Som en lätt legering som är avgörande för luftfartsutrustning är de makroskopiska mekaniska egenskaperna hos aluminiumlegering nära besläktade med dess mikrostruktur. Genom att ändra de huvudsakliga legeringselementen i aluminiumlegeringsstrukturen kan mikrostrukturen i aluminiumlegeringen förändras, och de makroskopiska mekaniska egenskaperna 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 omfattande egenskaperna hos aluminiumlegeringsmaterial.Skandium(SC) är den mest effektiva mikrolegeringselementförstärkaren känd för aluminiumlegeringar. Lösligheten för skandium i aluminiummatris är mindre än 0,35 viktprocent, vilket lägger till spårmängder av skandiumelement till aluminiumlegeringar kan effektivt förbättra deras mikrostruktur, förbättra deras styrka, hårdhet, plasticitet, termisk stabilitet och korrosionsbeständighet. Skandium har flera fysiska effekter i aluminiumlegeringar, inklusive stärkning av fast lösning, förstärkning av partikel och hämning av omkristallisation. Den här artikeln kommer att introducera den historiska utvecklingen, de senaste framstegen och potentiella tillämpningarna av skandium som innehåller aluminiumlegeringar inom tillverkningen av luftfartsutrustning.
Forskning och utveckling av aluminiumskandiumlegering
Tillsatsen av skandium som ett legeringselement till aluminiumlegeringar kan spåras tillbaka till 1960 -talet. Vid den tiden utfördes det mesta av arbetet i binära AL SC och ternära ALMG SC -legeringssystem. På 1970 -talet genomförde Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science of the Sovjet Academy of Sciences och All Russian Institute of Light Alloy Research en systematisk studie om formen och mekanismen för skandium i aluminiumlegeringar. Efter nästan fyrtio års ansträngning har 14 kvaliteter av aluminiumskandiumlegeringar utvecklats i tre huvudserier (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn MG SC). Lösligheten för skandiumatomer i aluminium är låg, och genom att använda lämpliga värmebehandlingsprocesser kan AL3SC Nano-utfällning med hög densitet fälls ut. Denna nederbördsfas är nästan sfärisk, med små partiklar och spridd fördelning och har en god sammanhängande relation med aluminiummatrisen, vilket kan förbättra rumstemperaturstyrkan hos aluminiumlegeringar. Dessutom har AL3SC -nano -utfällningar god termisk stabilitet och grovmotstånd vid höga temperaturer (inom 400 ℃), vilket är extremt fördelaktigt för legeringens starka värmebeständighet. På ryska gjorde aluminiumskandiumlegeringar, 1570 legering har väckt mycket uppmärksamhet på grund av dess högsta styrka och bredaste tillämpning. Denna legering uppvisar utmärkt prestanda i arbetstemperaturintervallet -196 ℃ till 70 ℃ och har naturlig superplasticitet, som kan ersätta det ryska tillverkade LF6 -aluminiumlegeringen (en aluminiummagnesiumlegering som huvudsakligen komponerad av aluminium, magnesium, koppar, mangan och kisel) för bärande av bärande vetsstrukturer i flytande syresyrande, med betydande imponerande. Dessutom har Ryssland också utvecklat aluminium zinkmagnesiumskandiumlegeringar, representerade 1970, med en materiell styrka på över 500MPa.
Industrialiseringsstatusen förAluminiumskandiumlegering
2015 släppte Europeiska unionen ”Europeiska metallurgiska färdplanen: utsikter för tillverkare och slutanvändare” och föreslog att studera aluminiums svetsbarhetmagnesiumskandiumlegeringar. I september 2020 släppte Europeiska unionen en lista med 29 viktiga mineralresurser, inklusive skandium. 5024H116 aluminiummagnesiumskandiumlegeringen utvecklad av ALE -aluminium i Tyskland har medelhög till hög styrka och hög skadetolerans, vilket gör det till ett mycket lovande material för flygkroppshud. Det kan användas för att ersätta traditionella 2xxx-serie aluminiumlegeringar och har inkluderats i Airbus 'AIMS03-01-055 Materialupphandlingsbok. 5028 är en förbättrad kvalitet på 5024, lämplig för lasersvetsning och friktion av omrörning. Den kan uppnå krypformningsprocessen för hyperboliska integrala väggpaneler, som är korrosionsbeständig och inte kräver aluminiumbeläggning. Jämfört med 2524 -legering kan flygpanelstrukturen för flygkroppen uppnå en minskning med 5% strukturell vikt. AA5024-H116 aluminiumskandiumlegeringsark som produceras av AILI Aluminium Company har använts för att tillverka flygplanens flygkropp och rymdskeppstrukturella komponenter. Den typiska tjockleken på AA5024-H116-legeringsarket är 1,6 mm till 8,0 mm, och på grund av dess låga densitet, måttliga mekaniska egenskaper, hög korrosionsbeständighet och strikt dimensionell avvikelse, kan den ersätta 2524-legering som skjutningshudmaterial. För närvarande har AA5024-H116-legeringsarket certifierats av Airbus AIMS03-04-055. I december 2018 släppte ministeriet för industrin och informationsteknologi i Kinas ”vägledande katalogen för den första omgången av sekundära applikationsdemonstrationer av viktiga nya material (2018-upplagan)”, som inkluderade ”High-Pity Scandium Oxide” i utvecklingskatalogen inom den nya materialindustrin. Under 2019 släppte ministeriet för industrin och informationsteknologi i Kina "Guidande katalogen för den första omgången av demonstrationsapplikationer av viktiga nya material (2019 -upplagan)", som inkluderade "SC som innehåller aluminiumlegeringsprocessmaterial och Al Si SC -svetsledningar" i utvecklingskatalogen inom den nya materialindustrin. China Aluminium Group Northeast Light Alloy har utvecklat en Al MG SC ZR -serie 5B70 -legering som innehåller skandium och zirkonium. Jämfört med den traditionella Al MG -serien 5083 -legering utan skandium och zirkonium har dess utbyte och draghållfasthet ökat med mer än 30%. Dessutom kan Al Mg SC Zr -legeringen upprätthålla jämförbar korrosionsbeständighet mot 5083 -legeringen. För närvarande är de viktigaste inhemska företagen med industriell klassaluminiumskandiumlegeringProduktionskapacitet är nordöstra lättlegeringsföretag och sydvästra aluminiumindustrin. Det stora storleken 5B70 aluminiumskandiumlegeringsark utvecklat av Northeast Light Alloy Co., Ltd. kan leverera stora aluminiumlegering tjocka plattor med en maximal tjocklek på 70 mm och en maximal bredd på 3500 mm; Tunna arkprodukter och profilprodukter kan anpassas för produktion, med en tjocklek mellan 2 mm till 6 mm och en maximal bredd på 1500 mm. Sydvästra aluminium har oberoende utvecklat 5K40 -material och gjort betydande framsteg i utvecklingen av tunna plattor. Al Zn Mg -legering är en tidshärdande legering med hög styrka, god bearbetningsprestanda och utmärkt svetsprestanda. Det är ett oundgängligt och viktigt strukturellt material i nuvarande transportfordon som flygplan. På grundval av svetsbara med medelstyrka kan ALZN Mg, tillsats av skandium- och zirkoniumlegeringselement bilda små och spridda AL3 (SC, ZR) nanopartiklar i mikrostrukturen, vilket förbättrar de mekaniska egenskaperna och spänningskorrosionsbeständigheten. Langley Research Center i NASA har utvecklat en ternär aluminiumskandiumlegering med klass C557, som är redo att tillämpas i modelluppdrag. Den statiska styrkan, sprickutbredningen och frakturens seghet hos denna legering vid låg temperatur (-200 ℃), rumstemperatur och hög temperatur (107 ℃) är alla lika med eller bättre än för 2524 legering. Northwestern University i USA har utvecklat Alzn MG SC-legering 7000-serien Ultra-hög styrka aluminiumlegering, med en draghållfasthet på upp till 680MPa. Ett mönster av gemensam utveckling mellan medelstorka aluminiumskandiumlegering och ultrahög styrka Al Zn Mg SC har bildats. Al Zn Mg Cu SC-legering är en höghållfast aluminiumlegering med en draghållfasthet som överstiger 800 MPa. För närvarandealuminiumskandiumlegeringsammanfattas enligt följande, som visas i tabellerna 1 och 2.
Tabell 1 | Nominell sammansättning av aluminiumskandiumlegering
Tabell 2 | Mikrostruktur och dragegenskaper hos aluminiumskandiumlegering
Tillämpningsutsikter för aluminiumskandiumlegering
Högstyrka Al Zn Mg Cu SC och Al Culi SC-legeringar har applicerats på bärande strukturella komponenter, inklusive de ryska MiG-21- och MiG-29-jaktflygplanen. Instrumentpanelen i det ryska rymdskeppet “Mars-1 ″ är gjord av 1570 aluminiumskandiumlegering, med en total viktminskning på 20%. De bärande komponenterna i instrumentmodulen i MARS-96 rymdskepp är tillverkade av 1970 aluminiumlegering som innehåller skandium, vilket minskar vikten på instrumentmodulen med 10%. I programmet "Clean Sky" och EU: s "2050 Flight Route" -projekt genomförde Airbus integrerad lastdörrdesign, forskning och utveckling, tillverkning och installationstestflyg för A321-flygplan baserat på AAA5028-H1028-aluminiumlegering av 5024 aluminiumskandium. Aluminiumskandiumlegeringar representerade av AA5028 visade utmärkt bearbetning och svetsprestanda. Använda avancerade svetstekniker såsom friktion omrörning och lasersvetsning för att uppnå tillförlitlig anslutning av skandium som innehåller aluminiumlegeringsmaterial. Den gradvisa implementeringen av "svetsning istället för nitning" i flygplan förstärkta tunna plattstrukturer upprätthåller inte bara konsistensen av flygplan och strukturell integritet, vilket uppnår effektiv och billig tillverkning, utan har också viktminskande och tätningseffekter. Applikationsforskningen av Aluminium Scandium 5B70 -legering av China Aerospace Special Materials Research Institute har brutit igenom teknologierna för stark snurrning av variabla väggtjocklekskomponenter, kontroll av korrosionsbeständighet och styrka matchning och kontroll av svetsningsrester. Den har framställt aluminiumskandiumlegering adaptiv svetsledning, och den ledstyrkans friktionskoefficient för svetsning för tjocka plattor i legeringen kan nå 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University, och andra har genomfört omfattande mekaniska prestationstestning och processexperiment på 5B70 -materialet, uppgraderat och itererat det totala urvalsschemat för 5A06 och har börjat applicera 5B70 -aluminiumlegeringen på huvudstrukturen i det övergripande förstärkta väggpanelen i rymdstationens tätning. Den övergripande väggpanelen för plattstrukturen tryckkabin är utformad med en kombination av hud och förstärkningsribbor, vilket uppnår högre strukturell integration och viktoptimering. Medan man förbättrar den totala styvheten och styrkan minskar det antalet och komplexiteten för anslutningskomponenter och därmed ytterligare minskar vikten samtidigt som hög prestanda bibehålls. Med främjandet av tillämpningen av 5B70 Material Engineering kommer användningen av 5B70 -material gradvis att öka och överskrida den minsta leveransgränsen, vilket hjälper till att säkerställa kontinuerlig produktion och stabil kvalitet på råmaterial och avsevärt minska råmaterialpriserna. Som nämnts tidigare, även om många egenskaper hos aluminiumlegeringar har förbättrats genom skandiummikrolager, begränsar det höga priset och knappheten på skandium applikationsintervallet för aluminiumskandiumlegeringar. Jämfört med aluminiumlegeringsmaterial såsom Al Cu, Al Zn, Al Znmg, har skandium som innehåller aluminiumlegeringsmaterial goda omfattande mekaniska egenskaper, korrosionsbeständighet och utmärkta bearbetningsegenskaper, som gör att de har breda tillämpningsmöjligheter i tillverkningen av huvudstrukturella komponenter inom industrifält såsom flygresistens. Med den kontinuerliga fördjupningen av forskning om mikrolegeringsteknik för skandium och förbättring av matchning av leveranskedjan och industrikedjan förbättras pris- och kostnadsfaktorerna som begränsar den storskaliga industriella tillämpningen av skandiumaluminiumlegeringar gradvis. De goda omfattande mekaniska egenskaperna, korrosionsmotståndet och utmärkta bearbetningsegenskaper för aluminiumskandiumlegeringar gör att de har tydliga strukturella viktminskningsfördelar och bred appliceringspotential inom tillverkningen av luftutrustning.
Posttid: oktober-29-2024