Com a aliatge lleuger que és crucial per als equips de transport de l'aviació, les propietats mecàniques macroscòpiques de l'aliatge d'alumini estan estretament relacionades amb la seva microestructura. Si es canvia els principals elements d’aliatge en l’estructura d’aliatge d’alumini, es pot alterar la microestructura de l’aliatge d’alumini i es poden millorar significativament les propietats mecàniques macroscòpiques i altres propietats (com la resistència a la corrosió i el rendiment de soldadura) del material. Fins ara, el microal·loia s’ha convertit en l’estratègia de desenvolupament tecnològic més prometedora per optimitzar la microestructura d’aliatges d’alumini i millorar les propietats completes dels materials d’aliatge d’alumini.Escandi(SC) és el potenciador més eficaç de l'element de microalimentació conegut per aliatges d'alumini. La solubilitat de l’escandium en la matriu d’alumini és inferior al 0,35%en pes, afegint traça quantitats d’element d’escandium als aliatges d’alumini pot millorar eficaçment la seva microestructura, millorar de forma exhaustiva la seva força, duresa, plasticitat, estabilitat tèrmica i resistència a la corrosió. Scandium té múltiples efectes físics en aliatges d’alumini, incloent l’enfortiment de solucions sòlides, l’enfortiment de les partícules i la inhibició de la recristalització. Aquest article introduirà el desenvolupament històric, els darrers avenços i les possibles aplicacions d’escandi que contenen aliatges d’alumini en el camp de la fabricació d’equips d’aviació.
Investigació i desenvolupament d'aliatge d'alumini Scandium
L’addició d’escandium com a element d’aliatge als aliatges d’alumini es pot remuntar als anys seixanta. Aleshores, la major part dels treballs es van dur a terme en sistemes binaris Al Sc i Ternary Almg SC. A la dècada de 1970, l’Institut Baykov de Metal·lúrgia i Ciències de Materials de l’Acadèmia Soviètica de Ciències i l’Institut All Russa de la Recerca d’Aliatge Llum va realitzar un estudi sistemàtic sobre la forma i el mecanisme d’escandi en aliatges d’alumini. Després de gairebé quaranta anys d’esforç, 14 graus d’aliatges d’alumini s’han desenvolupat en tres sèries importants (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn MG SC). La solubilitat dels àtoms d’escandi en l’alumini és baixa i, mitjançant processos de tractament tèrmic adequats, es pot precipitar els precipitats nano de nano d’alta densitat. Aquesta fase de precipitació és gairebé esfèrica, amb partícules petites i distribució dispersa, i té una bona relació coherent amb la matriu d'alumini, que pot millorar molt la força de la temperatura ambient dels aliatges d'alumini. A més, els precipitats nano al3SC tenen una bona estabilitat tèrmica i una resistència a l’enfonsament a altes temperatures (dins de 400 ℃), que és extremadament beneficiosa per a la forta resistència a la calor de l’aliatge. En russos, aliatges d’alumini escandi, 1570 Alloy ha cridat molta atenció a causa de la seva màxima força i aplicació més àmplia. Aquest aliatge presenta un excel·lent rendiment en el rang de temperatura de treball de -196 a 70 ℃ i té una superplàstica natural, que pot substituir l’aliatge d’alumini LF6 (un aliatge d’alumini magnesi compost principalment d’alumini, magnesi, coure, manganès i silici) per a estructures de soldadura per a la càrrega en un medi d’oxigen líquid, amb un rendiment significativament millorat. A més, Rússia també ha desenvolupat aliatges de magnesi de zinc alumini, representats el 1970, amb una resistència material de més de 500MPa.
L'estat d'industrialització deAliatge d'alumini scandium
El 2015, la Unió Europea va publicar el "full de ruta europeu metal·lúrgic: perspectives per als fabricants i usuaris finals", proposant estudiar la soldabilitat de l'aluminiAliatges de magnesi Scandium. Al setembre del 2020, la Unió Europea va publicar una llista de 29 recursos minerals clau, inclòs Scandium. L’aliatge de 5024H116 d’alumini magnesi scandium desenvolupat per alumini ALE a Alemanya té una resistència mitjana a alta i una alta tolerància als danys, cosa que el converteix en un material molt prometedor per a la pell del fuselatge. Es pot utilitzar per substituir els aliatges tradicionals d'alumini de la sèrie 2xxx i s'ha inclòs al llibre de contractació de materials AIMS03-03-055 d'Airbus. El 5028 és un grau millorat de 5024, adequat per a soldadura làser i soldadura de fricció. Pot aconseguir el procés de formació de creep de panells de paret integral hiperbòlic, resistent a la corrosió i que no requereix un recobriment d'alumini. En comparació amb 2524 aliatge, l'estructura general del panell de la paret del fuselatge pot aconseguir una reducció del pes estructural del 5%. La fulla d'aliatge d'alumini AA5024-H116 produïda per AILI Alumini Company s'ha utilitzat per fabricar components estructurals de fuselatge d'avions i naus espacials. El gruix típic de la làmina d’aliatge AA5024-H116 és d’1,6 mm a 8,0 mm i, a causa de la seva baixa densitat, propietats mecàniques moderades, alta resistència a la corrosió i desviació dimensional estricta, pot substituir 2524 aliatges com a material de pell de fuselatge. Actualment, el full d’aliatge AA5024-H116 ha estat certificat per Airbus AIMS03-04-055. Al desembre de 2018, el Ministeri d’Indústria i Tecnologies de la Informació de la Xina va publicar el “catàleg guia per al primer lot de demostracions d’aplicacions secundàries de nous materials clau (edició 2018)”, que incloïa “òxid d’escandium d’alta puresa” al catàleg de desenvolupament de la nova indústria de materials. El 2019, el Ministeri d’Indústria i Tecnologies de la Informació de la Xina va publicar el “Catàleg Guiding per al primer lot d’aplicacions demostratives de nous materials clau (edició 2019)”, que incloïa “SC que contenia materials de processament d’alumini d’alumini i cables de soldadura Al Si SC” al catàleg de desenvolupament de la nova indústria de materials. China Alumini Group Northeast Light Alloy ha desenvolupat un aliatge AL MG SC ZR 5B70 que conté escandi i zirconi. En comparació amb l’aliatge tradicional de la sèrie AL MG 5083 sense escandi i zirconi, el seu rendiment i la seva resistència a la tracció han augmentat més d’un 30%. A més, l'aliatge Al Mg SC Zr pot mantenir una resistència a la corrosió comparable a l'aliatge 5083. Actualment, les principals empreses domèstiques amb grau industrialAliatge d'alumini scandiumLa capacitat de producció és Northeast Light Alloy Company i Southwest Alumini Industry. La làmina d’aliatge d’alumini de 5B70 de mida gran desenvolupada per Northeast Light Alloy Co., Ltd. pot subministrar grans plaques gruixudes d’alumini d’alumini amb un gruix màxim de 70 mm i una amplada màxima de 3500mm; Els productes de fitxa prima i els productes de perfil es poden personalitzar per a la producció, amb un rang de gruix de 2mm a 6mm i una amplada màxima de 1500mm. L’alumini del sud -oest ha desenvolupat de forma independent el material de 5K40 i ha avançat significativament en el desenvolupament de plaques primes. AL ZN MG ALLOY és un aliatge d’enduriment de temps amb alta resistència, bon rendiment de processament i un excel·lent rendiment de soldadura. És un material estructural indispensable i important en vehicles de transport actuals com els avions. Sobre la base de Alzn Mg soldable de força mitjana, afegir nanopartícules de scandium i aliatge de zirconi pot formar nanopartícules AL3 (SC, ZR) a la microestructura, millorant significativament les propietats mecàniques i la resistència a la corrosió de l'estrès de l'aliatge. El Langley Research Center de la NASA ha desenvolupat un aliatge ternari alumini scandium amb el grau C557, que està a punt per aplicar -se en missions de model. La força estàtica, la propagació de les fissures i la duresa de la fractura d’aquest aliatge a baixa temperatura (-200 ℃), la temperatura ambient i la temperatura alta (107 ℃) són totes iguals o millors que les de 2524 aliatge. La Universitat del Nord-Oest dels Estats Units ha desenvolupat l'aliatge d'alumini de la sèrie ALZN MG ALLOY 7000 Sèrie 7000, amb una resistència a la tensa de fins a 680MPa. S'ha format un patró de desenvolupament articular entre l'aliatge d'escandium d'alumini d'alta resistència mitjana i la força ultra-alta Al Zn Mg SC. Aliatge Al Zn Mg Cu SC és un aliatge d'alumini de gran resistència amb una resistència a la tracció superior a 800 MPa. Actualment, la composició nominal i els paràmetres bàsics de rendiment de les notes principals deAliatge d'alumini scandiumes resumeixen de la manera següent, tal com es mostra a les taules 1 i 2.
Taula 1 | Composició nominal de l'aliatge d'alumini
Taula 2 | Microstructura i propietats de tracció de l'aliatge d'alumini scandium
Perspectives d’aplicació d’aliatge d’alumini scandium
Els aliatges d'alta resistència al Zn Mg Cu Sc i Al Culi SC s'han aplicat als components estructurals portadors de càrrega, inclosos els avions russos MIG-21 i MIG-29. El quadre de comandament de la nau espacial russa "Mart-1" està fabricat en aliatge de 1570 alumini d'alumini, amb una reducció total del pes del 20%. Els components que porten la càrrega del mòdul d’instruments de la nau espacial MARS-96 estan fabricats amb aliatge d’alumini de 1970 que conté escandi, reduint el pes del mòdul d’instruments en un 10%. Al programa "Clean Sky" i al projecte "Ruta de vol 2050" de la UE, Airbus va realitzar un disseny integrat de portes de càrrega de càrrega, investigació i desenvolupament, fabricació i proves d'instal·lació per a avions A321 basats en l'aliatge d'alumini d'alumini A321 de grau successor de 5024 aliatge d'alumini. Els aliatges d'alumini scandium representats per AA5028 van demostrar un excel·lent rendiment de processament i soldadura. Utilitzant tècniques de soldadura avançades com ara soldadura per agitació de fricció i soldadura làser per aconseguir una connexió fiable d’escandium que conté materials d’aliatge d’alumini. La implementació gradual de "soldadura en lloc de rebliment" en les estructures de plaques primes reforçades a l'aeronau no només manté la consistència de materials d'avió i integritat estructural, aconseguint una fabricació eficient i de baix cost, sinó que també té efectes de reducció i segellat de pes. La investigació d’aplicacions d’alumini scandium 5b70 per part de l’Institut de Recerca de Materials Especials de la Xina Aeroespacial ha passat a través de les tecnologies de filatura forta de components de gruix variable de la paret, control de la resistència a la corrosió i la concordança de força i el control de l’estrès residual de soldadura. Ha preparat un filferro de soldadura adaptativa d’alumini d’alumini i el coeficient de resistència articular de la soldadura de l’agitació de fricció per a plaques gruixudes de l’aliatge pot arribar a 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University i altres han realitzat proves de rendiment mecànic extensos i experiments de processos en el material 5B70, actualitzat i iterat l’esquema de selecció de materials estructurals per a 5A06 i han començat a aplicar l’aliatge d’alumini 5B70 a l’estructura principal de la paret reforçada general de la cabina segellada de l’estació espacial i retornar la cabina. El panell de paret general de l'estructura de la placa està dissenyada amb una combinació de costelles de pell i reforç, aconseguint una integració estructural i una optimització de pes més elevada. Tot i que millora la rigidesa i la força global, redueix el nombre i la complexitat dels components de connexió, reduint encara més el pes mantenint un alt rendiment. Amb la promoció de l’aplicació de l’enginyeria de materials 5B70, l’ús de material 5B70 augmentarà i superarà gradualment el llindar mínim de subministrament, cosa que ajudarà a garantir la producció contínua i la qualitat estable de les matèries primeres i reduirà significativament els preus de matèries primeres. Com s'ha esmentat anteriorment, tot i que moltes propietats dels aliatges d'alumini s'han millorat a través de la microalimentació d'escandi, l'elevat preu i l'escassetat de l'escandium limiten la gamma d'aplicacions d'aliatges d'alumini. En comparació amb materials d’aliatge d’alumini com Al Cu, Al Zn, Al Znmg, Scandium que contenen materials d’aliatge d’alumini tenen bones propietats mecàniques completes, resistència a la corrosió i excel·lents característiques de processament, que els fan tenir perspectives d’aplicació àmplies en la fabricació de components estructurals principals en camps industrials com ara l’aerospace. Amb l’aprofundiment continu de la investigació sobre la tecnologia de microalimentació de Scandium i la millora de la concordança de la cadena de subministrament i la cadena industrial, els factors de preu i cost que restringeixen l’aplicació industrial a gran escala d’aliatges d’alumini d’escandi milloraran gradualment. Les bones propietats mecàniques completes, la resistència a la corrosió i les excel·lents característiques de processament dels aliatges d’alumini escandi els fan que tinguin clars avantatges de reducció de pes estructural i un ampli potencial d’aplicació en el camp de la fabricació d’equips d’aviació.
Posada Posada: 29-2024 d'octubre