Као лака легура која је кључна за опрему за авионски транспорт, макроскопска механичка својства алуминијумске легуре су уско повезана са њеном микроструктуром. Променом главних легирајућих елемената у структури алуминијумске легуре, микроструктура алуминијумске легуре може се променити, а макроскопска механичка својства и друга својства (као што су отпорност на корозију и перформансе заваривања) материјала могу се значајно побољшати. До сада је микролегирање постало најперспективнија стратегија технолошког развоја за оптимизацију микроструктуре алуминијумских легура и побољшање свеобухватних својстава материјала од алуминијумских легура.Скандијум(Sc) је најефикаснији појачивач микролегирајућих елемената познат за легуре алуминијума. Растворљивост скандијума у алуминијумској матрици је мања од 0,35 теж. Додавање трагова скандијума легурама алуминијума може ефикасно побољшати њихову микроструктуру, свеобухватно повећати њихову чврстоћу, тврдоћу, пластичност, термичку стабилност и отпорност на корозију. Скандијум има вишеструке физичке ефекте у легурама алуминијума, укључујући ојачавање чврстим раствором, ојачавање честицама и инхибицију рекристализације. Овај чланак ће представити историјски развој, најновији напредак и потенцијалне примене легура алуминијума које садрже скандијум у области производње авионске опреме.
Истраживање и развој легуре алуминијум-скандијума
Додавање скандијума као легирајућег елемента легурама алуминијума може се пратити до 1960-их. У то време, већина рада је обављена у бинарним AlSc и тернарним AlMgSc системима легура. Током 1970-их, Бајков институт за металургију и науку о материјалима Совјетске академије наука и Сверуски институт за истраживање лаких легура спровели су систематску студију о облику и механизму скандијума у легурама алуминијума. Након скоро четрдесет година напора, развијено је 14 врста легура алуминијум-скандијума у три главне серије (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Растворљивост атома скандијума у алуминијуму је ниска, а коришћењем одговарајућих процеса термичке обраде могу се исталожити Al3Sc наноталози високе густине. Ова фаза таложења је скоро сферна, са малим честицама и диспергованом расподелом, и има добар кохерентан однос са алуминијумском матрицом, што може значајно побољшати чврстоћу легура алуминијума на собној температури. Поред тога, Al3Sc нано преципитати имају добру термичку стабилност и отпорност на грубљење на високим температурама (унутар 400 ℃), што је изузетно корисно за јаку отпорност легуре на топлоту. Код легура алуминијум-скандијума произведених у Русији, легура 1570 је привукла велику пажњу због своје највеће чврстоће и најшире примене. Ова легура показује одличне перформансе у радном температурном опсегу од -196 ℃ до 70 ℃ и има природну суперпластичност, што јој омогућава да замени алуминијумску легуру LF6 произведену у Русији (легура алуминијум-магнезијума која се углавном састоји од алуминијума, магнезијума, бакра, мангана и силицијума) за носеће заварене конструкције у течном кисеонику, са значајно побољшаним перформансама. Поред тога, Русија је такође развила легуре алуминијум-цинк-магнезијум-скандијума, које представља компанија 1970, са чврстоћом материјала преко 500 MPa.
Статус индустријализацијеЛегура алуминијум-скандијума
Европска унија је 2015. године објавила „Европски металуршки путни план: Перспективе за произвођаче и крајње кориснике“, предлажући проучавање заварљивости алуминијума.легуре магнезијум-скандијумаУ септембру 2020. године, Европска унија је објавила листу од 29 кључних минералних ресурса, укључујући скандијум. Легура алуминијум-магнијезијум-скандијума 5024H116 коју је развила компанија Ale Aluminum у Немачкој има средњу до високу чврстоћу и високу толеранцију на оштећења, што је чини веома перспективним материјалом за облогу трупа. Може се користити за замену традиционалних легура алуминијума серије 2xxx и укључена је у књигу о набавци материјала AIMS03-01-055 компаније Airbus. 5028 је побољшана класа 5024, погодна за ласерско заваривање и заваривање трењем са мешањем. Може постићи процес пузања хиперболичких интегралних зидних панела, који је отпоран на корозију и не захтева алуминијумски премаз. У поређењу са легуром 2524, укупна структура зидних панела трупа може постићи смањење структурне тежине од 5%. Лим од легуре алуминијум-скандијума AA5024-H116 који производи компанија Aili Aluminum Company коришћен је за производњу трупа авиона и структурних компоненти свемирских летелица. Типична дебљина лима од легуре AA5024-H116 је од 1,6 мм до 8,0 мм, и због своје ниске густине, умерених механичких својстава, високе отпорности на корозију и строгог димензионалног одступања, може заменити легуру 2524 као материјал за облогу трупа. Тренутно, лим од легуре AA5024-H116 је сертификован од стране Airbus AIMS03-04-055. У децембру 2018. године, Министарство индустрије и информационих технологија Кине објавило је „Водич за прву серију демонстрација секундарне примене кључних нових материјала (издање 2018)“, који је у развојном каталогу индустрије нових материјала уврстио „високочисти скандијум оксид“. Министарство индустрије и информационих технологија Кине објавило је 2019. године „Водич за прву серију демонстрација примене кључних нових материјала (издање 2019)“, који је у развојном каталогу индустрије нових материјала уврстио „Материјале за обраду легура алуминијума које садрже Sc и жице за заваривање Al Si Sc“. Кинеска алуминијумска група „Североисточна лака легура“ развила је легуру Al Mg Sc Zr серије 5B70 која садржи скандијум и цирконијум. У поређењу са традиционалном легуром Al Mg серије 5083 без скандијума и цирконијума, њена чврстоћа на терет и затезна чврстоћа су повећане за више од 30%. Штавише, легура Al Mg Sc Zr може да одржи отпорност на корозију упоредиву са легуром 5083. Тренутно, главна домаћа предузећа са индустријским квалитетом...легура алуминијум-скандијумаПроизводни капацитети су компаније Northeast Light Alloy Company и Southwest Aluminum Industry. Велики лим од легуре алуминијума и скандијума 5B70, који је развила компанија Northeast Light Alloy Co., Ltd., може да испоручи велике дебеле плоче од легуре алуминијума максималне дебљине 70 мм и максималне ширине 3500 мм; производи од танких лимова и профила могу се прилагодити за производњу, са распоном дебљине од 2 мм до 6 мм и максималном ширином од 1500 мм. Southwest Aluminum је самостално развио материјал 5K40 и постигао значајан напредак у развоју танких плоча. Легура Al Zn Mg је легура која се временом очвршћава, са високом чврстоћом, добрим перформансама обраде и одличним перформансама заваривања. То је неопходан и важан структурни материјал у савременим транспортним возилима као што су авиони. На бази AlZn Mg средње чврстоће, заваривог AlZn Mg, додавањем елемената легуре скандијума и цирконијума, могу се формирати мале и дисперговане наночестице Al3 (Sc, Zr) у микроструктури, значајно побољшавајући механичка својства и отпорност легуре на корозију под напоном. Истраживачки центар Ленгли при НАСА-и развио је тернарну легуру алуминијум-скандијума класе C557, која је спремна за примену у моделским мисијама. Статичка чврстоћа, ширење пукотина и жилавост на лом ове легуре на ниској температури (-200 ℃), собној температури и високој температури (107 ℃) су једнаке или боље од оних код легуре 2524. Универзитет Нортвестерн у Сједињеним Државама развио је легуру AlZnMgSc серије 7000, ултра-високо чврсту легуру алуминијума, са затезном чврстоћом до 680 MPa. Формиран је образац развоја споја између легуре алуминијум-скандијума средње високе чврстоће и ултра-високо чврсте AlZnMgSc. Легура AlZnMgCuSc је легура алуминијума високе чврстоће са затезном чврстоћом већом од 800 MPa. Тренутно, номинални састав и основни параметри перформанси главних класа...легура алуминијум-скандијумасу сумирани на следећи начин, као што је приказано у табелама 1 и 2.
Табела 1 | Номинални састав легуре алуминијума и скандијума
Табела 2 | Микроструктура и затезна својства легуре алуминијум-скандијума
Перспективе примене легуре алуминијум-скандијума
Легуре високе чврстоће Al, Zn, Mg, Cu, Sc и Al, CuLi, Sc примењене су на носеће структурне компоненте, укључујући руске борбене авионе МиГ-21 и МиГ-29. Контролна табла руске летелице „Марс-1“ направљена је од легуре алуминијума и скандијума 1570, са укупним смањењем тежине од 20%. Носиве компоненте инструменталног модула летелице Марс-96 направљене су од легуре алуминијума 1970 која садржи скандијум, смањујући тежину инструменталног модула за 10%. У оквиру програма „Чисто небо“ и пројекта ЕУ „Рута лета 2050“, Ербас је спровео интегрисане летове пројектовања врата теретног простора, истраживања и развоја, производње и инсталације за авион А321 на основу наследне легуре алуминијума и скандијума 5024 класе АА5028-Х116. Легуре алуминијума и скандијума, представљене са АА5028, показале су одличне перформансе обраде и заваривања. Коришћењем напредних техника заваривања као што су заваривање трењем са мешањем и ласерско заваривање постиже се поуздано повезивање материјала од легура алуминијума које садрже скандијум. Постепена примена „заваривања уместо закивања“ у танкоплочним структурама армираних авионима не само да одржава конзистентност материјала авиона и структурни интегритет, постижући ефикасну и јефтину производњу, већ има и ефекте смањења тежине и заптивања. Примена Истраживање легуре алуминијум-скандијума 5Б70 од стране Кинеског института за истраживање специјалних материјала за ваздухопловство пробило је технологије снажног окретања компоненти променљиве дебљине зида, контроле отпорности на корозију и усклађивања чврстоће, као и контроле заосталог напона заваривања. Припремили су адаптивну жицу за заваривање легуре алуминијум-скандијума, а коефицијент чврстоће споја трењем заваривања дебелих плоча у легури може достићи 0,92. Кинеска академија за свемирску технологију, Централни јужни универзитет и други спровели су опсежна испитивања механичких перформанси и процесне експерименте на материјалу 5Б70, надоградили и поновили шему избора структурног материјала за 5А06 и почели су да примењују легуру алуминијума 5Б70 на главну структуру укупних ојачаних зидних панела затворене кабине и повратне кабине свемирске станице. Укупни зидни панел кабине под притиском са плочастом структуром је дизајниран са комбинацијом облоге и ребара за ојачање, постижући већу структурну интеграцију и оптимизацију тежине. Уз побољшање укупне крутости и чврстоће, смањује се број и сложеност спојних компоненти, чиме се додатно смањује тежина уз одржавање високих перформанси. Са промоцијом примене инжењерства материјала 5Б70, употреба материјала 5Б70 ће се постепено повећавати. и прећи минимални праг снабдевања, што ће помоћи у обезбеђивању континуиране производње и стабилног квалитета сировина, и значајно смањити цене сировина. Као што је раније поменуто, иако су многа својства легура алуминијума побољшана микролегирањем скандијума, висока цена и оскудица скандијума ограничавају опсег примене легура алуминијума и скандијума. У поређењу са материјалима од легура алуминијума као што су Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, материјали од легура алуминијума који садрже скандијум имају добра свеобухватна механичка својства, отпорност на корозију и одличне карактеристике обраде, што им даје широке перспективе примене у производњи главних структурних компоненти у индустријским областима као што је ваздухопловство. Са континуираним продубљивањем истраживања технологије микролегирања скандијума и побољшањем ланца снабдевања и усклађивања индустријских ланаца, фактори цене и трошкова који ограничавају индустријску примену легура скандијума и алуминијума на велико ће се постепено побољшавати. Добра свеобухватна механичка својства, отпорност на корозију и одличне карактеристике обраде легура алуминијума и скандијума дају им јасне предности у смањењу структурне тежине и широк потенцијал примене у области производње авионске опреме.
Време објаве: 29. октобар 2024.