Keďže ide o ľahkú zliatinu, ktorá je kľúčová pre letecké dopravné zariadenia, makroskopické mechanické vlastnosti hliníkovej zliatiny úzko súvisia s jej mikroštruktúrou. Zmenou hlavných legujúcich prvkov v štruktúre hliníkovej zliatiny je možné zmeniť mikroštruktúru hliníkovej zliatiny a výrazne zlepšiť makroskopické mechanické vlastnosti a ďalšie vlastnosti (ako je odolnosť proti korózii a zváracie vlastnosti) materiálu. Mikrolegovanie sa doteraz stalo najsľubnejšou stratégiou technologického vývoja na optimalizáciu mikroštruktúry hliníkových zliatin a zlepšenie komplexných vlastností materiálov z hliníkových zliatin.Skandium(Sc) je najúčinnejší známy zosilňovač mikrolegujúcich prvkov pre hliníkové zliatiny. Rozpustnosť skandia v hliníkovej matrici je menej ako 0,35 hmotnostných %. Pridanie stopových množstiev skandia do hliníkových zliatin môže účinne zlepšiť ich mikroštruktúru, komplexne zvýšiť ich pevnosť, tvrdosť, plasticitu, tepelnú stabilitu a odolnosť proti korózii. Skandium má v hliníkových zliatinách viacero fyzikálnych účinkov vrátane spevňovania tuhých roztokov, spevňovania častíc a inhibície rekryštalizácie. Tento článok predstaví historický vývoj, najnovší pokrok a potenciálne aplikácie hliníkových zliatin obsahujúcich skandium v oblasti výroby leteckých zariadení.
Výskum a vývoj zliatiny hliníka a škandia
Pridávanie skandia ako legujúceho prvku do hliníkových zliatin možno vysledovať až do 60. rokov 20. storočia. V tom čase sa väčšina prác vykonávala s binárnymi systémami zliatin AlSc a ternárnymi systémami AlMgSc. V 70. rokoch 20. storočia Bajkovov inštitút metalurgie a materiálových vied Sovietskej akadémie vied a Všeruský inštitút pre výskum ľahkých zliatin vykonali systematickú štúdiu formy a mechanizmu skandia v hliníkových zliatinách. Po takmer štyridsiatich rokoch úsilia bolo vyvinutých 14 druhov hliníkovo-skandiových zliatin v troch hlavných sériách (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Rozpustnosť atómov skandia v hliníku je nízka a použitím vhodných procesov tepelného spracovania je možné vyzrážať nanoprecipitáty Al3Sc s vysokou hustotou. Táto precipitačná fáza je takmer guľovitá, s malými časticami a dispergovaným rozložením a má dobrý koherentný vzťah s hliníkovou matricou, čo môže výrazne zlepšiť pevnosť hliníkových zliatin pri izbovej teplote. Okrem toho majú nanoprecipitáty Al3Sc dobrú tepelnú stabilitu a odolnosť proti zhrubnutiu pri vysokých teplotách (do 400 ℃), čo je mimoriadne výhodné pre vysokú tepelnú odolnosť zliatiny. Medzi ruskými hliníkovo-skandiovými zliatinami si zliatina 1570 získala veľkú pozornosť vďaka svojej najvyššej pevnosti a najširšiemu použitiu. Táto zliatina vykazuje vynikajúci výkon v rozsahu pracovných teplôt od -196 ℃ do 70 ℃ a má prirodzenú superplasticitu, ktorá môže nahradiť ruskú hliníkovú zliatinu LF6 (hliníkovo-horčíková zliatina zložená prevažne z hliníka, horčíka, medi, mangánu a kremíka) pre nosné zváracie konštrukcie v kvapalnom kyslíkovom médiu s výrazne zlepšeným výkonom. Okrem toho Rusko vyvinulo aj zliatiny hliníka, zinku a horčíka, ktoré predstavuje spoločnosť 1970, s pevnosťou materiálu viac ako 500 MPa.
Stav industrializácieZliatina hliníka a škandia
V roku 2015 Európska únia zverejnila „Európsky metalurgický plán: Perspektívy pre výrobcov a koncových používateľov“, v ktorom navrhuje študovať zvariteľnosť hliníka.zliatiny horčíka a škandiaV septembri 2020 Európska únia zverejnila zoznam 29 kľúčových nerastných zdrojov vrátane skandia. Zliatina hliníka a horčíka 5024H116, ktorú vyvinula spoločnosť Ale Aluminum v Nemecku, má strednú až vysokú pevnosť a vysokú odolnosť voči poškodeniu, čo z nej robí veľmi sľubný materiál pre poťah trupu. Môže sa použiť ako náhrada za tradičné hliníkové zliatiny série 2xxx a bola zahrnutá do knihy obstarávania materiálov AIMS03-01-055 spoločnosti Airbus. 5028 je vylepšená trieda 5024, vhodná na laserové zváranie a zváranie trením s miešaním. Dokáže dosiahnuť proces tvárnenia hyperbolických integrálnych stenových panelov, ktoré sú odolné voči korózii a nevyžadujú hliníkový povlak. V porovnaní so zliatinou 2524 môže celková konštrukcia stenových panelov trupu dosiahnuť 5 % zníženie štrukturálnej hmotnosti. Plech zo zliatiny hliníka a skandia AA5024-H116, ktorý vyrába spoločnosť Aili Aluminum Company, sa používa na výrobu trupov lietadiel a konštrukčných komponentov kozmických lodí. Typická hrúbka plechu zo zliatiny AA5024-H116 je 1,6 mm až 8,0 mm a vďaka nízkej hustote, stredným mechanickým vlastnostiam, vysokej odolnosti voči korózii a prísnym rozmerovým odchýlkam môže nahradiť zliatinu 2524 ako materiál poťahu trupu. V súčasnosti je plech zo zliatiny AA5024-H116 certifikovaný spoločnosťou Airbus AIMS03-04-055. V decembri 2018 Ministerstvo priemyslu a informačných technológií Číny vydalo „Smerový katalóg pre prvú skupinu sekundárnych aplikačných demonštrácií kľúčových nových materiálov (vydanie 2018)“, ktorý do vývojového katalógu priemyslu nových materiálov zahrnul „vysoko čistý oxid skandia“. V roku 2019 Ministerstvo priemyslu a informačných technológií Číny vydalo „Smerový katalóg pre prvú skupinu demonštračných aplikačných aplikácií kľúčových nových materiálov (vydanie 2019)“, ktorý do vývojového katalógu priemyslu nových materiálov zahrnul „Materiály na spracovanie hliníkových zliatin s obsahom Sc a zváracie drôty Al Si Sc“. Spoločnosť China Aluminum Group Northeast Light Alloy vyvinula zliatinu AlMgScZr série 5B70 s obsahom skandia a zirkónia. V porovnaní s tradičnou zliatinou AlMg série 5083 bez skandia a zirkónia sa jej medza klzu a pevnosť v ťahu zvýšili o viac ako 30 %. Navyše si zliatina AlMgScZr udržiava porovnateľnú odolnosť proti korózii ako zliatina 5083. V súčasnosti hlavné domáce podniky s priemyselnou kvalitou...zliatina hliníka a škandiaVýrobné kapacity sú spoločnosti Northeast Light Alloy Company a Southwest Aluminum Industry. Veľkorozmerný plech 5B70 zo zliatiny hliníka a škandia, vyvinutý spoločnosťou Northeast Light Alloy Co., Ltd., dokáže dodať veľké hrubé plechy zo zliatiny hliníka s maximálnou hrúbkou 70 mm a maximálnou šírkou 3500 mm. Tenké plechy a profily je možné prispôsobiť na výrobu s rozsahom hrúbky od 2 mm do 6 mm a maximálnou šírkou 1500 mm. Spoločnosť Southwest Aluminum nezávisle vyvinula materiál 5K40 a dosiahla významný pokrok vo vývoji tenkých plechov. Zliatina AlZnMg je zliatina s časom vytvrdzujúcou sa zliatinou s vysokou pevnosťou, dobrým spracovateľským výkonom a vynikajúcim zváracím výkonom. Je to nevyhnutný a dôležitý konštrukčný materiál v súčasných dopravných prostriedkoch, ako sú lietadlá. Na základe zvárateľného AlZnMg so strednou pevnosťou sa pridaním prvkov zliatiny škandia a zirkónia v mikroštruktúre vytvárajú malé a rozptýlené nanočastice Al3 (Sc, Zr), čím sa výrazne zlepšujú mechanické vlastnosti a odolnosť zliatiny proti korózii pod napätím. Výskumné centrum Langley v NASA vyvinulo ternárnu zliatinu hliníka a skandia triedy C557, ktorá je pripravená na použitie v modelových misiách. Statická pevnosť, šírenie trhlín a lomová húževnatosť tejto zliatiny pri nízkej teplote (-200 ℃), izbovej teplote a vysokej teplote (107 ℃) sú rovnaké alebo lepšie ako u zliatiny 2524. Northwestern University v Spojených štátoch vyvinula zliatinu AlZnMgSc série 7000, ultra vysokopevnostnú hliníkovú zliatinu s pevnosťou v ťahu až 680 MPa. Vytvoril sa vzorec vývoja spoja medzi stredne vysokopevnostnou zliatinou hliníka a skandia a ultra vysokopevnostnou zliatinou AlZnMgSc. Zliatina AlZnMgCuSc je vysokopevnostná hliníková zliatina s pevnosťou v ťahu presahujúcou 800 MPa. V súčasnosti nominálne zloženie a základné výkonnostné parametre hlavných tried...zliatina hliníka a škandiasú zhrnuté nasledovne, ako je uvedené v tabuľkách 1 a 2.
Tabuľka 1 | Nominálne zloženie zliatiny hliníka a skandia
Tabuľka 2 | Mikroštruktúra a pevnostné vlastnosti zliatiny hliníka a skandia
Perspektívy použitia zliatiny hliníka a škandia
Vysokopevnostné zliatiny Al, Zn, Mg, Cu, Sc a Al, Cu, Li, Sc sa používajú na nosné konštrukčné komponenty vrátane ruských stíhačiek MiG-21 a MiG-29. Prístrojová doska ruskej kozmickej lode „Mars-1“ je vyrobená zo zliatiny hliníka a škandia 1570, čo predstavuje celkové zníženie hmotnosti o 20 %. Nosné komponenty prístrojového modulu kozmickej lode Mars-96 sú vyrobené zo zliatiny hliníka 1970 obsahujúcej škandium, čím sa hmotnosť prístrojového modulu znížila o 10 %. V rámci programu „Čisté nebo“ a projektu EÚ „Letecká trasa 2050“ spoločnosť Airbus vykonala integrované testovacie lety návrhu, výskumu a vývoja, výroby a inštalácie dverí nákladného priestoru pre lietadlo A321 na základe nástupníckej zliatiny hliníka a škandia 5024 triedy AA5028-H116. Zliatiny hliníka a škandia reprezentované značkou AA5028 preukázali vynikajúci výkon pri spracovaní a zváraní. Využitím pokročilých zváracích techník, ako je trecie zváranie s miešaním a laserové zváranie, sa dosiahlo spoľahlivé spojenie materiálov z hliníkových zliatin obsahujúcich škandium. Postupné zavádzanie „zvárania namiesto nitovania“ do tenkovrstvových konštrukcií vystužených lietadiel nielenže udržiava konzistenciu materiálov lietadla a štrukturálnu integritu, čím sa dosahuje efektívna a nízkonákladová výroba, ale má aj účinky na zníženie hmotnosti a utesnenie. Použitie Výskum zliatiny hliníka a škandia 5B70, ktorý realizoval Čínsky výskumný ústav špeciálnych leteckých materiálov, priniesol prelom v technológiách silného zvárania komponentov s premenlivou hrúbkou steny, kontroly odolnosti proti korózii a zhody pevnosti a kontroly zvyškového napätia pri zváraní. Pripravil adaptívny zvárací drôt zo zliatiny hliníka a škandia a koeficient pevnosti spoja pri trení premiešavaním pre hrubé plechy v tejto zliatine môže dosiahnuť 0,92. Čínska akadémia vesmírnych technológií, Centrálna južná univerzita a ďalší vykonali rozsiahle testovanie mechanických vlastností a procesné experimenty s materiálom 5B70, vylepšili a iterovali schému výberu konštrukčného materiálu pre 5A06 a začali používať hliníkovú zliatinu 5B70 na hlavnú konštrukciu celkových vystužených stenových panelov uzavretej kabíny a návratovej kabíny vesmírnej stanice. Celkový stenový panel pretlakovej kabíny s doskovou konštrukciou je navrhnutý s kombináciou plášťa a výstužných rebier, čím sa dosahuje vyššia štrukturálna integrácia a optimalizácia hmotnosti. Popri zlepšení celkovej tuhosti a pevnosti sa znižuje počet a zložitosť spojovacích komponentov, čím sa ďalej znižuje hmotnosť pri zachovaní vysokého výkonu. S podporou aplikácie materiálového inžinierstva 5B70 sa bude používanie materiálu 5B70 postupne zvyšovať. a prekročiť minimálny prah dodávok, čo pomôže zabezpečiť nepretržitú výrobu a stabilnú kvalitu surovín a výrazne znížiť ceny surovín. Ako už bolo spomenuté, hoci sa mnohé vlastnosti hliníkových zliatin zlepšili pomocou mikrolegovania skandia, vysoká cena a nedostatok skandia obmedzujú rozsah použitia hliníkovo-skandiumových zliatin. V porovnaní s hliníkovými zliatinovými materiálmi, ako sú AlCu, AlZn, AlZnMg, majú hliníkové zliatiny obsahujúce skandium dobré komplexné mechanické vlastnosti, odolnosť proti korózii a vynikajúce spracovateľské vlastnosti, vďaka čomu majú široké uplatnenie pri výrobe hlavných konštrukčných komponentov v priemyselných oblastiach, ako je napríklad letecký a kozmický priemysel. S neustálym prehlbovaním výskumu technológie mikrolegovania skandia a zlepšovaním dodávateľského reťazca a zosúladenia priemyselných reťazcov sa budú postupne zlepšovať cenové a nákladové faktory, ktoré obmedzujú rozsiahle priemyselné využitie skandium-hliníkových zliatin. Dobré komplexné mechanické vlastnosti, odolnosť proti korózii a vynikajúce spracovateľské vlastnosti hliníkovo-skandiumových zliatin im poskytujú jasné výhody v oblasti znižovania štrukturálnej hmotnosti a široký aplikačný potenciál v oblasti výroby leteckých zariadení.
Čas uverejnenia: 29. októbra 2024