Jako lekki stop, który jest kluczowy dla sprzętu transportu lotniczego, makroskopowe właściwości mechaniczne stopu aluminium są ściśle związane z jego mikrostrukturą. Poprzez zmianę głównych elementów stopowych w strukturze stopu aluminium, mikrostruktura stopu aluminium może zostać zmieniona, a makroskopowe właściwości mechaniczne i inne właściwości (takie jak odporność na korozję i wydajność spawania) materiału mogą zostać znacznie ulepszone. Do tej pory mikrostopowanie stało się najbardziej obiecującą strategią rozwoju technologicznego w celu optymalizacji mikrostruktury stopów aluminium i poprawy kompleksowych właściwości materiałów stopowych aluminium.Skand(Sc) jest najskuteczniejszym znanym wzmacniaczem pierwiastków mikrostopowych dla stopów aluminium. Rozpuszczalność skandu w matrycy aluminiowej wynosi mniej niż 0,35% wag. Dodanie śladowych ilości skandu do stopów aluminium może skutecznie poprawić ich mikrostrukturę, kompleksowo zwiększyć ich wytrzymałość, twardość, plastyczność, stabilność termiczną i odporność na korozję. Skand ma wiele efektów fizycznych w stopach aluminium, w tym wzmacnianie roztworów stałych, wzmacnianie cząstek i hamowanie rekrystalizacji. W tym artykule przedstawiono rozwój historyczny, najnowsze postępy i potencjalne zastosowania stopów aluminium zawierających skand w dziedzinie produkcji sprzętu lotniczego.
Badania i rozwój stopu aluminium i skandu
Dodanie skandu jako pierwiastka stopowego do stopów aluminium można prześledzić do lat 60. W tym czasie większość prac prowadzono w binarnych układach stopów Al Sc i potrójnych AlMg Sc. W latach 70. Instytut Metalurgii i Materiałoznawstwa im. Bajkowa Radzieckiej Akademii Nauk oraz Wszechrosyjski Instytut Badań nad Stopami Lekkimi przeprowadziły systematyczne badanie formy i mechanizmu skandu w stopach aluminium. Po prawie czterdziestu latach wysiłków opracowano 14 gatunków stopów aluminium-skandu w trzech głównych seriach (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc). Rozpuszczalność atomów skandu w aluminium jest niska, a dzięki zastosowaniu odpowiednich procesów obróbki cieplnej można wytrącać nano osady Al3Sc o dużej gęstości. Ta faza wytrącania jest prawie kulista, z małymi cząsteczkami i rozproszonym rozkładem, i ma dobrą spójną relację z matrycą aluminiową, co może znacznie poprawić wytrzymałość stopów aluminium w temperaturze pokojowej. Ponadto nano-wytrącenia Al3Sc mają dobrą stabilność termiczną i odporność na zgrubienie w wysokich temperaturach (w zakresie 400 ℃), co jest niezwykle korzystne dla dużej odporności cieplnej stopu. W rosyjskich stopach aluminium-skandu stop 1570 przyciągnął wiele uwagi ze względu na najwyższą wytrzymałość i najszersze zastosowanie. Stop ten wykazuje doskonałą wydajność w zakresie temperatur roboczych od -196 ℃ do 70 ℃ i ma naturalną superplastyczność, która może zastąpić rosyjski stop aluminium LF6 (stop aluminium-magnez składający się głównie z aluminium, magnezu, miedzi, manganu i krzemu) w przypadku nośnych konstrukcji spawanych w ciekłym środowisku tlenowym, ze znacznie poprawioną wydajnością. Ponadto Rosja opracowała również stopy aluminium-cynku-magnezu-skandu, reprezentowane przez 1970, o wytrzymałości materiału ponad 500 MPa.
Status industrializacjiStop aluminium i skandu
W 2015 r. Unia Europejska opublikowała „Europejską mapę drogową metalurgii: perspektywy dla producentów i użytkowników końcowych”, w której zaproponowano zbadanie spawalności aluminiumstopy magnezu i skandu. We wrześniu 2020 r. Unia Europejska opublikowała listę 29 kluczowych zasobów mineralnych, w tym skandu. Stop aluminium, magnezu, skandu 5024H116 opracowany przez Ale Aluminum w Niemczech charakteryzuje się średnią do wysokiej wytrzymałości i wysoką tolerancją na uszkodzenia, co czyni go bardzo obiecującym materiałem na poszycie kadłuba. Może być stosowany w celu zastąpienia tradycyjnych stopów aluminium serii 2xxx i został uwzględniony w książce zaopatrzenia materiałowego AIMS03-01-055 firmy Airbus. 5028 to ulepszony gatunek 5024, odpowiedni do spawania laserowego i spawania tarciowego z mieszaniem. Może osiągnąć proces formowania pełzania hiperbolicznych integralnych paneli ściennych, który jest odporny na korozję i nie wymaga powłoki aluminiowej. W porównaniu ze stopem 2524 ogólna struktura paneli ściennych kadłuba może osiągnąć 5% redukcję masy konstrukcyjnej. Arkusz stopu aluminium, skandu i aluminium AA5024-H116 produkowany przez Aili Aluminum Company był używany do produkcji kadłubów samolotów i elementów konstrukcyjnych statków kosmicznych. Typowa grubość blachy stopowej AA5024-H116 wynosi od 1,6 mm do 8,0 mm, a ze względu na niską gęstość, umiarkowane właściwości mechaniczne, wysoką odporność na korozję i ścisłe odchylenie wymiarowe może zastąpić stop 2524 jako materiał poszycia kadłuba. Obecnie blacha stopowa AA5024-H116 została certyfikowana przez Airbus AIMS03-04-055. W grudniu 2018 r. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych Chin opublikowało „Katalog przewodni dla pierwszej partii demonstracji zastosowań wtórnych kluczowych nowych materiałów (wydanie z 2018 r.)”, który zawierał „tlenek skandu o wysokiej czystości” w katalogu rozwojowym branży nowych materiałów. W 2019 r. Ministerstwo Przemysłu i Technologii Informacyjnych Chin opublikowało „Katalog przewodni dla pierwszej partii demonstracyjnych zastosowań kluczowych nowych materiałów (wydanie z 2019 r.)”, który obejmował „Materiały do obróbki stopów aluminium zawierające Sc i druty spawalnicze Al Si Sc” w katalogu rozwojowym branży nowych materiałów. China Aluminum Group Northeast Light Alloy opracowała stop Al Mg Sc Zr serii 5B70 zawierający skand i cyrkon. W porównaniu z tradycyjnym stopem Al Mg serii 5083 bez skandu i cyrkonu jego granica plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie wzrosły o ponad 30%. Ponadto stop Al Mg Sc Zr może zachować porównywalną odporność na korozję do stopu 5083. Obecnie główne krajowe przedsiębiorstwa z klasą przemysłowąstop aluminium ze skandemzdolności produkcyjne to Northeast Light Alloy Company i Southwest Aluminum Industry. Wielkogabarytowa blacha ze stopu aluminium i skandu 5B70 opracowana przez Northeast Light Alloy Co., Ltd. może dostarczać duże, grube płyty ze stopu aluminium o maksymalnej grubości 70 mm i maksymalnej szerokości 3500 mm; Cienkie arkusze i produkty profilowe mogą być dostosowane do produkcji, o zakresie grubości od 2 mm do 6 mm i maksymalnej szerokości 1500 mm. Southwest Aluminum niezależnie opracował materiał 5K40 i poczynił znaczne postępy w rozwoju cienkich płyt. Stop Al Zn Mg to utwardzany czasowo stop o wysokiej wytrzymałości, dobrych parametrach przetwarzania i doskonałych parametrach spawania. Jest to niezbędny i ważny materiał konstrukcyjny w obecnych pojazdach transportowych, takich jak samoloty. Na bazie średnio wytrzymałego spawalnego AlZn Mg, dodanie elementów stopu skandu i cyrkonu może tworzyć małe i rozproszone nanocząsteczki Al3 (Sc, Zr) w mikrostrukturze, znacznie poprawiając właściwości mechaniczne i odporność stopu na korozję naprężeniową. Langley Research Center NASA opracowało potrójny stop aluminium i skandu o gatunku C557, który jest gotowy do zastosowania w misjach modelowych. Wytrzymałość statyczna, propagacja pęknięć i odporność na pękanie tego stopu w niskiej temperaturze (-200 ℃), temperaturze pokojowej i wysokiej temperaturze (107 ℃) są równe lub lepsze od stopu 2524. Northwestern University w Stanach Zjednoczonych opracował stop AlZn Mg Sc serii 7000 o ultra wysokiej wytrzymałości, o wytrzymałości na rozciąganie do 680 MPa. Powstał wzór wspólnego rozwoju między średnio-wytrzymałym stopem aluminium i skandu a ultra-wytrzymałym stopem Al Zn Mg Sc. Stop Al Zn Mg Cu Sc jest stopem aluminium o wysokiej wytrzymałości o wytrzymałości na rozciąganie przekraczającej 800 MPa. Obecnie nominalny skład i podstawowe parametry wydajności głównych gatunkówstop aluminium ze skandempodsumowano następująco, jak pokazano w tabelach 1 i 2.
Tabela 1 | Skład nominalny stopu aluminium i skandu
Tabela 2 | Mikrostruktura i właściwości rozciągające stopu aluminium ze skandem
Perspektywy zastosowań stopu aluminium ze skandem
Stopy Al Zn Mg Cu Sc i Al CuLi Sc o dużej wytrzymałości zastosowano w nośnych elementach konstrukcyjnych, m.in. w rosyjskich myśliwcach MiG-21 i MiG-29. Deska rozdzielcza rosyjskiego statku kosmicznego „Mars-1” jest wykonana ze stopu aluminium skandowego 1570, co pozwoliło na całkowitą redukcję masy o 20%. Elementy nośne modułu przyrządów statku kosmicznego Mars-96 są wykonane ze stopu aluminium 1970 zawierającego skand, co pozwoliło na redukcję masy modułu przyrządów o 10%. W ramach programu „Czyste niebo” i projektu UE „Trasa lotu 2050” firma Airbus przeprowadziła zintegrowane loty testowe drzwi luku ładunkowego, badania i rozwój, produkcję oraz instalację samolotów A321 na podstawie stopu aluminium skandowego klasy następczej AA5028-H116 ze stopu aluminium skandowego 5024. Stopy aluminium skandowe reprezentowane przez AA5028 wykazały doskonałe parametry obróbki i spawania. Wykorzystanie zaawansowanych technik spawania, takich jak spawanie tarciowe i spawanie laserowe, pozwoliło na uzyskanie niezawodnego połączenia materiałów ze stopu aluminium zawierającego skand. Stopniowe wdrażanie „spawania zamiast nitowania” w cienkich płytach wzmacnianych przez samoloty nie tylko utrzymuje spójność materiałów samolotu i integralność strukturalną, osiągając wydajne i niskokosztowej produkcji, ale ma również właściwości zmniejszające wagę i uszczelniające. Badania nad zastosowaniem stopu aluminium skand 5B70 prowadzone przez China Aerospace Special Materials Research Institute przełamały technologie silnego skręcania elementów o zmiennej grubości ścianek, kontroli odporności na korozję i dopasowania wytrzymałości oraz kontroli naprężeń szczątkowych spawania. Przygotował on adaptacyjny drut spawalniczy ze stopu aluminium skand, a współczynnik wytrzymałości połączenia spawania tarciowego z mieszaniem dla grubych płyt w stopie może osiągnąć 0,92. China Academy of Space Technology, Central South University i inni przeprowadzili obszerne testy wydajności mechanicznej i eksperymenty procesowe na materiale 5B70, ulepszyli i powtórzyli schemat doboru materiałów konstrukcyjnych dla 5A06 i zaczęli stosować stop aluminium 5B70 do głównej konstrukcji całościowych wzmocnionych paneli ściennych uszczelnionej kabiny stacji kosmicznej i kabiny powrotnej. Całkowity panel ścienny kabiny ciśnieniowej o konstrukcji płytowej został zaprojektowany z połączeniem żeber poszycia i wzmocnienia, co zapewnia wyższą integrację strukturalną i optymalizację wagi. Jednocześnie poprawiając ogólną sztywność i wytrzymałość, zmniejsza liczbę i złożoność łączonych komponentów, tym samym jeszcze bardziej zmniejszając wagę przy zachowaniu wysokiej wydajności. Dzięki promocji zastosowania inżynierii materiałowej 5B70, wykorzystanie materiału 5B70 będzie stopniowo wzrastać i przekraczać minimalny próg dostaw, co pomoże zapewnić ciągłą produkcję i stabilną jakość surowców oraz znacznie obniżyć ceny surowców. Jak wspomniano wcześniej, chociaż wiele właściwości stopów aluminium zostało ulepszonych dzięki mikrostopowaniu skandu, wysoka cena i niedobór skandu ograniczają zakres zastosowań stopów aluminium-skandu. W porównaniu z materiałami ze stopów aluminium, takimi jak Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, materiały ze stopów aluminium zawierające skand mają dobre kompleksowe właściwości mechaniczne, odporność na korozję i doskonałe właściwości przetwórcze, co sprawia, że mają szerokie perspektywy zastosowania w produkcji głównych elementów konstrukcyjnych w dziedzinach przemysłu, takich jak lotnictwo i kosmonautyka. Dzięki ciągłemu pogłębianiu badań nad technologią mikrostopowania skandu i ulepszaniu łańcucha dostaw i dopasowania łańcucha przemysłowego, czynniki cenowe i kosztowe, które ograniczają wielkoskalowe przemysłowe zastosowanie stopów aluminium-skandu, będą stopniowo ulegać poprawie. Dobre kompleksowe właściwości mechaniczne, odporność na korozję i doskonałe właściwości przetwórcze stopów aluminium-skandu sprawiają, że mają one wyraźne zalety w zakresie redukcji masy konstrukcyjnej i szeroki potencjał zastosowania w tej dziedzinie produkcji sprzętu lotniczego.
Czas publikacji: 29-paź-2024