Als lichtmetaallegering die cruciaal is voor luchtvaarttransportapparatuur, zijn de macroscopische mechanische eigenschappen van aluminiumlegeringen nauw verbonden met de microstructuur. Door de belangrijkste legeringselementen in de structuur van de aluminiumlegering te wijzigen, kan de microstructuur van de aluminiumlegering worden aangepast en kunnen de macroscopische mechanische eigenschappen en andere eigenschappen (zoals corrosiebestendigheid en lasprestaties) van het materiaal aanzienlijk worden verbeterd. Tot nu toe is microlegering de meest veelbelovende technologische ontwikkelingsstrategie geworden voor het optimaliseren van de microstructuur van aluminiumlegeringen en het verbeteren van de algehele eigenschappen van aluminiumlegeringsmaterialen.Scandium(Sc) is de meest effectieve microlegeringselementversterker voor aluminiumlegeringen. De oplosbaarheid van scandium in de aluminiummatrix is minder dan 0,35 gew.%. Het toevoegen van sporen scandium aan aluminiumlegeringen kan hun microstructuur effectief verbeteren en hun sterkte, hardheid, plasticiteit, thermische stabiliteit en corrosiebestendigheid aanzienlijk verbeteren. Scandium heeft meerdere fysische effecten in aluminiumlegeringen, waaronder het versterken van vaste oplossingen, het versterken van deeltjes en het remmen van herkristallisatie. Dit artikel introduceert de historische ontwikkeling, de nieuwste ontwikkelingen en mogelijke toepassingen van scandiumhoudende aluminiumlegeringen in de productie van vliegtuigapparatuur.
Onderzoek en ontwikkeling van aluminiumscandiumlegering
De toevoeging van scandium als legeringselement aan aluminiumlegeringen gaat terug tot de jaren 60. In die tijd werd het meeste werk uitgevoerd in binaire Al3Sc en ternaire AlMgSc legeringssystemen. In de jaren 70 voerden het Baykov Instituut voor Metallurgie en Materiaalkunde van de Sovjet Academie van Wetenschappen en het Russische Instituut voor Onderzoek naar Lichte Legeringen een systematische studie uit naar de vorm en het mechanisme van scandium in aluminiumlegeringen. Na bijna veertig jaar onderzoek zijn 14 soorten aluminium-scandiumlegeringen ontwikkeld in drie grote series (Al MgSc, Al LiSc, Al Zn MgSc). De oplosbaarheid van scandiumatomen in aluminium is laag en met behulp van geschikte warmtebehandelingsprocessen kunnen Al3Sc nanoprecipitaten met een hoge dichtheid worden geprecipiteerd. Deze precipitatiefase is bijna bolvormig, met kleine deeltjes en een verspreide verdeling, en heeft een goede coherente relatie met de aluminiummatrix, wat de sterkte van aluminiumlegeringen bij kamertemperatuur aanzienlijk kan verbeteren. Bovendien hebben Al3Sc nanoprecipitaten een goede thermische stabiliteit en weerstand tegen vergroving bij hoge temperaturen (binnen 400 ℃), wat uiterst gunstig is voor de sterke hittebestendigheid van de legering. In Russisch geproduceerde aluminiumscandiumlegeringen heeft de 1570-legering veel aandacht getrokken vanwege zijn hoogste sterkte en breedste toepassing. Deze legering vertoont uitstekende prestaties in het werktemperatuurbereik van -196 ℃ tot 70 ℃ en heeft een natuurlijke superplasticiteit, die de in Rusland geproduceerde LF6 aluminiumlegering (een aluminiummagnesiumlegering die voornamelijk bestaat uit aluminium, magnesium, koper, mangaan en silicium) kan vervangen voor dragende lasconstructies in vloeibaar zuurstofmedium, met aanzienlijk verbeterde prestaties. Daarnaast heeft Rusland ook aluminiumzinkmagnesiumscandiumlegeringen ontwikkeld, vertegenwoordigd door 1970, met een materiaalsterkte van meer dan 500 MPa.
De industrialisatiestatus vanAluminium Scandiumlegering
In 2015 publiceerde de Europese Unie de “European Metallurgical Roadmap: Prospects for Manufacturers and End Users”, waarin werd voorgesteld de lasbaarheid van aluminium te onderzoekenmagnesiumscandiumlegeringenIn september 2020 publiceerde de Europese Unie een lijst met 29 belangrijke minerale grondstoffen, waaronder scandium. De 5024H116 aluminium-magnesium-scandiumlegering, ontwikkeld door Ale Aluminium in Duitsland, heeft een gemiddelde tot hoge sterkte en een hoge schadetolerantie, waardoor het een veelbelovend materiaal is voor de romphuid. Het kan worden gebruikt ter vervanging van traditionele aluminiumlegeringen uit de 2xxx-serie en is opgenomen in het materiaalinkoopboek AIMS03-01-055 van Airbus. 5028 is een verbeterde kwaliteit van 5024, geschikt voor laserlassen en wrijvingslassen. Het kan het kruipvormingsproces van hyperbolische integrale wandpanelen bereiken, is corrosiebestendig en vereist geen aluminiumcoating. Vergeleken met 2524-legering kan de totale wandpaneelstructuur van de romp een structurele gewichtsvermindering van 5% bereiken. De AA5024-H116 aluminium-scandiumlegering, geproduceerd door Aili Aluminum Company, is gebruikt voor de productie van vliegtuigrompen en structurele componenten van ruimtevaartuigen. De typische dikte van de AA5024-H116-legeringsplaat is 1,6 mm tot 8,0 mm. Dankzij de lage dichtheid, matige mechanische eigenschappen, hoge corrosiebestendigheid en strikte maatafwijkingen kan deze plaat de 2524-legering vervangen als materiaal voor de romphuid. De AA5024-H116-legeringsplaat is momenteel gecertificeerd door Airbus AIMS03-04-055. In december 2018 publiceerde het Chinese Ministerie van Industrie en Informatietechnologie de "Leidraadcatalogus voor de eerste batch secundaire toepassingsdemonstraties van belangrijke nieuwe materialen (editie 2018)", waarin "scandiumoxide met hoge zuiverheidsgraad" was opgenomen in de ontwikkelingscatalogus van de nieuwe materialenindustrie. In 2019 publiceerde het Chinese Ministerie van Industrie en Informatietechnologie de "Leidraadcatalogus voor de eerste reeks demonstratietoepassingen van belangrijke nieuwe materialen (editie 2019)", met daarin "Sc met aluminiumlegeringverwerkingsmaterialen en AlSiSc-lasdraden" in de ontwikkelingscatalogus van de nieuwe materialenindustrie. China Aluminium Group Northeast Light Alloy heeft een Al MgSc Zr-legering uit de 5B70-serie ontwikkeld die scandium en zirkonium bevat. Vergeleken met de traditionele Al MgSc Zr-legering uit de 5083-serie zonder scandium en zirkonium, zijn de vloeigrens en treksterkte met meer dan 30% toegenomen. Bovendien behoudt de Al MgSc Zr-legering een vergelijkbare corrosiebestendigheid als de 5083-legering. Momenteel zijn de belangrijkste binnenlandse bedrijven met industriële kwaliteit...aluminium scandiumlegeringDe productiecapaciteit is van Northeast Light Alloy Company en Southwest Aluminum Industry. De grote 5B70 aluminium scandiumlegeringsplaat, ontwikkeld door Northeast Light Alloy Co., Ltd., kan grote dikke aluminiumlegeringsplaten leveren met een maximale dikte van 70 mm en een maximale breedte van 3500 mm; dunne plaatproducten en profielproducten kunnen op maat worden gemaakt voor productie, met een diktebereik van 2 mm tot 6 mm en een maximale breedte van 1500 mm. Southwest Aluminum heeft onafhankelijk 5K40-materiaal ontwikkeld en aanzienlijke vooruitgang geboekt in de ontwikkeling van dunne platen. Al Zn Mg-legering is een tijdhardende legering met een hoge sterkte, goede verwerkingsprestaties en uitstekende lasprestaties. Het is een onmisbaar en belangrijk structureel materiaal in huidige transportmiddelen zoals vliegtuigen. Op basis van het lasbare AlZn Mg met gemiddelde sterkte kunnen scandium- en zirkoniumlegeringselementen kleine en verspreide Al3 (Sc, Zr) nanodeeltjes in de microstructuur worden gevormd, waardoor de mechanische eigenschappen en de spanningscorrosiebestendigheid van de legering aanzienlijk worden verbeterd. Het Langley Research Center van NASA heeft een ternaire aluminiumscandiumlegering ontwikkeld met de kwaliteit C557, die klaar is voor toepassing in modelmissies. De statische sterkte, scheurvoortplanting en breuktaaiheid van deze legering bij lage temperaturen (-200 ℃), kamertemperatuur en hoge temperaturen (107 ℃) zijn allemaal gelijk aan of beter dan die van de 2524-legering. Northwestern University in de Verenigde Staten heeft de AlZn Mg Sc-legering 7000-serie ultrahoge sterkte aluminiumlegering ontwikkeld, met een treksterkte tot 680 MPa. Er is een patroon van gezamenlijke ontwikkeling gevormd tussen middelhoge sterkte aluminiumscandiumlegering en ultrahoge sterkte Al Zn Mg Sc. De Al Zn Mg Cu Sc-legering is een zeer sterke aluminiumlegering met een treksterkte van meer dan 800 MPa. Momenteel zijn de nominale samenstelling en fundamentele prestatieparameters van de belangrijkste kwaliteiten vanaluminium scandiumlegeringworden als volgt samengevat, zoals weergegeven in de tabellen 1 en 2.
Tabel 1 | Nominale samenstelling van aluminium-scandiumlegering
Tabel 2 | Microstructuur en treksterkte-eigenschappen van aluminiumscandiumlegering
Toepassingsmogelijkheden van aluminiumscandiumlegering
Hoogwaardige legeringen Al Zn Mg Cu Sc en Al CuLi Sc zijn toegepast op dragende structurele componenten, waaronder de Russische MiG-21 en MiG-29 straaljagers. Het dashboard van het Russische ruimtevaartuig "Mars-1" is gemaakt van een 1570 aluminiumscandiumlegering, wat een totale gewichtsvermindering van 20% oplevert. De dragende componenten van de instrumentmodule van het Mars-96 ruimtevaartuig zijn gemaakt van een 1970 aluminiumlegering met scandium, wat het gewicht van de instrumentmodule met 10% vermindert. In het kader van het "Clean Sky"-programma en het EU-project "2050 Flight Route" voerde Airbus testvluchten uit voor het ontwerp, de ontwikkeling, de productie en de installatie van geïntegreerde vrachtdeuren voor A321-vliegtuigen op basis van de opvolgerklasse AA5028-H116 aluminiumscandiumlegering van 5024 aluminiumscandiumlegering. Aluminiumscandiumlegeringen, vertegenwoordigd door AA5028, vertoonden uitstekende verwerkings- en lasprestaties. Door gebruik te maken van geavanceerde lastechnieken zoals wrijvingslassen en laserlassen, werd een betrouwbare verbinding van scandiumhoudende aluminiumlegeringsmaterialen bereikt. De geleidelijke implementatie van "lassen in plaats van klinken" in vliegtuigversterkte dunne plaatconstructies behoudt niet alleen de consistentie van vliegtuigmaterialen en structurele Integriteit, wat leidt tot efficiënte en goedkope productie, maar ook tot gewichtsreductie en afdichtingseffecten. Het toepassingsonderzoek van aluminiumscandium 5B70 door het China Aerospace Special Materials Research Institute heeft een doorbraak bereikt in de technologieën voor het sterk spinnen van componenten met variabele wanddikte, het beheersen van corrosiebestendigheid en sterkteaanpassing, en het beheersen van lasrestspanning. Het heeft adaptieve lasdraad voor aluminiumscandiumlegering ontwikkeld, en de verbindingssterktecoëfficiënt van wrijvingslassen voor dikke platen in de legering kan 0,92 bereiken. De China Academy of Space Technology, Central South University en andere bedrijven hebben uitgebreide mechanische prestatietests en procesexperimenten uitgevoerd met het 5B70-materiaal, het selectieschema voor structureel materiaal voor 5A06 verbeterd en herhaald, en zijn begonnen met het toepassen van de 5B70-aluminiumlegering op de hoofdstructuur van de algehele versterkte wandpanelen van de afgesloten cabine en retourcabine van het ruimtestation. Het algehele wandpaneel van de drukcabine met plaatstructuur is ontworpen met een combinatie van huid en verstevigingsribben, wat zorgt voor een hogere structurele integratie en gewichtsoptimalisatie. Hoewel de algehele stijfheid en sterkte worden verbeterd, vermindert het het aantal en de complexiteit van de verbindende componenten, waardoor het gewicht verder wordt verlaagd. Behoud van hoge prestaties. Met de bevordering van de toepassing van 5B70-materiaaltechnologie zal het gebruik van 5B70-materiaal geleidelijk toenemen en de minimale leveringsdrempel overschrijden, wat zal bijdragen aan het waarborgen van de continue productie en stabiele kwaliteit van grondstoffen en het aanzienlijk verlagen van de grondstofprijzen. Zoals eerder vermeld, beperken de hoge prijs en schaarste van scandium, hoewel veel eigenschappen van aluminiumlegeringen zijn verbeterd door scandium-microlegering, het toepassingsbereik van aluminium-scandiumlegeringen. Vergeleken met aluminiumlegeringsmaterialen zoals Al-Cu, Al-Zn en Al-ZnMg, hebben scandiumhoudende aluminiumlegeringsmaterialen goede, uitgebreide mechanische eigenschappen, corrosiebestendigheid en uitstekende verwerkingseigenschappen, waardoor ze brede toepassingsmogelijkheden hebben bij de productie van belangrijke structurele componenten in industriële sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart. Met de voortdurende verdieping van onderzoek naar scandium-microlegeringstechnologie en de verbetering van de afstemming van toeleveringsketens en industriële ketens, zullen de prijs- en kostenfactoren die de grootschalige industriële toepassing van scandium-aluminiumlegeringen beperken, geleidelijk verbeteren. De goede, uitgebreide mechanische eigenschappen, corrosiebestendigheid en uitstekende verwerkingseigenschappen van aluminium-scandiumlegeringen zorgen ervoor dat ze een duidelijke structurele voordelen op het gebied van gewichtsreductie en een breed toepassingspotentieel in de productie van vliegtuigapparatuur.
Plaatsingstijd: 29-10-2024