Como aliaxe lixeira crucial para os equipos de transporte aéreo, as propiedades mecánicas macroscópicas da aliaxe de aluminio están estreitamente relacionadas coa súa microestrutura. Ao cambiar os principais elementos de aliaxe na estrutura da aliaxe de aluminio, pódese alterar a microestrutura da aliaxe de aluminio e mellorar significativamente as propiedades mecánicas macroscópicas e outras propiedades (como a resistencia á corrosión e o rendemento de soldadura) do material. Ata o de agora, a microaliaxe converteuse na estratexia de desenvolvemento tecnolóxico máis prometedora para optimizar a microestrutura das aliaxes de aluminio e mellorar as propiedades integrais dos materiais de aliaxe de aluminio.Escandio(Sc) é o potenciador de elementos de microaliaxe máis eficaz coñecido para as aliaxes de aluminio. A solubilidade do escandio na matriz de aluminio é inferior ao 0,35 % en peso. Engadir cantidades residuais de elemento de escandio ás aliaxes de aluminio pode mellorar eficazmente a súa microestrutura, aumentando de forma integral a súa resistencia, dureza, plasticidade, estabilidade térmica e resistencia á corrosión. O escandio ten múltiples efectos físicos nas aliaxes de aluminio, incluíndo o fortalecemento en solución sólida, o fortalecemento de partículas e a inhibición da recristalización. Este artigo presentará o desenvolvemento histórico, os últimos progresos e as posibles aplicacións das aliaxes de aluminio que conteñen escandio no campo da fabricación de equipos de aviación.
Investigación e desenvolvemento de aliaxe de aluminio e escandio
A adición de escandio como elemento de aliaxe ás aliaxes de aluminio remóntase á década de 1960. Naquel momento, a maior parte do traballo levábase a cabo en sistemas de aliaxes binarios de Al-Sc e ternarios de Al-Mg-Sc. Na década de 1970, o Instituto Baykov de Metalurxia e Ciencia dos Materiais da Academia Soviética de Ciencias e o Instituto de Investigación de Ligas Lixeiras de toda Rusia realizaron un estudo sistemático sobre a forma e o mecanismo do escandio nas aliaxes de aluminio. Tras case corenta anos de esforzo, desenvolvéronse 14 graos de aliaxes de aluminio e escandio en tres series principais (Al-Mg-Sc, Al-Li-Sc, Al-Zn-Mg-Sc). A solubilidade dos átomos de escandio no aluminio é baixa e, mediante o uso de procesos de tratamento térmico axeitados, pódense precipitar nanoprecipitados de Al3Sc de alta densidade. Esta fase de precipitación é case esférica, con partículas pequenas e distribución dispersa, e ten unha boa relación coherente coa matriz de aluminio, o que pode mellorar en gran medida a resistencia á temperatura ambiente das aliaxes de aluminio. Ademais, os nanoprecipitados de Al3Sc teñen boa estabilidade térmica e resistencia á formación de grumos a altas temperaturas (dentro dos 400 ℃), o que é extremadamente beneficioso para a forte resistencia á calor da aliaxe. Nas aliaxes de aluminio e escandio fabricadas en Rusia, a aliaxe 1570 atraeu moita atención debido á súa maior resistencia e á súa ampla aplicación. Esta aliaxe presenta un excelente rendemento no rango de temperatura de traballo de -196 ℃ a 70 ℃ e ten superplasticidade natural, que pode substituír a aliaxe de aluminio LF6 fabricada en Rusia (unha aliaxe de aluminio e magnesio composta principalmente por aluminio, magnesio, cobre, manganeso e silicio) para estruturas de soldadura portantes en medio de osíxeno líquido, cun rendemento significativamente mellorado. Ademais, Rusia tamén desenvolveu aliaxes de aluminio, cinc e magnesio e escandio, representadas por 1970, cunha resistencia do material de máis de 500 MPa.
O estado da industrialización deAleación de aluminio e escandio
En 2015, a Unión Europea publicou a “Folla de ruta metalúrxica europea: perspectivas para fabricantes e usuarios finais”, na que se propuxo estudar a soldabilidade do aluminio.aliaxes de magnesio e escandioEn setembro de 2020, a Unión Europea publicou unha lista de 29 recursos minerais clave, incluído o escandio. A aliaxe de aluminio, magnesio e escandio 5024H116, desenvolvida por Ale Aluminum en Alemaña, ten unha resistencia de media a alta e unha alta tolerancia aos danos, o que a converte nun material moi prometedor para o revestimento da fuselaxe. Pode empregarse para substituír as aliaxes de aluminio tradicionais da serie 2xxx e foi incluída no libro de adquisición de materiais AIMS03-01-055 de Airbus. O 5028 é un grao mellorado do 5024, axeitado para a soldadura por láser e a soldadura por fricción-agitación. Pode lograr o proceso de conformado por fluencia de paneis de parede integrais hiperbólicos, que son resistentes á corrosión e non requiren revestimento de aluminio. En comparación coa aliaxe 2524, a estrutura xeral do panel de parede da fuselaxe pode lograr unha redución do peso estrutural do 5 %. A folla de aliaxe de aluminio e escandio AA5024-H116 producida por Aili Aluminum Company utilizouse para fabricar compoñentes estruturais de fuselaxes de aeronaves e naves espaciais. O grosor típico da lámina de aliaxe AA5024-H116 é de 1,6 mm a 8,0 mm e, debido á súa baixa densidade, propiedades mecánicas moderadas, alta resistencia á corrosión e estrita desviación dimensional, pode substituír a aliaxe 2524 como material de revestimento da fuselaxe. Actualmente, a lámina de aliaxe AA5024-H116 foi certificada por Airbus AIMS03-04-055. En decembro de 2018, o Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información de China publicou o "Catálogo guía para o primeiro lote de demostracións de aplicacións secundarias de novos materiais clave (edición de 2018)", que incluía "óxido de escandio de alta pureza" no catálogo de desenvolvemento da industria de novos materiais. En 2019, o Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información de China publicou o "Catálogo guía para o primeiro lote de aplicacións de demostración de novos materiais clave (edición de 2019)", que incluía "materiais de procesamento de aliaxe de aluminio que conteñen Sc e fíos de soldadura Al Si Sc" no catálogo de desenvolvemento da industria de novos materiais. China Aluminum Group Northeast Light Alloy desenvolveu unha aliaxe de AlMgScZr da serie 5B70 que contén escandio e circonio. En comparación coa aliaxe tradicional de AlMg da serie 5083 sen escandio nin circonio, a súa resistencia á tracción e o seu rendemento aumentaron en máis dun 30 %. Ademais, a aliaxe de AlMgScZr pode manter unha resistencia á corrosión comparable á da aliaxe 5083. Na actualidade, as principais empresas nacionais con produtos de grao industrial...aliaxe de aluminio e escandioA capacidade de produción son Northeast Light Alloy Company e Southwest Aluminum Industry. A lámina de aliaxe de aluminio-escandio 5B70 de gran tamaño desenvolvida por Northeast Light Alloy Co., Ltd. pode subministrar placas grosas de aliaxe de aluminio grandes cun grosor máximo de 70 mm e unha anchura máxima de 3500 mm; Os produtos de lámina fina e os produtos de perfil pódense personalizar para a produción, cun rango de grosor de 2 mm a 6 mm e unha anchura máxima de 1500 mm. Southwest Aluminum desenvolveu de forma independente o material 5K40 e fixo progresos significativos no desenvolvemento de placas finas. A aliaxe Al Zn Mg é unha aliaxe de endurecemento temporal con alta resistencia, bo rendemento de procesamento e excelente rendemento de soldadura. É un material estrutural indispensable e importante nos vehículos de transporte actuais, como os avións. Baseándose no AlZn Mg soldable de resistencia media, a adición de elementos de aliaxe de escandio e circonio pode formar nanopartículas de Al3 (Sc, Zr) pequenas e dispersas na microestrutura, mellorando significativamente as propiedades mecánicas e a resistencia á corrosión baixo tensión da aliaxe. O Centro de Investigación Langley da NASA desenvolveu unha aliaxe ternaria de aluminio-escandio coa calidade C557, que está lista para ser aplicada en misións de modelo. A resistencia estática, a propagación de gretas e a tenacidade á fractura desta aliaxe a baixa temperatura (-200 ℃), temperatura ambiente e alta temperatura (107 ℃) son iguais ou mellores que as da aliaxe 2524. A Universidade Northwestern dos Estados Unidos desenvolveu a aliaxe de aluminio de ultra alta resistencia da serie 7000 da aliaxe AlZnMgSc, cunha resistencia á tracción de ata 680 MPa. Formouse un patrón de desenvolvemento conxunto entre a aliaxe de aluminio-escandio de resistencia media-alta e o AlZnMgSc de ultra alta resistencia. A aliaxe AlZnMgCuSc é unha aliaxe de aluminio de alta resistencia cunha resistencia á tracción superior a 800 MPa. Na actualidade, a composición nominal e os parámetros básicos de rendemento dos principais graos dealiaxe de aluminio e escandioresúmense do seguinte xeito, como se mostra nas táboas 1 e 2.
Táboa 1 | Composición nominal da aliaxe de aluminio e escandio
Táboa 2 | Microestrutura e propiedades de tracción da aliaxe de aluminio e escandio
Perspectivas de aplicación da aliaxe de aluminio e escandio
As aliaxes de alta resistencia Al Zn Mg Cu Sc e Al CuLi Sc aplicáronse a compoñentes estruturais portantes, incluídos os avións de combate rusos MiG-21 e MiG-29. O taboleiro da nave espacial rusa "Mars-1" está feito dunha aliaxe de aluminio escandio 1570, cunha redución de peso total do 20 %. Os compoñentes de soporte de carga do módulo de instrumentos da nave espacial Mars-96 están feitos dunha aliaxe de aluminio 1970 que contén escandio, o que reduce o peso do módulo de instrumentos nun 10 %. No programa "Clean Sky" e no proxecto "2050 Flight Route" da UE, Airbus realizou voos de proba integrados de deseño de portas de bodega, investigación e desenvolvemento, fabricación e instalación para avións A321 baseados na aliaxe de aluminio escandio de grao sucesor AA5028-H116 da aliaxe de aluminio escandio 5024. As aliaxes de aluminio escandio representadas por AA5028 demostraron un excelente rendemento de procesamento e soldadura. Utilizando técnicas avanzadas de soldadura, como a soldadura por fricción-agitación e a soldadura por láser, conseguiuse unha conexión fiable de materiais de aliaxe de aluminio que conteñen escandio. A implementación gradual da "soldadura en lugar de remaches" en estruturas de placas finas reforzadas con aeronaves non só mantén a consistencia dos materiais da aeronave e a integridade estrutural, conseguindo unha fabricación eficiente e de baixo custo, senón que tamén ten efectos de redución de peso e selado. A investigación de aplicacións da aliaxe de aluminio-escandio 5B70 levada a cabo polo Instituto de Investigación de Materiais Especiais Aeroespaciais de China deu un paso adiante nas tecnoloxías de fiación forte de compoñentes de espesor de parede variable, control da resistencia á corrosión e a adaptación da resistencia, e control da tensión residual da soldadura. Preparou un fío de soldadura adaptativo de aliaxe de aluminio-escandio, e o coeficiente de resistencia da unión da soldadura por fricción-agitación para placas grosas na aliaxe pode alcanzar 0,92. A Academia Chinesa de Tecnoloxía Espacial, a Universidade Central do Sur e outros realizaron extensas probas de rendemento mecánico e experimentos de proceso no material 5B70, actualizaron e iteraron o esquema de selección de material estrutural para 5A06 e comezaron a aplicar a aliaxe de aluminio 5B70 á estrutura principal dos paneis de parede reforzados xerais da cabina selada e da cabina de retorno da estación espacial. O panel de parede xeral da cabina presurizada con estrutura de placas está deseñado cunha combinación de pel e nervaduras de reforzo, conseguindo unha maior integración estrutural e optimización do peso. Ao mellorar a rixidez e a resistencia xerais, redúcese o número e a complexidade dos compoñentes de conexión, reducindo así aínda máis o peso e mantendo un alto rendemento. Coa promoción da aplicación da enxeñaría de materiais 5B70, o uso do material 5B70... aumentar e superar gradualmente o limiar mínimo de subministración, o que axudará a garantir a produción continua e a calidade estable das materias primas e reducirá significativamente os prezos das materias primas. Como se mencionou anteriormente, aínda que moitas propiedades das aliaxes de aluminio melloraron mediante a microaliaxe de escandio, o alto prezo e a escaseza do escandio limitan o rango de aplicación das aliaxes de aluminio e escandio. En comparación cos materiais de aliaxe de aluminio como Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, os materiais de aliaxe de aluminio que conteñen escandio teñen boas propiedades mecánicas integrais, resistencia á corrosión e excelentes características de procesamento, o que lles fai ter amplas perspectivas de aplicación na fabricación de principais compoñentes estruturais en campos industriais como o aeroespacial. Coa continua profundización da investigación sobre a tecnoloxía de microaliaxe de escandio e a mellora da correspondencia da cadea de subministración e a cadea industrial, os factores de prezo e custo que restrinxen a aplicación industrial a grande escala das aliaxes de aluminio e escandio mellorarán gradualmente. As boas propiedades mecánicas integrais, a resistencia á corrosión e as excelentes características de procesamento das aliaxes de aluminio e escandio fan que teñan claras vantaxes de redución de peso estrutural e un amplo potencial de aplicación no campo da fabricación de equipos de aviación.
Data de publicación: 29 de outubro de 2024