Алюмінієвий сплав, як легкий сплав, що має вирішальне значення для авіаційного транспортного обладнання, має макроскопічні механічні властивості, тісно пов'язані з його мікроструктурою. Змінюючи основні легуючі елементи в структурі алюмінієвого сплаву, можна змінити мікроструктуру алюмінієвого сплаву, а також значно покращити макроскопічні механічні властивості та інші властивості (такі як корозійна стійкість та зварювальні властивості) матеріалу. На сьогодні мікролегування стало найперспективнішою стратегією технологічного розвитку для оптимізації мікроструктури алюмінієвих сплавів та покращення комплексних властивостей алюмінієвих сплавів.Скандій(Sc) є найефективнішим відомим підсилювачем мікролегуючих елементів для алюмінієвих сплавів. Розчинність скандію в алюмінієвій матриці становить менше 0,35 мас.%. Додавання слідових кількостей скандію до алюмінієвих сплавів може ефективно покращити їхню мікроструктуру, всебічно підвищити їхню міцність, твердість, пластичність, термостабільність та корозійну стійкість. Скандій має численні фізичні ефекти в алюмінієвих сплавах, включаючи зміцнення твердого розчину, зміцнення частинок та гальмування рекристалізації. У цій статті буде представлено історичний розвиток, останній прогрес та потенційне застосування алюмінієвих сплавів, що містять скандій, у галузі виробництва авіаційного обладнання.
Дослідження та розробка алюмінієво-скандієвого сплаву
Додавання скандію як легуючого елемента до алюмінієвих сплавів можна простежити з 1960-х років. У той час більшість робіт проводилася з бінарними системами сплавів AlSc та потрійними AlMgSc. У 1970-х роках Інститут металургії та матеріалознавства ім. Байкова Академії наук СРСР та Всеросійський інститут дослідження легких сплавів провели систематичне дослідження форми та механізму скандію в алюмінієвих сплавах. Після майже сорока років зусиль було розроблено 14 марок алюмінієво-скандієвих сплавів трьох основних серій (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Розчинність атомів скандію в алюмінії низька, і за допомогою відповідних процесів термічної обробки можна осадити нанопреципітати Al3Sc високої щільності. Ця фаза осадження майже сферична, з дрібними частинками та дисперсним розподілом, і має хороший когерентний зв'язок з алюмінієвою матрицею, що може значно покращити міцність алюмінієвих сплавів за кімнатної температури. Крім того, нанопреципітати Al3Sc мають добру термічну стабільність та стійкість до укрупнення за високих температур (в межах 400 ℃), що надзвичайно корисно для високої термостійкості сплаву. Серед російських алюмінієво-скандієвих сплавів сплав 1570 привернув значну увагу завдяки своїй найвищій міцності та найширшому застосуванню. Цей сплав демонструє чудові характеристики в робочому діапазоні температур від -196 ℃ до 70 ℃ та має природну надпластичність, що дозволяє замінити російський алюмінієвий сплав LF6 (алюмінієво-магнієвий сплав, що складається переважно з алюмінію, магнію, міді, марганцю та кремнію) для несучих зварювальних конструкцій у середовищі рідкого кисню, значно покращивши свої характеристики. Крім того, Росія також розробила алюмінієво-цинкові магнієво-скандієві сплави, представлені компанією 1970, з міцністю матеріалу понад 500 МПа.
Стан індустріалізаціїАлюмінієвий скандієвий сплав
У 2015 році Європейський Союз опублікував «Європейську металургійну дорожню карту: перспективи для виробників та кінцевих користувачів», пропонуючи вивчати зварюваність алюмініюмагнієво-скандієві сплавиУ вересні 2020 року Європейський Союз опублікував список з 29 ключових мінеральних ресурсів, включаючи скандій. Алюмінієво-магнієвий скандієвий сплав 5024H116, розроблений компанією Ale Aluminum у Німеччині, має середню та високу міцність та високу стійкість до пошкоджень, що робить його дуже перспективним матеріалом для обшивки фюзеляжу. Його можна використовувати для заміни традиційних алюмінієвих сплавів серії 2xxx, і він був включений до книги закупівель матеріалів AIMS03-01-055 компанії Airbus. 5028 – це покращений сорт 5024, придатний для лазерного зварювання та зварювання тертям з перемішуванням. Він може досягати процесу повзучого формування гіперболічних інтегральних стінових панелей, стійких до корозії та не потребують алюмінієвого покриття. Порівняно зі сплавом 2524, загальна структура стінових панелей фюзеляжу може досягти 5% зниження структурної ваги. Лист алюмінієво-скандієвого сплаву AA5024-H116, вироблений компанією Aili Aluminum Company, використовується для виготовлення фюзеляжів літаків та конструкційних компонентів космічних апаратів. Типова товщина листа зі сплаву AA5024-H116 становить від 1,6 мм до 8,0 мм, і завдяки низькій щільності, помірним механічним властивостям, високій корозійній стійкості та суворому відхиленню розмірів, він може замінити сплав 2524 як матеріал обшивки фюзеляжу. Наразі лист зі сплаву AA5024-H116 сертифікований Airbus AIMS03-04-055. У грудні 2018 року Міністерство промисловості та інформаційних технологій Китаю опублікувало «Керівницький каталог для першої партії демонстрацій вторинного застосування ключових нових матеріалів (видання 2018 року)», який включив «високочистий оксид скандію» до каталогу розробок галузі нових матеріалів. У 2019 році Міністерство промисловості та інформаційних технологій Китаю опублікувало «Керівницький каталог для першої партії демонстраційних застосувань ключових нових матеріалів (видання 2019 року)», який включив «Матеріали для обробки алюмінієвих сплавів, що містять Sc, та зварювальні дроти AlSiSc» до каталогу розробок галузі нових матеріалів. Китайська алюмінієва група Північно-Східного легкого сплаву розробила сплав AlMgScZr серії 5B70, що містить скандій та цирконій. Порівняно з традиційним сплавом AlMg серії 5083 без скандію та цирконію, його плинність та міцність на розрив зросли більш ніж на 30%. Крім того, сплав AlMgScZr може підтримувати корозійну стійкість, порівнянну зі сплавом 5083. Наразі основні вітчизняні підприємства з промисловим класом...алюмінієво-скандієвий сплавВиробничі потужності компанії Northeast Light Alloy Company та Southwest Aluminum Industry. Великогабаритний лист алюмінієво-скандієвого сплаву 5B70, розроблений компанією Northeast Light Alloy Co., Ltd., може постачати великі товсті пластини з алюмінієвого сплаву максимальною товщиною 70 мм та максимальною шириною 3500 мм; тонколистові та профільні вироби можуть бути виготовлені на замовлення для виробництва, з діапазоном товщини від 2 мм до 6 мм та максимальною шириною 1500 мм. Southwest Aluminum самостійно розробила матеріал 5K40 та досягла значного прогресу в розробці тонких пластин. Сплав AlZnMg - це сплав, що гартується часом, з високою міцністю, хорошими технологічними характеристиками та чудовими зварювальними характеристиками. Це незамінний та важливий конструкційний матеріал у сучасних транспортних засобах, таких як літаки. На основі зварюваного AlZnMg середньої міцності, додавання елементів сплаву скандію та цирконію може утворювати дрібні та дисперсні наночастинки Al3 (Sc, Zr) у мікроструктурі, значно покращуючи механічні властивості та корозійну стійкість сплаву під напругою. Дослідницький центр Ленглі NASA розробив потрійний алюмінієво-скандієвий сплав марки C557, готовий до застосування в модельних місіях. Статична міцність, поширення тріщин та в'язкість руйнування цього сплаву за низької температури (-200 ℃), кімнатної температури та високої температури (107 ℃) рівні або кращі, ніж у сплаву 2524. Північно-Західний університет у Сполучених Штатах розробив надвисокоміцний алюмінієвий сплав AlZnMgSc серії 7000 з міцністю на розрив до 680 МПа. Була сформована схема розвитку спільного процесу між середньо-високоміцним алюмінієво-скандієвим сплавом та надвисокоміцним AlZnMgSc. Сплав AlZnMgCuSc - це високоміцний алюмінієвий сплав з міцністю на розрив понад 800 МПа. Наразі номінальний склад та основні експлуатаційні параметри основних марок...алюмінієво-скандієвий сплавузагальнено наступним чином, як показано в таблицях 1 та 2.
Таблиця 1 | Номінальний склад алюмінієво-скандієвого сплаву
Таблиця 2 | Мікроструктура та властивості на розтяг алюмінієво-скандієвого сплаву
Перспективи застосування алюмінієво-скандієвого сплаву
Високоміцні сплави AlZnMgCuSc та AlCuLiSc застосовувалися для несучих конструкційних компонентів, зокрема російських винищувачів МіГ-21 та МіГ-29. Приладова панель російського космічного корабля «Марс-1» виготовлена з алюмінієвого скандієвого сплаву 1570, що забезпечує загальне зниження ваги на 20%. Несучі компоненти приладового модуля космічного корабля «Марс-96» виготовлені з алюмінієвого сплаву 1970, що містить скандій, що зменшує вагу приладового модуля на 10%. У рамках програми «Чисте небо» та проекту ЄС «Маршрут польоту 2050» компанія Airbus провела комплексні проектування, дослідження та розробку, виробництво та монтажні випробувальні польоти дверей вантажного відсіку для літака A321 на основі наступника алюмінієвого скандієвого сплаву 5024 марки AA5028-H116. Алюмінієві скандієві сплави, представлені AA5028, продемонстрували чудові характеристики обробки та зварювання. Використовуючи передові методи зварювання, такі як зварювання тертям з перемішуванням та лазерне зварювання, можна досягти надійного з'єднання матеріалів з алюмінієвих сплавів, що містять скандій. Поступове впровадження «зварювання замість клепки» в армовані літаками тонкі пластинчасті конструкції не тільки підтримує узгодженість матеріалів літака та структурну цілісність, досягаючи ефективного та низьковитратного виробництва, але й має ефект зниження ваги та герметизації. Застосування Дослідження сплаву алюмінію-скандію 5B70, проведене Китайським науково-дослідним інститутом спеціальних аерокосмічних матеріалів, дозволило розробити технології сильного обертання компонентів зі змінною товщиною стінки, контролю корозійної стійкості та відповідності міцності, а також контролю залишкових напружень зварювання. Було підготовлено адаптивний зварювальний дріт зі сплаву алюмінію-скандію, а коефіцієнт міцності з'єднання при зварюванні тертям з перемішуванням для товстих пластин у цьому сплаві може досягати 0,92. Китайська академія космічних технологій, Центральний південний університет та інші провели масштабні випробування механічних характеристик та технологічні експерименти з матеріалом 5B70, оновили та повторили схему вибору конструкційного матеріалу для 5A06, і почали застосовувати алюмінієвий сплав 5B70 до основної конструкції загальних посилених стінових панелей герметичної кабіни та кабіни зворотного ходу космічної станції. Загальна стінова панель герметичної кабіни з пластинчастою конструкцією розроблена з комбінацією обшивки та ребер армування, що забезпечує вищу структурну інтеграцію та оптимізацію ваги. Покращуючи загальну жорсткість та міцність, це зменшує кількість та складність з'єднувальних компонентів, тим самим ще більше знижуючи вагу, зберігаючи високі експлуатаційні характеристики. Зі сприянням застосуванню матеріалознавства 5B70 використання матеріалу 5B70 поступово зростатиме. і перевищити мінімальний поріг постачання, що допоможе забезпечити безперервне виробництво та стабільну якість сировини, а також значно знизити ціни на сировину. Як згадувалося раніше, хоча багато властивостей алюмінієвих сплавів були покращені завдяки мікролегуванню скандієм, висока ціна та дефіцит скандію обмежують діапазон застосування алюмінієво-скандієвих сплавів. Порівняно з алюмінієвими сплавами, такими як AlCu, AlZn, AlZnMg, матеріали алюмінієвих сплавів, що містять скандій, мають добрі комплексні механічні властивості, корозійну стійкість та чудові технологічні характеристики, що робить їх широкими перспективами застосування у виробництві основних конструкційних компонентів у промислових галузях, таких як аерокосмічна галузь. З постійним поглибленням досліджень технології мікролегування скандієм та вдосконаленням ланцюга поставок та узгодження промислових ланцюгів, фактори ціни та вартості, які обмежують широкомасштабне промислове застосування алюмінієвих сплавів зі скандієм, поступово покращуватимуться. Хороші комплексні механічні властивості, корозійна стійкість та чудові технологічні характеристики алюмінієво-скандієвих сплавів дають їм явні переваги у зменшенні структурної ваги та широкий потенціал застосування у виробництві авіаційного обладнання.
Час публікації: 29 жовтня 2024 р.