Como unha aleación lixeira que é crucial para os equipos de transporte de aviación, as propiedades mecánicas macroscópicas da aleación 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 as propiedades mecánicas macroscópicas e outras propiedades (como a resistencia á corrosión e o rendemento de soldadura) do material poden mellorarse significativamente. Ata o de agora, a microaloga converteuse na estratexia de desenvolvemento tecnolóxico máis prometedora para optimizar a microestrutura das aliaxes de aluminio e mellorar as propiedades completas dos materiais de aliaxe de aluminio.Scandium(SC) é o potenciador de elementos de microaloga máis eficaz coñecido polas aliaxes de aluminio. A solubilidade do escandio na matriz de aluminio é inferior ao 0,35%en peso, engadindo cantidades de rastro de elemento escandio ás aliaxes de aluminio pode mellorar eficazmente a súa microestrutura, mellorar de xeito exhaustivo a súa forza, dureza, plasticidade, estabilidade térmica e resistencia á corrosión. Scandium ten múltiples efectos físicos nas aliaxes de aluminio, incluído o fortalecemento da solución sólida, o fortalecemento de partículas e a inhibición da recristalización. Este artigo introducirá o desenvolvemento histórico, os últimos progresos e as aplicacións potenciais de Scandium que conteñen aliaxes de aluminio no campo da fabricación de equipos de aviación.
Investigación e desenvolvemento da aleación do scandium de aluminio
A adición de Scandium como elemento de aliaxe ás aliaxes de aluminio pódese remontar aos anos 60. Naquel momento, a maior parte do traballo levouse a cabo nos sistemas binarios de Al e Ternary Almg SC. Na década de 1970, o Instituto de Metalurxia e Ciencias dos Materiais da Academia Soviética de Ciencias e o Instituto Ruso de Investigación de Aliaxe Light realizaron un estudo sistemático sobre a forma e o mecanismo de escandio nas aliaxes de aluminio. Despois de case corenta anos de esforzo, desenvolvéronse 14 graos de aliaxes de scandium de aluminio en tres grandes series (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn MG SC). A solubilidade dos átomos de escandio no aluminio é baixa e, ao usar procesos de tratamento térmico apropiados, pódense precipitar os precipitados de Al3SC de alta densidade AL3SC. 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 moito a resistencia á temperatura ambiente das aliaxes de aluminio. Ademais, os precipitados de Nano AL3SC teñen boa estabilidade térmica e resistencia ao abrigo a altas temperaturas (dentro de 400 ℃), o que é extremadamente beneficioso para a forte resistencia á calor da aleación. Nas aliaxes de scandium de aluminio feitas de aluminio, a aleación de 1570 chamou moita atención debido á súa maior forza e aplicación máis ampla. Esta aliaxe presenta un excelente rendemento no rango de temperatura de traballo de -196 ℃ a 70 ℃ e ten superplasticidade natural, que pode substituír a aleación de aluminio LF6 feita rusa (unha aliaxe de magnesio de aluminio composta principalmente por estruturas de aluminio, magnesio, cobre, manganeso e silicio) para a condución de carga de carga, con manganeso, con medio de manganeso. Ademais, Rusia tamén desenvolveu aliaxes de scandium de magnesio en aluminio, representadas por 1970, cunha forza material de máis de 500MPa.
O estado de industrialización deAleación de scandium de aluminio
En 2015, a Unión Europea lanzou a "folla de ruta metalúrxica europea: perspectivas para fabricantes e usuarios finais", propoñendo estudar a soldabilidade do aluminioAleacións de Scandium de magnesio. En setembro de 2020, a Unión Europea lanzou unha lista de 29 recursos minerais clave, incluído Scandium. A aliaxe de escandio de magnesio de aluminio 5024H116 desenvolvida por aluminio ALE en Alemaña ten unha forza de media a alta e alta tolerancia ao dano, o que o converte nun material moi prometedor para a pel de fuselaxe. Pódese usar para substituír as aliaxes tradicionais de aluminio da serie 2xxx e incluíuse no libro de compra de materiais AIGS03-01-055 de Airbus. 5028 é un grao mellorado de 5024, adecuado para soldadura por láser e soldadura de axitación de fricción. Pode alcanzar o proceso de formación de fluxos de paneis de parede integral hiperbólica, que é resistente á corrosión e non require revestimento de aluminio. En comparación coa aliaxe 2524, a estrutura global do panel da parede da fuselaxe pode conseguir unha redución de peso estrutural do 5%. A folla de aliaxe de aluminio AA5024-H116 producida por Aili Aluminum Company utilizouse para fabricar compoñentes estruturais de fuselaxe de avións e naves espaciais. O grosor típico da folla 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 desviación dimensional estrita, pode substituír a aliaxe 2524 como material de pel de fuselaxe. Actualmente, a folla de aliaxe AA5024-H116 foi certificada por Airbus AIMS03-04-055. En decembro de 2018, o Ministerio de Industria e Tecnoloxías da Información de China lanzou o "Catálogo Guiding para o primeiro lote de demostracións de aplicacións secundarias de Key New Materials (Edición 2018)", que incluíu "óxido de scandium de alta pureza" no catálogo de desenvolvemento da nova industria de materiais. En 2019, o Ministerio de Industria e Tecnoloxía da Información de China lanzou o "Catálogo Guiding para o primeiro lote de aplicacións de demostración de Key New Materials (2019 Edition)", que incluíu "SC que contiña materiais de procesamento de aliaxe de aluminio e fíos de soldadura Al Si SC" no catálogo de desenvolvemento da nova industria de materiais. O grupo de aluminio China Aleación luminosa do nordés desenvolveu unha aleación de Al Mg SC Zr Series 5B70 que contén escandio e circonio. En comparación coa aleación tradicional de Al Mg Series 5083 sen escandio e circonio, o seu rendemento e resistencia á tracción aumentaron máis dun 30%. Ademais, a aleación de Al Mg SC Zr pode manter unha resistencia á corrosión comparable á aleación 5083. Na actualidade, as principais empresas domésticas con grao industrialAleación de scandium de aluminioA capacidade de produción son a compañía de aliaxe de luz do nordés e a industria do suroeste de aluminio. A folla de aliaxe de scandium de aluminio de gran tamaño 5B70 desenvolvida por Northeast Light Alloy Co., Ltd. pode fornecer placas grosas de aliaxe de aluminio grandes cun grosor máximo de 70 mm e un ancho máximo de 3500 mm; Os produtos de follas finas e os produtos de perfil pódense personalizar para a produción, cun rango de grosor de 2 mm a 6 mm e un ancho máximo de 1500 mm. O aluminio do suroeste desenvolveu de xeito independente o material 5K40 e avanzou significativamente no desenvolvemento de placas finas. Al Zn Mg Aleación é unha aliaxe de endurecemento do tempo 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. A partir de Alzn Mg soldable de resistencia media, engadindo elementos de aliaxe de escandio e circonio pode formar nanopartículas pequenas e dispersas AL3 (SC, ZR) na microestrutura, mellorando significativamente as propiedades mecánicas e a resistencia á corrosión da tensión da aleación. O Centro de Investigación de Langley da NASA desenvolveu unha aliaxe de escandio de aluminio ternario co grao C557, que está preparado para aplicarse en misións de modelos. A resistencia estática, a propagación do crack e a dureza da fractura desta aliaxe a baixa temperatura (-200 ℃), a temperatura ambiente e a alta temperatura (107 ℃) son iguais ou mellores que as de 2524 aliaxes. A Universidade do Noroeste dos Estados Unidos desenvolveu a Alzn MG SC Alloy 7000 Series Ultra-High Alloy de aluminio, cunha resistencia á tracción de ata 680MPA. Formouse un patrón de desenvolvemento conxunto entre aliaxe de scandium de aluminio de alta resistencia media e ultra-alta resistencia ao Zn Mg SC. Al Zn Mg Cu SC Aleación 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 das principais notas deAleación de scandium de aluminioresúmense do seguinte xeito, como se mostra nas táboas 1 e 2.
Táboa 1 | Composición nominal da aliaxe de scandium de aluminio
Táboa 2 | Propiedades de microestrutura e tracción da aliaxe de scandium de aluminio
Perspectivas de aplicación da aliaxe de aluminio Scandium
Alia de alta resistencia Al Zn Mg Cu SC e Al Culi SC Aplicáronse a compoñentes estruturais portadores de carga, incluídos os aviones de caza MIG-21 rusos e MIG-29. O panel da nave espacial rusa "Mars-1" está feito de 1570 aliaxe de scandium de aluminio, cunha redución total de peso do 20%. Os compoñentes de carga do módulo de instrumentos da nave espacial Mars-96 están feitos de aleación de aluminio de 1970 que contén Scandium, reducindo o peso do módulo de instrumentos nun 10%. No programa "Clean Sky" e o proxecto "Ruta de voo 2050" da UE, Airbus realizou voos de proba de portas de entrada, investigación e desenvolvemento, fabricación e instalación integrados de carga de porta para avións A321 baseados na alia de aluminio AA5028-H116 de aluminio ALUMINIUM ALOMINIO ALUMINIUM SCECEcor Grade AA5028-H116. As aliaxes de scandio de aluminio representadas por AA5028 demostraron un excelente procesamento e desempeño de soldadura. Empregando técnicas avanzadas de soldadura como a soldadura de fricción e a soldadura por láser para conseguir unha conexión fiable de escandio que contén materiais de aliaxe de aluminio. A implementación gradual de "soldadura en lugar de remaches" nas estruturas de placas finas reforzadas por avións non só mantén a coherencia de materiais de aeronaves e integridade estrutural, logrando unha fabricación eficiente e de baixo custo, senón que tamén ten efectos de redución de peso e selado. A investigación de aplicacións de Aluminum Scandium 5B70 Aleación por China Aerospace Materials Special Materials Institute rompeu a través das tecnoloxías de forte fiación de compoñentes de grosor da parede variable, control da resistencia á corrosión e correspondencia de forza e control do estrés residual de soldadura. Preparou o fío de soldadura adaptativa de aliaxe de aluminio e o coeficiente de forza da articulación de soldadura de fricción para as placas grosas na aleación pode alcanzar 0,92. A Academia China de Tecnoloxía Espacial, a Central South University e outros realizaron probas de rendemento mecánico extensas e experimentos de proceso no material 5B70, actualizou e iterou o esquema de selección de materiais estruturais para 5A06, e comezaron a aplicar a aliaxe de aluminio 5B70 á estrutura principal da cabina e a cabina selada da estación espacial. O panel de parede global da estrutura da placa a cabina presurizada está deseñada cunha combinación de pel e costelas de reforzo, conseguindo unha maior integración estrutural e optimización de peso. Aínda que mellora a rixidez e a forza global, reduce o número e a complexidade dos compoñentes de conexión, reducindo así o peso mantendo un alto rendemento. Coa promoción da aplicación de enxeñería de materiais 5B70, o uso de material 5B70 aumentará gradualmente e superará o limiar mínimo de subministración, o que axudará a garantir a produción continua e a calidade estable das materias primas e reducirán significativamente os prezos das materias primas. Como se mencionou anteriormente, aínda que se melloraron moitas propiedades das aliaxes de aluminio mediante a microaloga de escandio, o elevado prezo e a escaseza de Scandium limitan o rango de aplicacións de aliaxes de scandium de aluminio. En comparación con materiais de aliaxe de aluminio como Al Cu, Al Zn, Al Znmg, o escandio que contén materiais de aliaxe de aluminio teñen boas propiedades mecánicas completas, resistencia á corrosión e excelentes características de procesamento, que fan que teñan amplas perspectivas de aplicación na fabricación de compoñentes estruturais principais en campos industriais como aeropacial. Co afondamento continuo da investigación sobre a tecnoloxía de microaloga de escandio e a mellora da cadea de subministración e a correspondencia da cadea industrial, o prezo e os factores de custo que restrinxen a aplicación industrial a gran escala das aliaxes de aluminio escandio mellorará gradualmente. As boas propiedades mecánicas completas, a resistencia á corrosión e as excelentes características de procesamento das aliaxes de scandio de aluminio fan que teñan claras vantaxes de redución de peso estrutural e un amplo potencial de aplicación no campo da fabricación de equipos de aviación.
Tempo de publicación: outubro-29-2024