Com a aliatge lleuger crucial per als equips de transport aeri, les propietats mecàniques macroscòpiques de l'aliatge d'alumini estan estretament relacionades amb la seva microestructura. Canviant els principals elements d'aliatge en l'estructura de l'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, la microaliatge s'ha convertit en l'estratègia de desenvolupament tecnològic més prometedora per optimitzar la microestructura dels aliatges d'alumini i millorar les propietats integrals dels materials d'aliatge d'alumini.Escandi(Sc) és l'element potenciador de microaliatge més eficaç conegut per als aliatges d'alumini. La solubilitat de l'escandi en la matriu d'alumini és inferior al 0,35% en pes. Afegir traces d'element escandi als aliatges d'alumini pot millorar eficaçment la seva microestructura, augmentar completament la seva resistència, duresa, plasticitat, estabilitat tèrmica i resistència a la corrosió. L'escandi té múltiples efectes físics en els aliatges d'alumini, com ara l'enfortiment de solucions sòlides, l'enfortiment de partícules i la inhibició de la recristal·lització. Aquest article presentarà el desenvolupament històric, els darrers avenços i les possibles aplicacions dels aliatges d'alumini que contenen escandi en el camp de la fabricació d'equips d'aviació.
Recerca i desenvolupament d'aliatge d'alumini i escandi
L'addició d'escandi com a element d'aliatge als aliatges d'alumini es remunta a la dècada de 1960. En aquell moment, la major part del treball es va dur a terme en sistemes d'aliatges binaris d'Al-Sc i ternaris d'Al-Mg-Sc. A la dècada de 1970, l'Institut Baykov de Metal·lúrgia i Ciència de Materials de l'Acadèmia Soviètica de Ciències i l'Institut Rus de Recerca d'Aliatges Lleugers van dur a terme un estudi sistemàtic sobre la forma i el mecanisme de l'escandi en els aliatges d'alumini. Després de gairebé quaranta anys d'esforç, s'han desenvolupat 14 graus d'aliatges d'alumini i escandi en tres sèries principals (Al-Mg-Sc, Al-Li-Sc, Al-Zn-Mg-Sc). La solubilitat dels àtoms d'escandi en alumini és baixa i, mitjançant processos de tractament tèrmic adequats, es poden precipitar nanoprecipitats d'Al3Sc 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, cosa que pot millorar considerablement la resistència a temperatura ambient dels aliatges d'alumini. A més, els nanoprecipitats d'Al3Sc tenen una bona estabilitat tèrmica i resistència a l'engrossiment a altes temperatures (dins dels 400 ℃), cosa que és extremadament beneficiosa per a la forta resistència a la calor de l'aliatge. En els aliatges d'alumini i escandi fabricats a Rússia, l'aliatge 1570 ha atret molta atenció a causa de la seva màxima resistència i la seva àmplia aplicació. Aquest aliatge presenta un excel·lent rendiment en el rang de temperatura de treball de -196 ℃ a 70 ℃ i té una superplasticitat natural, que pot substituir l'aliatge d'alumini LF6 fabricat a Rússia (un aliatge d'alumini i magnesi compost principalment d'alumini, magnesi, coure, manganès i silici) per a estructures de soldadura portants en medi d'oxigen líquid, amb un rendiment significativament millorat. A més, Rússia també ha desenvolupat aliatges d'alumini, zinc i magnesi i escandi, representats per 1970, amb una resistència material de més de 500 MPa.
L'estat de la industrialització deAliatge d'alumini i escandi
El 2015, la Unió Europea va publicar la "Full de ruta metal·lúrgica europea: perspectives per a fabricants i usuaris finals", que proposava estudiar la soldabilitat de l'alumini.aliatges de magnesi i escandiEl setembre de 2020, la Unió Europea va publicar una llista de 29 recursos minerals clau, inclòs l'escandi. L'aliatge d'alumini, magnesi i escandi 5024H116 desenvolupat per Ale Aluminum a Alemanya té una resistència de mitjana a alta i una alta tolerància als danys, cosa que el converteix en un material molt prometedor per a la capa del fuselatge. Es pot utilitzar per substituir els aliatges d'alumini tradicionals de la sèrie 2xxx i s'ha inclòs al llibre de contractació de materials AIMS03-01-055 d'Airbus. El 5028 és un grau millorat del 5024, adequat per a la soldadura làser i la soldadura per fricció-agitació. Pot aconseguir el procés de conformació fluent de panells de paret integrals hiperbòlics, que és resistent a la corrosió i no requereix recobriment d'alumini. En comparació amb l'aliatge 2524, l'estructura general del panell de paret del fuselatge pot aconseguir una reducció del pes estructural del 5%. La làmina d'aliatge d'alumini i escandi AA5024-H116 produïda per Aili Aluminum 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 l'aliatge 2524 com a material de la pell del fuselatge. Actualment, la làmina d'aliatge AA5024-H116 ha estat certificada per Airbus AIMS03-04-055. El desembre de 2018, el Ministeri d'Indústria i Tecnologia 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'escandi d'alta puresa" al catàleg de desenvolupament de la indústria de nous materials. El 2019, el Ministeri d'Indústria i Tecnologia de la Informació de la Xina va publicar el "Catàleg guia per al primer lot d'aplicacions de demostració de nous materials clau (edició 2019)", que incloïa "materials de processament d'aliatges d'alumini que contenen Sc i cables de soldadura Al Si Sc" al catàleg de desenvolupament de la indústria de nous materials. China Aluminum Group Northeast Light Alloy ha desenvolupat un aliatge AlMgScZr sèrie 5B70 que conté escandi i zirconi. En comparació amb l'aliatge tradicional AlMg sèrie 5083 sense escandi ni zirconi, el seu rendiment i resistència a la tracció han augmentat en més d'un 30%. A més, l'aliatge AlMgScZr pot mantenir una resistència a la corrosió comparable a l'aliatge 5083. Actualment, les principals empreses nacionals amb productes de grau industrial...aliatge d'alumini i escandiLa capacitat de producció són Northeast Light Alloy Company i Southwest Aluminum Industry. La làmina d'aliatge d'escandi d'alumini 5B70 de grans dimensions desenvolupada per Northeast Light Alloy Co., Ltd. pot subministrar plaques gruixudes d'aliatge d'alumini grans amb un gruix màxim de 70 mm i una amplada màxima de 3500 mm; Els productes de làmina fina i els productes de perfil es poden personalitzar per a la producció, amb un rang de gruix de 2 mm a 6 mm i una amplada màxima de 1500 mm. Southwest Aluminum ha desenvolupat independentment el material 5K40 i ha fet progressos significatius en el desenvolupament de plaques primes. L'aliatge Al Zn Mg és un aliatge d'enduriment temporal amb alta resistència, bon rendiment de processament i excel·lent rendiment de soldadura. És un material estructural indispensable i important en els vehicles de transport actuals com ara els avions. Sobre la base d'AlZn Mg soldable de resistència mitjana, l'addició d'elements d'aliatge d'escandi i zirconi pot formar nanopartícules d'Al3 (Sc, Zr) petites i disperses a la microestructura, millorant significativament les propietats mecàniques i la resistència a la corrosió sota tensió de l'aliatge. El Centre de Recerca Langley de la NASA ha desenvolupat un aliatge ternari d'alumini i escandi amb el grau C557, que està llest per ser aplicat en missions de modelisme. La resistència estàtica, la propagació de fissures i la tenacitat a la fractura d'aquest aliatge a baixa temperatura (-200 ℃), temperatura ambient i alta temperatura (107 ℃) són iguals o millors que les de l'aliatge 2524. La Universitat Northwestern dels Estats Units ha desenvolupat l'aliatge d'alumini d'ultraalta resistència de la sèrie 7000 d'AlZnMgSc, amb una resistència a la tracció de fins a 680 MPa. S'ha format un patró de desenvolupament conjunt entre l'aliatge d'alumini i escandi de resistència mitjana-alta i l'AlZnMgSc d'ultraalta resistència. L'aliatge AlZnMgCuSc és un aliatge d'alumini d'alta resistència amb una resistència a la tracció superior a 800 MPa. Actualment, la composició nominal i els paràmetres bàsics de rendiment dels principals graus de...aliatge d'alumini i escandies resumeixen de la manera següent, tal com es mostra a les taules 1 i 2.
Taula 1 | Composició nominal de l'aliatge d'alumini i escandi
Taula 2 | Microestructura i propietats de tracció de l'aliatge d'alumini i escandi
Perspectives d'aplicació de l'aliatge d'alumini i escandi
Els aliatges d'alta resistència Al Zn Mg Cu Sc i Al CuLi Sc s'han aplicat a components estructurals portants, inclosos els avions de combat russos MiG-21 i MiG-29. El quadre de comandament de la nau espacial russa "Mars-1" està fet d'un aliatge d'alumini i escandi 1570, amb una reducció de pes total del 20%. Els components portants del mòdul d'instruments de la nau espacial Mars-96 estan fets d'un aliatge d'alumini 1970 que conté escandi, cosa que redueix el pes del mòdul d'instruments en un 10%. En el programa "Clean Sky" i el projecte "2050 Flight Route" de la UE, Airbus va dur a terme vols de prova integrats de disseny, investigació i desenvolupament, fabricació i instal·lació de portes de bodega per a avions A321 basats en l'aliatge d'alumini i escandi de grau successor AA5028-H116 de l'aliatge d'alumini i escandi 5024. Els aliatges d'alumini i escandi representats per AA5028 van demostrar un excel·lent rendiment de processament i soldadura. Utilitzant tècniques de soldadura avançades com la soldadura per fricció-agitació i la soldadura làser per aconseguir una connexió fiable de materials d'aliatge d'alumini que contenen escandi. La implementació gradual de la "soldadura en lloc de reblar" en estructures de plaques primes reforçades per avions no només manté la consistència dels materials de l'avió i la integritat estructural, aconseguint una fabricació eficient i de baix cost, sinó que també té efectes de reducció de pes i segellat. La investigació d'aplicacions de l'aliatge d'alumini-escandi 5B70 per part de l'Institut de Recerca de Materials Especials Aeroespacials de la Xina ha trencat les tecnologies de filatura forta de components de gruix de paret variable, control de la resistència a la corrosió i l'ajust de força, i control de la tensió residual de soldadura. Ha preparat un filferro de soldadura adaptatiu d'aliatge d'alumini-escandi, i el coeficient de resistència de la unió de la soldadura per fricció-agitació per a plaques gruixudes de l'aliatge pot arribar a 0,92. L'Acadèmia Xinesa de Tecnologia Espacial, la Universitat Central del Sud i altres han dut a terme proves de rendiment mecànic i experiments de procés exhaustius sobre el material 5B70, han actualitzat i iterat l'esquema de selecció de material estructural per al 5A06 i han començat a aplicar l'aliatge d'alumini 5B70 a l'estructura principal dels panells de paret reforçats generals de la cabina segellada i la cabina de retorn de l'estació espacial. El panell de paret general de la cabina pressuritzada amb estructura de plaques està dissenyat amb una combinació de pell i nervadures de reforç, aconseguint una major integració estructural i optimització del pes. Alhora que millora la rigidesa i la resistència generals, redueix el nombre i la complexitat dels components de connexió, reduint així encara més el pes i mantenint un alt rendiment. Amb la promoció de l'aplicació de l'enginyeria de materials 5B70, l'ús del material 5B70... augmentar gradualment i superar 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 les matèries primeres. Com s'ha esmentat anteriorment, tot i que moltes propietats dels aliatges d'alumini s'han millorat mitjançant la microaliatge d'escandi, l'alt preu i l'escassetat d'escandi limiten el rang d'aplicació dels aliatges d'escandi d'alumini. En comparació amb materials d'aliatge d'alumini com ara Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, els materials d'aliatge d'alumini que contenen escandi tenen bones propietats mecàniques integrals, resistència a la corrosió i excel·lents característiques de processament, cosa que els fa tenir àmplies perspectives d'aplicació en la fabricació dels principals components estructurals en camps industrials com l'aeroespacial. Amb l'aprofundiment continu de la investigació sobre la tecnologia de microaliatge d'escandi i la millora de la cadena de subministrament i la cadena industrial, els factors de preu i cost que restringeixen l'aplicació industrial a gran escala dels aliatges d'escandi d'alumini milloraran gradualment. Les bones propietats mecàniques integrals, la resistència a la corrosió i les excel·lents característiques de processament dels aliatges d'escandi d'alumini els fan tenir clars avantatges de reducció de pes estructural i un ampli potencial d'aplicació en el camp de la fabricació d'equips d'aviació.
Data de publicació: 29 d'octubre de 2024