Essendo una lega leggera fondamentale per le apparecchiature di trasporto aeronautico, le proprietà meccaniche macroscopiche della lega di alluminio sono strettamente correlate alla sua microstruttura. Modificando i principali elementi di lega nella struttura della lega di alluminio, è possibile modificarne la microstruttura e migliorarne significativamente le proprietà meccaniche macroscopiche e altre proprietà (come la resistenza alla corrosione e le prestazioni di saldatura). Finora, la microlegatura è diventata la strategia di sviluppo tecnologico più promettente per ottimizzare la microstruttura delle leghe di alluminio e migliorarne le proprietà complessive.Scandio(Sc) è il più efficace potenziatore di microalligazione noto per le leghe di alluminio. La solubilità dello scandio nella matrice di alluminio è inferiore allo 0,35% in peso. L'aggiunta di tracce di scandio alle leghe di alluminio può migliorarne efficacemente la microstruttura, migliorandone in modo complessivo la resistenza, la durezza, la plasticità, la stabilità termica e la resistenza alla corrosione. Lo scandio esercita molteplici effetti fisici sulle leghe di alluminio, tra cui il rafforzamento in soluzione solida, il rafforzamento delle particelle e l'inibizione della ricristallizzazione. Questo articolo illustrerà lo sviluppo storico, i progressi più recenti e le potenziali applicazioni delle leghe di alluminio contenenti scandio nel campo della produzione di apparecchiature aeronautiche.
Ricerca e sviluppo di leghe di alluminio e scandio
L'aggiunta di scandio come elemento di lega alle leghe di alluminio risale agli anni '60. A quel tempo, la maggior parte del lavoro veniva svolta su sistemi di leghe binarie Al-Sc e ternarie Al-Mg-Sc. Negli anni '70, l'Istituto Baykov di Metallurgia e Scienza dei Materiali dell'Accademia Sovietica delle Scienze e l'Istituto Panrusso di Ricerca sulle Leghe Leggere condussero uno studio sistematico sulla forma e il meccanismo dello scandio nelle leghe di alluminio. Dopo quasi quarant'anni di sforzi, sono stati sviluppati 14 gradi di leghe di alluminio-scandio, suddivisi in tre serie principali (Al-Mg-Sc, Al-Li-Sc, Al-Zn-Mg-Sc). La solubilità degli atomi di scandio nell'alluminio è bassa e, utilizzando appropriati processi di trattamento termico, è possibile precipitare nanoprecipitati di Al₂Sc ad alta densità. Questa fase di precipitazione è pressoché sferica, con particelle piccole e distribuzione dispersa, e presenta un buon rapporto di coerenza con la matrice di alluminio, il che può migliorare notevolmente la resistenza a temperatura ambiente delle leghe di alluminio. Inoltre, i nanoprecipitati di Al3Sc presentano una buona stabilità termica e resistenza all'ingrossamento ad alte temperature (entro 400 °C), il che è estremamente vantaggioso per l'elevata resistenza al calore della lega. Tra le leghe di alluminio-scandio prodotte in Russia, la lega 1570 ha attirato molta attenzione grazie alla sua elevata resistenza e alla sua ampia applicazione. Questa lega mostra eccellenti prestazioni nell'intervallo di temperatura di esercizio da -196 °C a 70 °C e possiede una superplasticità naturale, che può sostituire la lega di alluminio LF6 di produzione russa (una lega di alluminio-magnesio composta principalmente da alluminio, magnesio, rame, manganese e silicio) per strutture di saldatura portanti in ambiente con ossigeno liquido, con prestazioni significativamente migliorate. Inoltre, la Russia ha sviluppato anche leghe di alluminio-zinco-magnesio-scandio, rappresentate dalla lega 1970, con una resistenza del materiale superiore a 500 MPa.
Lo stato di industrializzazione diLega di alluminio e scandio
Nel 2015, l’Unione Europea ha pubblicato la “Roadmap europea per la metallurgia: prospettive per produttori e utilizzatori finali”, proponendo di studiare la saldabilità dell’alluminioleghe di magnesio e scandioNel settembre 2020, l'Unione Europea ha pubblicato un elenco di 29 risorse minerali chiave, tra cui lo scandio. La lega di alluminio magnesio scandio 5024H116, sviluppata da Ale Aluminum in Germania, presenta una resistenza da media ad alta e un'elevata tolleranza ai danni, il che la rende un materiale molto promettente per il rivestimento della fusoliera. Può essere utilizzata per sostituire le tradizionali leghe di alluminio della serie 2xxx ed è stata inclusa nel catalogo di approvvigionamento dei materiali AIMS03-01-055 di Airbus. Il 5028 è un grado migliorato del 5024, adatto alla saldatura laser e alla saldatura a frizione e rimescolamento. Può realizzare il processo di formatura per creep di pannelli di parete integrali iperbolici, resistenti alla corrosione e che non richiedono rivestimento in alluminio. Rispetto alla lega 2524, la struttura complessiva dei pannelli di parete della fusoliera può ottenere una riduzione del peso strutturale del 5%. La lamiera in lega di alluminio scandio AA5024-H116 prodotta da Aili Aluminum Company è stata utilizzata per produrre componenti strutturali di fusoliere di aeromobili e veicoli spaziali. Lo spessore tipico della lamiera in lega AA5024-H116 è compreso tra 1,6 mm e 8,0 mm e, grazie alla sua bassa densità, alle moderate proprietà meccaniche, all'elevata resistenza alla corrosione e alla ridotta deviazione dimensionale, può sostituire la lega 2524 come materiale per il rivestimento della fusoliera. Attualmente, la lamiera in lega AA5024-H116 è certificata da Airbus AIMS03-04-055. Nel dicembre 2018, il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica cinese ha pubblicato il "Catalogo guida per il primo lotto di dimostrazioni applicative secondarie di nuovi materiali chiave (edizione 2018)", che includeva "l'ossido di scandio ad alta purezza" nel catalogo di sviluppo per l'industria dei nuovi materiali. Nel 2019, il Ministero dell'Industria e dell'Informazione Tecnologica cinese ha pubblicato il "Catalogo guida per il primo lotto di applicazioni dimostrative di nuovi materiali chiave (edizione 2019)", che includeva "materiali di lavorazione in lega di alluminio contenenti Sc e fili per saldatura AlSiSc" nel catalogo di sviluppo per l'industria dei nuovi materiali. China Aluminum Group Northeast Light Alloy ha sviluppato una lega AlMgScZr serie 5B70 contenente scandio e zirconio. Rispetto alla tradizionale lega AlMgserie 5083 senza scandio e zirconio, la sua resa e resistenza alla trazione sono aumentate di oltre il 30%. Inoltre, la lega AlMgScZr può mantenere una resistenza alla corrosione paragonabile alla lega 5083. Attualmente, le principali aziende nazionali con capacità industrialilega di alluminio-scandioLe capacità produttive sono di Northeast Light Alloy Company e Southwest Aluminum Industry. La lamiera in lega di alluminio scandio 5B70 di grandi dimensioni sviluppata da Northeast Light Alloy Co., Ltd. può fornire piastre spesse in lega di alluminio di grandi dimensioni con uno spessore massimo di 70 mm e una larghezza massima di 3500 mm; i prodotti in lamiera sottile e i profilati possono essere personalizzati per la produzione, con una gamma di spessori da 2 mm a 6 mm e una larghezza massima di 1500 mm. Southwest Aluminum ha sviluppato in modo indipendente il materiale 5K40 e ha compiuto progressi significativi nello sviluppo di piastre sottili. La lega AlZnMg è una lega a indurimento graduale con elevata resistenza, buone prestazioni di lavorazione ed eccellenti prestazioni di saldatura. È un materiale strutturale indispensabile e importante negli attuali veicoli di trasporto come gli aerei. Sulla base di AlZnMg saldabile a media resistenza, l'aggiunta di elementi in lega di scandio e zirconio può formare nanoparticelle di Al3 (Sc, Zr) piccole e disperse nella microstruttura, migliorando significativamente le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione sotto sforzo della lega. Il Langley Research Center della NASA ha sviluppato una lega ternaria di alluminio e scandio di grado C557, pronta per essere utilizzata in missioni modello. La resistenza statica, la propagazione delle cricche e la tenacità alla frattura di questa lega a bassa temperatura (-200 °C), temperatura ambiente e alta temperatura (107 °C) sono tutte uguali o migliori di quelle della lega 2524. La Northwestern University negli Stati Uniti ha sviluppato la lega di alluminio ad altissima resistenza AlZn Mg Sc serie 7000, con una resistenza alla trazione fino a 680 MPa. È stato sviluppato un modello di sviluppo congiunto tra una lega di alluminio e scandio a media e alta resistenza e una lega di AlZn Mg Sc ad altissima resistenza. La lega di AlZn Mg Cu Sc è una lega di alluminio ad alta resistenza con una resistenza alla trazione superiore a 800 MPa. Attualmente, la composizione nominale e i parametri prestazionali di base dei principali gradi dilega di alluminio-scandiosono riassunti come segue, come mostrato nelle Tabelle 1 e 2.
Tabella 1 | Composizione nominale della lega di alluminio-scandio
Tabella 2 | Microstruttura e proprietà di trazione della lega di alluminio-scandio
Prospettive applicative della lega di alluminio-scandio
Le leghe ad alta resistenza Al Zn Mg Cu Sc e Al CuLi Sc sono state applicate a componenti strutturali portanti, tra cui i caccia russi MiG-21 e MiG-29. Il cruscotto della sonda russa "Mars-1" è realizzato in lega di alluminio-scandio 1570, con una riduzione del peso totale del 20%. I componenti portanti del modulo strumenti della sonda spaziale Mars-96 sono realizzati in lega di alluminio-scandio 1970, con una riduzione del peso del modulo strumenti del 10%. Nell'ambito del programma "Clean Sky" e del progetto UE "2050 Flight Route", Airbus ha condotto voli di prova integrati per la progettazione, la ricerca e lo sviluppo, la produzione e l'installazione di porte di stiva per aeromobili A321, basati sulla lega di alluminio-scandio di grado AA5028-H116, successore della lega di alluminio-scandio 5024. Le leghe di alluminio-scandio rappresentate dalla AA5028 hanno dimostrato eccellenti prestazioni di lavorazione e saldatura. L'utilizzo di tecniche di saldatura avanzate, come la saldatura a frizione e rimescolamento e la saldatura laser, ha permesso di ottenere una connessione affidabile di materiali in lega di alluminio contenenti scandio. La graduale implementazione della "saldatura anziché rivettatura" nelle strutture a lamiere sottili rinforzate per aeromobili non solo mantiene la consistenza dei materiali aeronautici e l'integrità strutturale, ma garantisce anche un'efficienza e Produzione a basso costo, ma con riduzione del peso e effetti di tenuta. La ricerca applicativa sulla lega di alluminio-scandio 5B70 condotta dal China Aerospace Special Materials Research Institute ha rivoluzionato le tecnologie di filatura ad alta resistenza di componenti a spessore variabile, il controllo della resistenza alla corrosione e dell'adattamento della resistenza, nonché il controllo delle tensioni residue di saldatura. È stato preparato un filo di saldatura adattivo in lega di alluminio-scandio, e il coefficiente di resistenza del giunto per saldatura a frizione per piastre spesse in lega può raggiungere 0,92. La China Academy of Space Technology, la Central South University e altri hanno condotto approfonditi test sulle prestazioni meccaniche ed esperimenti di processo sul materiale 5B70, hanno aggiornato e iterato lo schema di selezione dei materiali strutturali per 5A06 e hanno iniziato ad applicare la lega di alluminio 5B70 alla struttura principale dei pannelli di parete rinforzati della cabina sigillata e della cabina di ritorno della stazione spaziale. Il pannello di parete complessivo della cabina pressurizzata con struttura a piastre è progettato con una combinazione di rivestimento e nervature di rinforzo, ottenendo una maggiore integrazione strutturale e un'ottimizzazione del peso. Pur migliorando la rigidità e la resistenza complessive, riduce il numero e la complessità dei componenti di collegamento, riducendo ulteriormente il peso pur mantenendo elevate prestazioni. Con Grazie alla promozione dell'applicazione dell'ingegneria dei materiali 5B70, l'utilizzo del materiale 5B70 aumenterà gradualmente, superando la soglia minima di fornitura e contribuendo a garantire la produzione continua e la qualità stabile delle materie prime, riducendone significativamente i prezzi. Come accennato in precedenza, sebbene molte proprietà delle leghe di alluminio siano state migliorate grazie alla microlegatura con scandio, l'elevato prezzo e la scarsità di scandio limitano il campo di applicazione delle leghe di alluminio e scandio. Rispetto ai materiali in lega di alluminio come Al-Cu, Al-Zn, Al-Zn-Mg, i materiali in lega di alluminio contenenti scandio presentano buone proprietà meccaniche complessive, resistenza alla corrosione ed eccellenti caratteristiche di lavorazione, che ne ampliano le prospettive applicative nella produzione di componenti strutturali di base in settori industriali come l'aerospaziale. Con il continuo approfondimento della ricerca sulla tecnologia della microlegatura con scandio e il miglioramento della catena di approvvigionamento e dell'abbinamento tra filiera industriale, i fattori di prezzo e costo che limitano l'applicazione industriale su larga scala delle leghe di alluminio e scandio miglioreranno gradualmente. Le buone proprietà meccaniche complessive, la resistenza alla corrosione e le eccellenti caratteristiche di lavorazione delle leghe di alluminio e scandio conferiscono loro evidenti vantaggi in termini di riduzione del peso strutturale e un ampio potenziale applicativo nel campo delle apparecchiature aeronautiche. produzione.
Data di pubblicazione: 29 ottobre 2024