar korrosionsbeständighet som 5083-legeringen. För närvarande är de största inhemska företagen med industriell kvalitet...aluminiumskandiumlegeringProduktionskapaciteten är Northeast Light Alloy Company och Southwest Aluminum Industry. Den stora 5B70 aluminiumskandiumlegeringsplåten som utvecklats av Northeast Light Alloy Co., Ltd. kan leverera stora tjocka aluminiumlegeringsplåtar med en maximal tjocklek på 70 mm och en maximal bredd på 3500 mm. Tunnplåtsprodukter och profilprodukter kan anpassas för produktion, med en tjocklek på 2 mm till 6 mm och en maximal bredd på 1500 mm. Southwest Aluminum har oberoende utvecklat 5K40-materialet och gjort betydande framsteg i utvecklingen av tunna plåtar. AlZnMg-legering är en tidshärdande legering med hög hållfasthet, god bearbetningsprestanda och utmärkt svetsprestanda. Det är ett oumbärligt och viktigt strukturmaterial i nuvarande transportfordon som flygplan. Baserat på medelstark svetsbar AlZnMg kan tillsats av skandium- och zirkoniumlegeringselement bilda små och dispergerade Al3 (Sc, Zr) nanopartiklar i mikrostrukturen, vilket avsevärt förbättrar legeringens mekaniska egenskaper och spänningskorrosionsbeständighet. NASA:s Langley Research Center har utvecklat en ternär aluminiumskandiumlegering med sorten C557, som är redo att användas i modelluppdrag. Den statiska hållfastheten, sprickutbredning och brottseghet hos denna legering vid låg temperatur (-200 ℃), rumstemperatur och hög temperatur (107 ℃) är alla lika med eller bättre än de hos 2524-legeringen. Northwestern University i USA har utvecklat AlZn Mg Sc-legeringen i 7000-serien av ultrahöghållfast aluminiumlegering, med en draghållfasthet på upp till 680 MPa. Ett mönster av fogutveckling mellan medelhöghållfast aluminiumskandiumlegering och ultrahöghållfast Al Zn Mg Sc har bildats. Al Zn Mg Cu Sc-legeringen är en höghållfast aluminiumlegering med en draghållfasthet som överstiger 800 MPa. För närvarande är den nominella sammansättningen och grundläggande prestandaparametrar för de viktigaste kvaliteterna avaluminiumskandiumlegeringsammanfattas enligt följande, såsom visas i tabell 1 och 2.
Tabell 1 | Nominell sammansättning av aluminiumskandiumlegering
Tabell 2 | Mikrostruktur och draghållfasthetsegenskaper hos aluminium-skandiumlegering
Användningsmöjligheter för aluminiumskandiumlegering
Höghållfasta AlZnMgCuSc- och AlCuLiSc-legeringar har applicerats på bärande strukturkomponenter, inklusive de ryska stridsflygplanen MiG-21 och MiG-29. Instrumentbrädan på den ryska rymdfarkosten "Mars-1" är tillverkad av 1570 aluminiumskandiumlegering, med en total viktminskning på 20 %. De lastbärande komponenterna i instrumentmodulen på Mars-96-rymdfarkosten är tillverkade av 1970 aluminiumlegering innehållande skandium, vilket minskar instrumentmodulens vikt med 10 %. I "Clean Sky"-programmet och EU:s projekt "2050 Flight Route" genomförde Airbus integrerade testflygningar för design, forskning och utveckling av lastrumsdörrar, tillverkning och installation för A321-flygplan baserat på efterföljaren AA5028-H116 aluminiumskandiumlegering av 5024 aluminiumskandiumlegering. Aluminiumskandiumlegeringar representerade av AA5028 uppvisade utmärkta bearbetnings- och svetsprestanda. Genom att använda avancerade svetstekniker som friktionssvetsning och lasersvetsning uppnås tillförlitlig anslutning av skandiumhaltiga aluminiumlegeringsmaterial. Den gradvisa implementeringen av "svetsning istället för nitning" i flygplansförstärkta tunna plattstrukturer bibehåller inte bara flygplansmaterialens konsistens och strukturella integritet, vilket uppnår effektiv och lågkostnadstillverkning, utan har också viktminskande och tätande effekter. Tillämpningsforskningen av aluminiumskandiumlegeringen 5B70 av China Aerospace Special Materials Research Institute har brutit igenom teknologierna för stark spinning av komponenter med variabel väggtjocklek, kontroll av korrosionsbeständighet och hållfasthetsmatchning, samt kontroll av svetsrestspänning. De har framställt adaptiv svetstråd av aluminiumskandiumlegering, och foghållfasthetskoefficienten för friktionssvetsning för tjocka plattor i legeringen kan nå 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University och andra har genomfört omfattande mekaniska prestandatester och processexperiment på 5B70-materialet, uppgraderat och itererat det strukturella materialvalsschemat för 5A06, och har börjat applicera 5B70-aluminiumlegeringen på huvudstrukturen för de övergripande förstärkta väggpanelerna i rymdstationens förseglade kabin och returkabin. Den övergripande väggpanelen i plattstrukturens tryckkabin är utformad med en kombination av ytskikt och förstärkningsribbor, vilket uppnår högre strukturell integration och viktoptimering. Samtidigt som den totala styvheten och hållfastheten förbättras, minskas antalet och komplexiteten hos anslutande komponenter, vilket ytterligare minskar vikten samtidigt som hög prestanda bibehålls. Med främjandet av tillämpningen av 5B70-materialteknik kommer användningen av 5B70-material att... gradvis öka och överskrida den lägsta utbudströskeln, vilket kommer att bidra till att säkerställa kontinuerlig produktion och stabil kvalitet på råvaror, och avsevärt minska råvarupriserna. Som tidigare nämnts, även om många egenskaper hos aluminiumlegeringar har förbättrats genom scandiummikrolegering, begränsar det höga priset och bristen på scandium användningsområdet för aluminiumscandiumlegeringar. Jämfört med aluminiumlegeringsmaterial som Al Cu, Al Zn, Al ZnMg har scandiumhaltiga aluminiumlegeringsmaterial goda övergripande mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet och utmärkta bearbetningsegenskaper, vilket gör att de har breda tillämpningsmöjligheter vid tillverkning av huvudstrukturkomponenter inom industriella områden som flyg- och rymdfart. Med den kontinuerliga fördjupningen av forskningen om scandiummikrolegeringsteknik och förbättringen av leveranskedjan och den industriella kedjematchningen kommer pris- och kostnadsfaktorerna som begränsar storskalig industriell tillämpning av scandiumaluminiumlegeringar gradvis att förbättras. De goda övergripande mekaniska egenskaperna, korrosionsbeständigheten och de utmärkta bearbetningsegenskaperna hos aluminiumscandiumlegeringar gör att de har tydliga strukturella viktminskningsfördelar och bred tillämpningspotential inom tillverkning av flygutrustning.
Publiceringstid: 29 oktober 2024