Като лека сплав, която е от решаващо значение за авиационното транспортно оборудване, макроскопичните механични свойства на алуминиевата сплав са тясно свързани с нейната микроструктура. Чрез промяна на основните легиращи елементи в структурата на алуминиевата сплав, микроструктурата на алуминиевата сплав може да бъде променена и макроскопичните механични свойства и други свойства (като устойчивост на корозия и заваръчни характеристики) на материала могат да бъдат значително подобрени. Досега микролегирането се е превърнало в най-обещаващата стратегия за технологично развитие за оптимизиране на микроструктурата на алуминиевите сплави и подобряване на цялостните свойства на алуминиевите сплави.Скандий(Sc) е най-ефективният подобрител на микролегиращите елементи, известен за алуминиевите сплави. Разтворимостта на скандий в алуминиевата матрица е по-малка от 0,35 тегл.%. Добавянето на следи от скандий към алуминиевите сплави може ефективно да подобри тяхната микроструктура, цялостно да подобри тяхната якост, твърдост, пластичност, термична стабилност и устойчивост на корозия. Скандият има множество физични ефекти в алуминиевите сплави, включително укрепване в твърд разтвор, укрепване на частиците и инхибиране на рекристализацията. Тази статия ще представи историческото развитие, най-новия напредък и потенциалните приложения на алуминиевите сплави, съдържащи скандий, в областта на производството на авиационно оборудване.
Изследване и разработване на алуминиево-скандиева сплав
Добавянето на скандий като легиращ елемент към алуминиевите сплави може да се проследи до 60-те години на миналия век. По това време по-голямата част от работата е била извършена в бинарни AlSc и трикомпонентни AlMgSc сплавни системи. През 70-те години на миналия век Институтът по металургия и материалознание „Байков“ към Съветската академия на науките и Всеруският институт за изследване на леки сплави провеждат систематично проучване на формата и механизма на скандия в алуминиевите сплави. След близо четиридесет години усилия са разработени 14 вида алуминиево-скандиеви сплави в три основни серии (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Разтворимостта на скандиевите атоми в алуминия е ниска и чрез използване на подходящи процеси на термична обработка могат да се утаят наноутайки Al3Sc с висока плътност. Тази фаза на утаяване е почти сферична, с малки частици и дисперсно разпределение и има добра кохерентна връзка с алуминиевата матрица, което може значително да подобри якостта на алуминиевите сплави при стайна температура. Освен това, нанопреципитатите Al3Sc имат добра термична стабилност и устойчивост на загрубяване при високи температури (в рамките на 400 ℃), което е изключително полезно за силната топлоустойчивост на сплавта. Сред произведените в Русия алуминиево-скандиеви сплави, сплавта 1570 е привлякла голямо внимание поради най-високата си якост и най-широко приложение. Тази сплав показва отлични характеристики в работния температурен диапазон от -196 ℃ до 70 ℃ и има естествена свръхпластичност, която може да замени произведената в Русия алуминиева сплав LF6 (алуминиево-магнезиева сплав, съставена главно от алуминий, магнезий, мед, манган и силиций) за носещи заваръчни конструкции в среда с течен кислород, със значително подобрени характеристики. Освен това, Русия е разработила и алуминиево-цинкови магнезиево-скандиеви сплави, представени от 1970 г., с якост на материала над 500 MPa.
Състоянието на индустриализациятаАлуминиево-скандиева сплав
През 2015 г. Европейският съюз публикува „Европейска металургична пътна карта: Перспективи за производителите и крайните потребители“, предлагайки да се проучи заваряемостта на алуминия.магнезиево-скандиеви сплавиПрез септември 2020 г. Европейският съюз публикува списък с 29 ключови минерални ресурса, включително скандий. Алуминиево-магнезиевата скандиева сплав 5024H116, разработена от Ale Aluminum в Германия, има средна до висока якост и висока устойчивост на повреди, което я прави многообещаващ материал за обшивка на фюзелажа. Тя може да се използва за заместване на традиционните алуминиеви сплави от серия 2xxx и е включена в книгата за доставки на материали AIMS03-01-055 на Airbus. 5028 е подобрен клас 5024, подходящ за лазерно заваряване и заваряване с триене с разбъркване. Тя може да постигне процеса на пълзене при хиперболични интегрални стенни панели, който е устойчив на корозия и не изисква алуминиево покритие. В сравнение със сплав 2524, цялостната структура на стенните панели на фюзелажа може да постигне 5% намаление на структурното тегло. Алуминиево-скандиевата сплав AA5024-H116, произведена от Aili Aluminum Company, се използва за производството на фюзелажи на самолети и структурни компоненти на космически кораби. Типичната дебелина на листа от сплав AA5024-H116 е от 1,6 мм до 8,0 мм и поради ниската си плътност, умерените механични свойства, високата устойчивост на корозия и строгите отклонения в размерите, той може да замени сплав 2524 като материал за обшивката на фюзелажа. В момента листът от сплав AA5024-H116 е сертифициран от Airbus AIMS03-04-055. През декември 2018 г. Министерството на промишлеността и информационните технологии на Китай публикува „Ръководство за първата партида демонстрации на вторични приложения на ключови нови материали (издание 2018 г.)“, което включва „високочист скандиев оксид“ в каталога за разработка на индустрията за нови материали. През 2019 г. Министерството на промишлеността и информационните технологии на Китай публикува „Ръководство за първата партида демонстрации на приложения на ключови нови материали (издание 2019 г.)“, което включва „Материали за обработка на алуминиеви сплави, съдържащи Sc, и заваръчни проводници Al Si Sc“ в каталога за разработка на индустрията за нови материали. China Aluminum Group Northeast Light Alloy разработи сплав AlMgScZr серия 5B70, съдържаща скандий и цирконий. В сравнение с традиционната сплав AlMg серия 5083 без скандий и цирконий, нейният добив и якост на опън са се увеличили с повече от 30%. Освен това, сплавта AlMgScZr може да поддържа устойчивост на корозия, сравнима с тази на сплавта 5083. В момента основните местни предприятия с индустриален клас...алуминиево-скандиева сплавПроизводствените капацитети са на Northeast Light Alloy Company и Southwest Aluminum Industry. Големите листове от алуминиево-скандиева сплав 5B70, разработени от Northeast Light Alloy Co., Ltd., могат да доставят големи дебели плочи от алуминиева сплав с максимална дебелина 70 мм и максимална ширина 3500 мм; Тънките листове и профилни продукти могат да бъдат персонализирани за производство, с диапазон на дебелина от 2 мм до 6 мм и максимална ширина 1500 мм. Southwest Aluminum е разработила самостоятелно материала 5K40 и е постигнала значителен напредък в разработването на тънки плочи. Сплавта Al Zn Mg е втвърдяваща се сплав с висока якост, добри технологични характеристики и отлични заваръчни характеристики. Тя е незаменим и важен структурен материал в съвременните транспортни средства като самолети. На базата на заваряем AlZn Mg със средна якост, добавянето на елементи от сплавта на скандий и цирконий може да образува малки и диспергирани наночастици Al3 (Sc, Zr) в микроструктурата, значително подобрявайки механичните свойства и устойчивостта на корозия под напрежение на сплавта. Изследователският център Лангли на НАСА е разработил тройна алуминиево-скандиева сплав с клас C557, която е готова за приложение в моделни мисии. Статичната якост, разпространението на пукнатини и жилавостта на счупване на тази сплав при ниска температура (-200 ℃), стайна температура и висока температура (107 ℃) са равни или по-добри от тези на сплав 2524. Северозападният университет в Съединените щати е разработил алуминиевата сплав AlZnMgSc от серия 7000 - ултрависокоякостна алуминиева сплав, с якост на опън до 680 MPa. Формиран е модел на съвместно развитие между средно-високоякостна алуминиево-скандиева сплав и ултрависокоякостна AlZnMgSc. Сплавта AlZnMgCuSc е високоякостна алуминиева сплав с якост на опън над 800 MPa. Понастоящем номиналният състав и основните експлоатационни параметри на основните класове...алуминиево-скандиева сплавса обобщени, както следва, както е показано в Таблици 1 и 2.
Таблица 1 | Номинален състав на алуминиево-скандиева сплав
Таблица 2 | Микроструктура и якостни свойства на алуминиево-скандиева сплав
Перспективи за приложение на алуминиево-скандиева сплав
Високоякостни сплави AlZnMgCuSc и AlCuLiSc са били прилагани за носещи структурни компоненти, включително руските изтребители МиГ-21 и МиГ-29. Таблото на руския космически кораб „Марс-1“ е изработено от алуминиево-скандиева сплав 1570, с общо намаление на теглото с 20%. Носещите компоненти на инструменталния модул на космическия кораб Марс-96 са изработени от алуминиева сплав 1970, съдържаща скандий, което намалява теглото на инструменталния модул с 10%. В рамките на програмата „Чисто небе“ и проекта на ЕС „Полетен маршрут 2050“, Airbus проведе интегрирани тестове за проектиране, проучване и разработка на врати на товарния отсек за самолет A321, базирани на наследника на алуминиево-скандиева сплав 5024 клас AA5028-H116. Алуминиево-скандиевите сплави, представени от AA5028, демонстрираха отлични характеристики на обработка и заваряване. Използвайки усъвършенствани техники за заваряване, като заваряване с триене с разбъркване и лазерно заваряване, се постига надеждно свързване на материалите от алуминиеви сплави, съдържащи скандий. Постепенното внедряване на „заваряване вместо нитове“ в армираните с тънки плочи конструкции на самолетите не само поддържа консистентността на материалите на самолета и структурната цялост, постигайки ефективно и евтино производство, но също така има ефект на намаляване на теглото и уплътняване. Приложението Изследванията на алуминиево-скандиева сплав 5B70 от Китайския институт за изследване на специални аерокосмически материали са довели до пробив в технологиите за силно извиване на компоненти с променлива дебелина на стените, контрол на корозионната устойчивост и съпоставяне на якостта, както и контрол на остатъчното напрежение при заваряване. Те са разработили адаптивна заваръчна тел от алуминиево-скандиева сплав, а коефициентът на якост на съединението при триене при заваряване с разбъркване за дебели плочи в сплавта може да достигне 0,92. Китайската академия за космически технологии, Централният южен университет и други са провели обширни тестове за механични характеристики и технологични експерименти върху материала 5B70, са подобрили и итерирали схемата за избор на структурен материал за 5A06 и са започнали да прилагат алуминиевата сплав 5B70 към основната структура на цялостните подсилени стенни панели на запечатаната кабина и кабината за връщане на космическата станция. Цялостният стенен панел на херметическата кабина с плоча е проектиран с комбинация от обшивка и подсилващи ребра, постигайки по-висока структурна интеграция и оптимизация на теглото. Наред с подобряването на общата твърдост и здравина, това намалява броя и сложността на свързващите компоненти, като по този начин допълнително намалява теглото, като същевременно поддържа висока производителност. С насърчаването на прилагането на материалното инженерство 5B70, използването на материал 5B70 постепенно ще се увеличи. и да надвишат минималния праг на предлагане, което ще помогне да се осигури непрекъснато производство и стабилно качество на суровините, както и значително да се намалят цените на суровините. Както бе споменато по-рано, въпреки че много свойства на алуминиевите сплави са подобрени чрез микролегиране със скандий, високата цена и недостигът на скандий ограничават обхвата на приложение на алуминиево-скандиевите сплави. В сравнение с алуминиевите сплави като Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, алуминиевите сплави, съдържащи скандий, имат добри комплексни механични свойства, устойчивост на корозия и отлични характеристики на обработка, което им дава широки перспективи за приложение в производството на основни структурни компоненти в индустриални области като аерокосмическата индустрия. С непрекъснатото задълбочаване на изследванията върху технологията за микролегиране със скандий и подобряването на веригата за доставки и съчетаването на индустриалните вериги, ценовите и разходните фактори, които ограничават мащабното промишлено приложение на скандиево-алуминиеви сплави, постепенно ще се подобрят. Добрите комплексни механични свойства, устойчивостта на корозия и отличните характеристики на обработка на алуминиево-скандиевите сплави им дават ясни предимства за намаляване на структурното тегло и широк потенциал за приложение в областта на производството на авиационно оборудване.
Време на публикуване: 29 октомври 2024 г.