Come lega leggera che è cruciale per le attrezzature per il trasporto dell'aviazione, le proprietà meccaniche macroscopiche della lega di alluminio sono strettamente correlate alla sua microstruttura. Modificando i principali elementi di lega nella struttura in lega di alluminio, la microstruttura della lega di alluminio può essere modificata e le proprietà meccaniche macroscopiche e altre proprietà (come la resistenza alla corrosione e le prestazioni di saldatura) del materiale possono essere significativamente migliorate. Fino ad ora, i microalloying sono diventati la strategia di sviluppo tecnologico più promettente per ottimizzare la microstruttura delle leghe di alluminio e migliorare le proprietà complete dei materiali in lega di alluminio.Scandium(SC) è il potenziatore dell'elemento microalloying più efficace noto per le leghe di alluminio. La solubilità dello scandium nella matrice di alluminio è inferiore allo 0,35%in peso, aggiungendo tracce di elementi di scandium alle leghe di alluminio può migliorare efficacemente la loro microstruttura, migliorare in modo completo la loro forza, durezza, plasticità, stabilità termica e resistenza alla corrosione. Lo scandium ha molteplici effetti fisici nelle leghe di alluminio, tra cui il rafforzamento della soluzione solida, il rafforzamento delle particelle e l'inibizione della ricristallizzazione. Questo articolo introdurrà lo sviluppo storico, gli ultimi progressi e le potenziali applicazioni di scandium contenenti leghe di alluminio nel campo della produzione di apparecchiature per aviazione.
Ricerca e sviluppo della lega di scansium in alluminio
L'aggiunta di scandium come elemento legale alle leghe di alluminio può essere fatta risalire agli anni '60. A quel tempo, la maggior parte del lavoro veniva svolto nei sistemi binari di AL SC e Ternary ALMG SC. Negli anni '70, il Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science della Soviet Academy of Sciences e l'Istituto russo di ricerca in lega leggera conducono uno studio sistematico sulla forma e il meccanismo di scandium nelle leghe di alluminio. Dopo quasi quarant'anni di sforzi, sono stati sviluppati 14 gradi di leghe di scandium in alluminio in tre serie principali (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn Mg SC). La solubilità degli atomi di scandium in alluminio è bassa e, utilizzando adeguati processi di trattamento termico, possono essere precipitati i precipitati di nano AL3SC ad alta densità. Questa fase di precipitazione è quasi sferica, con piccole particelle e distribuzione dispersa, e ha una buona relazione coerente con la matrice di alluminio, che può migliorare notevolmente la resistenza a temperatura ambiente delle leghe di alluminio. Inoltre, i precipitati di Nano AL3SC hanno una buona stabilità termica e una resistenza ingrossato a temperature elevate (entro 400 ℃), il che è estremamente utile per la forte resistenza al calore della lega. In Russia realizzate in alluminio leghe di scansium, il 1570 in lega ha attirato molta attenzione a causa della sua massima resistenza e della sua più ampia applicazione. Questa lega presenta prestazioni eccellenti nell'intervallo di temperatura di lavoro da -196 ℃ a 70 ℃ e ha una superplasticità naturale, che può sostituire la lega di alluminio LF6 fatta russa (una lega di magnesio in alluminio composto principalmente da realizzazioni in alluminio. Inoltre, la Russia ha anche sviluppato leghe di scansium di magnesio di zinco in alluminio, rappresentate dal 1970, con una resistenza materiale di oltre 500 MMPA.
Lo stato di industrializzazione diLega di scansium in alluminio
Nel 2015, l'Unione europea ha pubblicato la "roadmap metallurgica europea: prospettive per produttori e utenti finali", proponendo di studiare la saldabilità dell'alluminioleghe di scansium di magnesio. Nel settembre 2020, l'Unione Europea pubblicò un elenco di 29 risorse minerali chiave, incluso lo scandium. La lega scansium di magnesio in alluminio 5024H116 sviluppata da Ale Aluminium in Germania ha una tolleranza da media a alta resistenza e ad alta resistenza, rendendolo un materiale molto promettente per la pelle di fusoliera. Può essere utilizzato per sostituire le tradizionali leghe di alluminio serie 2xxx ed è stato incluso nel libro degli appalti di materiale AIMS03-01-055 di Airbus. 5028 è un grado migliorato di 5024, adatto per la saldatura laser e la saldatura a agitazione di attrito. Può ottenere il processo di formazione di scorrimento dei pannelli di parete integrale iperbolica, che è resistente alla corrosione e non richiede un rivestimento in alluminio. Rispetto alla lega 2524, la struttura complessiva del pannello della parete della fusoliera può ottenere una riduzione del peso strutturale del 5%. Il foglio in lega di scandium in alluminio AA5024-H116 prodotto da Aili Aluminium Company è stato utilizzato per produrre componenti strutturali di fusoliera di aeromobili e veicoli spaziali. Lo spessore tipico del foglio in lega AA5024-H116 è da 1,6 mm a 8,0 mm e, a causa della sua bassa densità, proprietà meccaniche moderate, elevata resistenza alla corrosione e deviazione dimensionale rigorosa, può sostituire 2524 lega come materiale della pelle della fusoliera. Attualmente, il foglio in lega AA5024-H116 è stato certificato da Airbus AIMS03-04-055. Nel dicembre 2018, il Ministero dell'industria e della tecnologia dell'informazione della Cina ha pubblicato il "Catalogo guida per il primo lotto di dimostrazioni di applicazione secondaria di nuovi materiali chiave (2018 Edition)", che includeva "ossido di scandium ad alta purezza" nel catalogo di sviluppo del nuovo settore dei materiali. Nel 2019, il Ministero dell'industria e della tecnologia dell'informazione della Cina ha pubblicato il "Catalogo guida per il primo lotto di applicazioni dimostrative di nuovi materiali chiave (2019 Edition)", che includeva "SC contenente materiali di lavorazione in lega di alluminio e cavi di saldatura Al Si" nel catalogo di sviluppo del nuovo settore dei materiali. Cina Alluminum Group Northeast Light Leale ha sviluppato una lega 5B70 AL MG SC ZR Series 5B70 contenente scandium e zirconio. Rispetto alla tradizionale lega 5083 Series 5083 senza scandium e zirconio, la sua resa e resistenza alla trazione sono aumentate di oltre il 30%. Inoltre, la lega Zr AL MG SC può mantenere una resistenza di corrosione comparabile alla lega 5083. Al momento, le principali imprese domestiche con grado industrialelega di scansium in alluminioLa capacità di produzione è la società in lega Northeast Light e l'industria dell'alluminio sud -occidentale. Il foglio in lega di scandium in alluminio 5b70 di grandi dimensioni sviluppato 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 foglio sottile e i prodotti di profilo possono essere personalizzati per la produzione, con un intervallo di spessore da 2 mm a 6 mm e una larghezza massima di 1500 mm. L'alluminio sud -ovest ha sviluppato indipendentemente il materiale 5k40 e ha fatto progressi significativi nello sviluppo di piastre sottili. Al Zn Mg Alley è una lega di indugio nel tempo con alta resistenza, buone prestazioni di elaborazione e eccellenti prestazioni di saldatura. È un materiale strutturale indispensabile e importante negli attuali veicoli di trasporto come gli aeroplani. Sulla base di Alzn Mg saldabile a media resistenza, l'aggiunta di elementi in lega di scandium e zirconio può formare nanoparticelle di AL3 (SC, ZR) piccole e disperse nella microstruttura, migliorando significativamente le proprietà meccaniche e la resistenza alla corrosione dello stress della lega. Il Langley Research Center della NASA ha sviluppato una lega di scandium in alluminio ternario con il grado C557, che è pronto per essere applicato nelle missioni modello. La resistenza statica, la propagazione delle crepe e la tesi di frattura di questa lega a bassa temperatura (-200 ℃), la temperatura ambiente e l'alta temperatura (107 ℃) sono tutti uguali o migliori di quelli della lega 2524. La Northwestern University negli Stati Uniti ha sviluppato la lega di alluminio Ultra-High-High Strength ALZN MG SC ALTRA, con una resistenza alla trazione fino a 680 MPA. È stato formato un modello di sviluppo articolare tra la lega di scandium in alluminio ad alta resistenza di media resistenza e la resistenza ultra-alta al Zn Mg SC. Al Zn Mg Cu SC La lega è una lega di alluminio ad alta resistenza con una resistenza alla trazione superiore a 800 MPa. Al momento, la composizione nominale e i parametri di prestazione di base dei gradi principali dilega di scansium in alluminiosono riassunti come segue, come mostrato nelle tabelle 1 e 2.
Tabella 1 | Composizione nominale della lega di scansium in alluminio
Tabella 2 | Microstruttura e proprietà di trazione della lega di scansium in alluminio
Prospettive di applicazione della lega di scansium in alluminio
Alta resistenza Al Zn Mg Cu SC e Al Cui SC Le leghe sono state applicate a componenti strutturali portanti, tra cui i jet da combattimento MIG-21 e MIG-29 russi. Il cruscotto del veicolo spaziale russo “Mars-1 ″ è realizzato con 1570 lega di scandium in alluminio, con una riduzione totale del peso del 20%. I componenti portanti del carico del modulo dello strumento del veicolo spaziale Mars-96 sono realizzati in lega di alluminio del 1970 contenente scandium, riducendo il peso del modulo dello strumento del 10%. Nel programma "Clean Sky" e il progetto "2050 Flight Route" dell'UE, Airbus ha condotto i voli di test di test di alluminio AA5028-H116 AAA5028-H116, Airbus ha condotto Airbus con i voli di test AA5028-H116 di AAA5028-H116. Le leghe di scansium in alluminio rappresentate da AA5028 hanno dimostrato eccellenti prestazioni di elaborazione e saldatura. Utilizzando tecniche di saldatura avanzate come la saldatura di agitazione dell'attrito e la saldatura laser per ottenere una connessione affidabile di scandium contenente materiali in lega di alluminio. La graduale implementazione di "saldatura anziché rivettatura" nelle strutture a piastre sottili rinforzate con aeromobili non solo mantiene la consistenza dei materiali dell'aeromobile e dell'integrità strutturale, ottenendo una produzione efficiente e a basso costo, ma ha anche una riduzione del peso e effetti di tenuta. La ricerca sull'applicazione della lega di alluminio scandium 5b70 da parte di China Aerospace Special Materials Research Institute ha sfondato le tecnologie di una forte rotazione di componenti a spessore delle pareti variabili, il controllo della resistenza alla corrosione e l'abbinamento della resistenza e il controllo dello stress residuo di saldatura. Ha preparato filo di saldatura adattiva in lega di scansium in alluminio e il coefficiente di resistenza all'articolazione della saldatura di agitazione per attrito per piastre spesse in lega può raggiungere 0,92. La China Academy of Space Technology, la Central South University e altri hanno condotto estesi esperimenti di test meccanici e processi sul materiale 5B70, aggiornato e iterato lo schema di selezione del materiale strutturale per 5A06 e hanno iniziato ad applicare la lega di alluminio 5B70 alla struttura principale della struttura complessiva delle pareti rinforzate della cabina della stazione spaziale e di restituzione. Il pannello complessivo della parete della cabina pressurizzata della struttura della piastra è progettato con una combinazione di nervature della pelle e di rinforzo, ottenendo una maggiore integrazione strutturale e ottimizzazione del peso. Pur migliorando la rigidità e la resistenza complessive, riduce il numero e la complessità del collegamento dei componenti, riducendo così ulteriormente il peso mantenendo prestazioni elevate. Con la promozione dell'applicazione di ingegneria dei materiali 5B70, l'uso di materiale 5B70 aumenterà e supererà gradualmente la soglia di alimentazione minima, che contribuirà a garantire la produzione continua e la qualità stabile delle materie prime e ridurrà significativamente i prezzi delle materie prime. Come accennato in precedenza, sebbene molte proprietà delle leghe di alluminio siano state migliorate attraverso i microalloying di scandium, l'alto prezzo e la scarsità di scandium limitano la gamma di applicazioni delle leghe di scandium in alluminio. Rispetto ai materiali in lega di alluminio come Al Cu, Al Zn, Al Znmg, scandium contenenti materiali in lega di alluminio hanno buone proprietà meccaniche complete, resistenza alla corrosione e eccellenti caratteristiche di elaborazione, che li fanno avere ampie prospettive di applicazione nella produzione dei principali componenti strutturali in campi industriali come aerospaziale. Con il continuo approfondimento della ricerca sulla tecnologia di microalloying di scandium e il miglioramento della catena di approvvigionamento e della corrispondenza della catena industriale, i fattori di prezzo e di costo che limitano l'applicazione industriale su larga scala delle leghe in alluminio scansium miglioreranno gradualmente. Le buone proprietà meccaniche complete, la resistenza alla corrosione e le eccellenti caratteristiche di elaborazione delle leghe di scansium in alluminio rendono le chiare vantaggi di riduzione del peso strutturale e un ampio potenziale di applicazione nel campo della produzione di apparecchiature aeronautiche.
Tempo post: ottobre-20-2024