Lennundustranspordivahendite jaoks üliolulise kergsulamina on alumiiniumisulami makroskoopilised mehaanilised omadused tihedalt seotud selle mikrostruktuuriga. Alumiiniumsulami struktuuri peamiste legeerelementide muutmisega saab muuta alumiiniumisulami mikrostruktuuri ning oluliselt parandada materjali makroskoopilisi mehaanilisi omadusi ja muid omadusi (näiteks korrosioonikindlust ja keevitusomadusi). Praeguseks on mikrolegeerimine muutunud kõige lootustandvamaks tehnoloogiliseks arendusstrateegiaks alumiiniumisulamite mikrostruktuuri optimeerimiseks ja alumiiniumisulamimaterjalide terviklike omaduste parandamiseks.Skandium(Sc) on alumiiniumisulamite puhul teadaolevalt kõige tõhusam mikrolegeeriva elemendi tugevdaja. Skandiumi lahustuvus alumiiniummaatriksis on alla 0,35 massiprotsendi. Alumiiniumsulamitele skandiumi elemendi jälgede lisamine võib tõhusalt parandada nende mikrostruktuuri, suurendada igakülgselt nende tugevust, kõvadust, plastilisust, termilist stabiilsust ja korrosioonikindlust. Skandiumil on alumiiniumisulamites mitu füüsikalist efekti, sealhulgas tahke lahuse tugevdamine, osakeste tugevdamine ja rekristalliseerumise pärssimine. See artikkel tutvustab skandiumi sisaldavate alumiiniumisulamite ajaloolist arengut, uusimaid edusamme ja potentsiaalseid rakendusi lennundusseadmete tootmise valdkonnas.
Alumiinium-skandiumisulami uurimine ja arendamine
Skandiumi lisamine legeerelemendina alumiiniumisulamitele ulatub tagasi 1960. aastatesse. Sel ajal tehti suurem osa tööst binaarsete AlSc ja ternaarsete AlMgSc sulamisüsteemidega. 1970. aastatel viisid Nõukogude Teaduste Akadeemia Baikovi-nimeline Metallurgia ja Materjaliteaduse Instituut ning Ülevenemaaline Kergsulamite Uurimise Instituut läbi süstemaatilise uuringu skandiumi vormi ja mehhanismi kohta alumiiniumisulamites. Ligi neljakümne aasta pikkuse töö tulemusena on välja töötatud 14 alumiiniumskandiumisulami klassi kolmes suuremas seerias (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Skandiumi aatomite lahustuvus alumiiniumis on madal ja sobivate kuumtöötlusprotsesside abil saab sadestuda suure tihedusega Al3Sc nanosademeid. See sadestumisfaas on peaaegu sfääriline, väikeste osakeste ja hajutatud jaotusega ning sellel on hea sidusus alumiiniummaatriksiga, mis võib oluliselt parandada alumiiniumisulamite toatemperatuurilist tugevust. Lisaks on Al3Sc nanosademetel hea termiline stabiilsus ja jämedamaks muutumise vastupidavus kõrgetel temperatuuridel (kuni 400 ℃), mis on sulami tugeva kuumakindluse seisukohalt äärmiselt kasulik. Venemaal toodetud alumiiniumskandiumisulamitest on 1570 sulam pälvinud suurt tähelepanu oma suurima tugevuse ja laialdase kasutusala tõttu. See sulam näitab suurepäraseid omadusi töötemperatuuride vahemikus -196 ℃ kuni 70 ℃ ja omab loomulikku üliplastilisust, mis suudab asendada Venemaal toodetud LF6 alumiiniumisulamit (alumiiniummagneesiumisulam, mis koosneb peamiselt alumiiniumist, magneesiumist, vasest, mangaanist ja ränist) kandvate keevituskonstruktsioonide jaoks vedelas hapnikukeskkonnas, parandades oluliselt jõudlust. Lisaks on Venemaal välja töötatud ka alumiiniumtsinkmagneesiumskandiumisulamid, mida esindab 1970, mille materjali tugevus on üle 500 MPa.
Industrialiseerimise staatusAlumiinium-skandiumisulam
2015. aastal avaldas Euroopa Liit dokumendi „Euroopa metallurgia tegevuskava: tootjate ja lõppkasutajate väljavaated“, milles tehti ettepanek uurida alumiiniumi keevitatavust.magneesiumskandiumi sulamid2020. aasta septembris avaldas Euroopa Liit nimekirja 29 peamisest mineraalressursist, sealhulgas skandiumist. Saksamaal Ale Aluminiumi poolt välja töötatud 5024H116 alumiiniummagneesium-skandiumisulamil on keskmine kuni kõrge tugevus ja kõrge kahjustustaluvus, mis teeb sellest väga paljutõotava materjali kere katte jaoks. Seda saab kasutada traditsiooniliste 2xxx seeria alumiiniumisulamite asendamiseks ja see on kantud Airbusi AIMS03-01-055 materjalide hankeraamatusse. 5028 on 5024 täiustatud klass, mis sobib laserkeevitamiseks ja hõõrdkeevitamiseks. See võimaldab saavutada hüperboolsete integraalsete seinapaneelide roomamisprotsessi, mis on korrosioonikindel ega vaja alumiiniumkatet. Võrreldes 2524 sulamiga on kere üldise seinapaneeli struktuuril võimalik saavutada 5% konstruktsioonikaalu vähenemine. Aili Aluminum Company toodetud AA5024-H116 alumiiniumskandiumisulamist lehte on kasutatud lennukikere ja kosmoselaevade konstruktsioonielementide valmistamiseks. AA5024-H116 sulamlehe tüüpiline paksus on 1,6–8,0 mm ning tänu madalale tihedusele, mõõdukatele mehaanilistele omadustele, kõrgele korrosioonikindlusele ja rangetele mõõtmete hälbele võib see kere väliskesta materjalina asendada 2524 sulamit. Praegu on AA5024-H116 sulamleht sertifitseeritud Airbus AIMS03-04-055 poolt. 2018. aasta detsembris avaldas Hiina tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium „Peamiste uute materjalide teiseste rakenduste demonstratsioonide esimese partii juhtkataloogi (2018. aasta väljaanne)“, mis sisaldas uute materjalide tööstuse arenduskataloogis „kõrge puhtusastmega skandiumoksiidi“. 2019. aastal avaldas Hiina tööstus- ja infotehnoloogiaministeerium „Peamiste uute materjalide demonstratsioonirakenduste esimese partii juhtkataloogi (2019. aasta väljaanne)“, mis sisaldas uute materjalide tööstuse arenduskataloogis „Sc-d sisaldavaid alumiiniumisulamist töötlemismaterjale ja Al Si Sc keevitustraate“. China Aluminum Group Northeast Light Alloy on välja töötanud skandiumi ja tsirkooniumi sisaldava AlMgScZr seeria 5B70 sulami. Võrreldes traditsioonilise skandiumi ja tsirkooniumita AlMg seeria 5083 sulamiga on selle voolavus ja tõmbetugevus suurenenud enam kui 30%. Lisaks on AlMgScZr sulamil 5083 sulamiga võrreldav korrosioonikindlus. Praegu toodavad peamised kodumaised ettevõtted tööstusliku kvaliteediga sulameid.alumiiniumskandiumi sulamTootmisvõimsus on Northeast Light Alloy Company ja Southwest Aluminum Industry. Northeast Light Alloy Co., Ltd. poolt väljatöötatud suuremahuline 5B70 alumiinium-skandiumisulamist leht suudab tarnida suuri alumiiniumisulamist plaate maksimaalse paksusega 70 mm ja maksimaalse laiusega 3500 mm; õhukesi leht- ja profiiltooteid saab tootmiseks kohandada paksusega 2–6 mm ja maksimaalse laiusega 1500 mm. Southwest Aluminum on iseseisvalt välja töötanud 5K40 materjali ja teinud õhukeste plaatide väljatöötamisel märkimisväärseid edusamme. Al-Zn-Mg sulam on aja jooksul kõvastuv sulam, millel on kõrge tugevus, head töötlemisomadused ja suurepärased keevitusomadused. See on asendamatu ja oluline konstruktsioonimaterjal tänapäevastes transpordivahendites, näiteks lennukites. Keskmise tugevusega keevitatava AlZn-Mg baasil saab skandiumi ja tsirkooniumi sulamielementide lisamisega moodustada mikrostruktuuris väikeseid ja hajutatud Al3 (Sc, Zr) nanoosakesi, mis parandab oluliselt sulami mehaanilisi omadusi ja pingekorrosioonikindlust. NASA Langley uurimiskeskus on välja töötanud kolmekomponendilise alumiiniumskandiumisulami klassiga C557, mis on valmis kasutamiseks mudelmissioonidel. Selle sulami staatiline tugevus, pragude levik ja purunemiskindlus madalal temperatuuril (-200 ℃), toatemperatuuril ja kõrgel temperatuuril (107 ℃) on kõik võrdsed või paremad kui 2524 sulamil. Ameerika Ühendriikide Northwesterni ülikool on välja töötanud AlZn-Mg-Sc sulami 7000 seeria ülikõrge tugevusega alumiiniumisulami, mille tõmbetugevus on kuni 680 MPa. On moodustunud keskmise ja ülikõrge tugevusega alumiiniumskandiumisulami ning ülikõrge tugevusega AlZn-Mg-Sc vahelise vuukide arengu muster. AlZn-Mg-Cu-Sc sulam on ülitugev alumiiniumisulam, mille tõmbetugevus ületab 800 MPa. Praegu on peamiste klasside nominaalne koostis ja põhilised jõudlusparameetrid...alumiiniumskandiumi sulamon kokku võetud järgmiselt, nagu on näidatud tabelites 1 ja 2.
Tabel 1 | Alumiinium-skandiumisulami nominaalne koostis
Tabel 2 | Alumiinium-skandiumisulami mikrostruktuur ja tõmbetugevusomadused
Alumiinium-skandiumisulami rakendusväljavaated
Kõrgtugevaid AlZnMgCuSc ja AlCuLiSc sulameid on kasutatud kandvate konstruktsioonielementide, sealhulgas Vene MiG-21 ja MiG-29 hävituslennukite puhul. Vene kosmoselaeva „Mars-1“ armatuurlaud on valmistatud 1570 alumiiniumskandiumisulamist, mille kogukaal on vähenenud 20%. Mars-96 kosmoselaeva instrumendimooduli kandekomponendid on valmistatud 1970. aasta alumiiniumsulamist, mis sisaldab skandiumi, vähendades instrumendimooduli kaalu 10%. Airbus viis programmi „Clean Sky“ ja ELi projekti „2050 lennumarsruut“ raames läbi integreeritud lastiruumi uste projekteerimise, uurimis- ja arendustegevuse, tootmise ja paigalduskatsete lennud A321 lennukile, mis põhineb 5024 alumiiniumskandiumisulamist pärit AA5028-H116 alumiiniumskandiumisulamil. AA5028 esindatud alumiiniumskandiumisulamid näitasid suurepärast töötlemis- ja keevitusjõudlust. Skandiumi sisaldavate alumiiniumisulamite materjalide usaldusväärse ühendamise saavutamiseks kasutati täiustatud keevitustehnikaid, nagu hõõrdkeevitus ja laserkeevitus. Õhusõidukite tugevdatud õhukeste plaatkonstruktsioonide „keevitamise asemel neetimise“ järkjärguline rakendamine mitte ainult ei säilita lennukimaterjalide ja konstruktsiooni terviklikkuse järjepidevust, saavutades tõhusa ja odava tootmise, vaid vähendab ka kaalu ja tihendab konstruktsioone. mõjud. Hiina lennunduse ja kosmose erimaterjalide uurimisinstituudi alumiiniumskandiumi 5B70 sulami rakendusuuring on läbimurdeliselt pakkunud muutuva seinapaksusega komponentide tugeva ketramise, korrosioonikindluse ja tugevuse sobitamise kontrolli ning keevituse jääkpinge kontrolli tehnoloogiaid. See on valmistanud alumiiniumskandiumisulamist adaptiivse keevitustraadi ja paksude plaatide hõõrdetegur võib ulatuda 0,92-ni sulamis. Hiina Kosmosetehnoloogia Akadeemia, Kesk-Lõuna Ülikool ja teised on läbi viinud ulatuslikke mehaanilise jõudluse katseid ja protsessikatseid 5B70 materjaliga, täiustanud ja itereerinud 5A06 konstruktsioonimaterjalide valiku skeemi ning on hakanud 5B70 alumiiniumsulamit rakendama kosmosejaama suletud salongi ja tagasikabiini üldise tugevdatud seinapaneelide põhistruktuurile. Survestatud salongi plaatkonstruktsiooni üldine seinapaneel on konstrueeritud naha ja tugevdusribide kombinatsiooniga, saavutades suurema konstruktsioonilise integratsiooni ja kaalu optimeerimise. Parandades üldist jäikust ja tugevust, vähendab see ühenduskomponentide arvu ja keerukust, vähendades seeläbi veelgi kaalu ja säilitades samal ajal kõrge jõudluse. 5B70 materjalitehnika rakendamise edendamisega on ... 5B70 materjali nõudlus suureneb järk-järgult ja ületab minimaalse tarnekünnise, mis aitab tagada pideva tootmise ja tooraine stabiilse kvaliteedi ning vähendab oluliselt tooraine hindu. Nagu varem mainitud, kuigi paljusid alumiiniumisulamite omadusi on skandiumi mikrolegeerimise abil parandatud, piiravad skandiumi kõrge hind ja nappus alumiiniumskandiumisulamite kasutusala. Võrreldes alumiiniumisulamite materjalidega nagu AlCu, AlZn, AlZnMg, on skandiumi sisaldavatel alumiiniumisulamitel head terviklikud mehaanilised omadused, korrosioonikindlus ja suurepärased töötlemisomadused, mis annab neile laialdased rakendusvõimalused tööstusharude, näiteks lennunduse ja kosmosetööstuse peamiste konstruktsioonielementide tootmisel. Skandiumi mikrolegeerimise tehnoloogia uuringute pideva süvenemise ning tarneahela ja tööstusahela vastavuse parandamisega paranevad järk-järgult skandiumalumiiniumsulamite laiaulatuslikku tööstuslikku kasutamist piiravad hinna- ja kulutegurid. Alumiiniumskandiumisulamite head terviklikud mehaanilised omadused, korrosioonikindlus ja suurepärased töötlemisomadused annavad neile selged konstruktsioonikaalu vähendamise eelised ja laia rakenduspotentsiaali lennundusseadmete tootmise valdkonnas.
Postituse aeg: 29. okt 2024