توسعه و کاربرد مواد آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

به عنوان یک آلیاژ سبک که برای تجهیزات حمل و نقل حمل و نقل هوایی بسیار مهم است ، خواص مکانیکی ماکروسکوپی آلیاژ آلومینیوم از نزدیک با ریزساختار آن ارتباط دارد. با تغییر عناصر اصلی آلیاژ در ساختار آلیاژ آلومینیوم ، ریزساختار آلیاژ آلومینیوم قابل تغییر است و خواص مکانیکی ماکروسکوپی و سایر خصوصیات (مانند مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد جوشکاری) می تواند به طور قابل توجهی بهبود یابد. تا کنون ، ریزگردها به امیدوار کننده ترین استراتژی توسعه فناوری برای بهینه سازی ریزساختار آلیاژهای آلومینیوم و بهبود خواص جامع مواد آلیاژ آلومینیوم تبدیل شده است.رسوایی(SC) مؤثرترین تقویت کننده عنصر ریزگرد است که برای آلیاژهای آلومینیوم شناخته شده است. حلالیت اسکاندیوم در ماتریس آلومینیوم کمتر از 0.35 درصد وزنی است ، اضافه کردن مقادیر ردیابی عنصر اسکاندیوم به آلیاژهای آلومینیوم می تواند به طور موثری ریزساختار آنها را بهبود بخشد ، به طور کامل قدرت ، سختی ، انعطاف پذیری ، پایداری حرارتی و مقاومت خوردگی را تقویت کند. اسکاندیم دارای چندین اثر فیزیکی در آلیاژهای آلومینیوم ، از جمله تقویت محلول جامد ، تقویت ذرات و مهار تبلور مجدد است. در این مقاله ، توسعه تاریخی ، آخرین پیشرفت و کاربردهای بالقوه اسکاندیوم حاوی آلیاژهای آلومینیومی در زمینه تولید تجهیزات حمل و نقل هوایی معرفی شده است.

تحقیق و توسعه آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

علاوه بر این اسکاندیوم به عنوان یک عنصر آلیاژ به آلیاژهای آلومینیوم می تواند به دهه 1960 ردیابی شود. در آن زمان ، بیشتر کارها در سیستم های آلیاژ باینری Al SC و Ternary ALMG SC انجام شده است. در دهه 1970 ، انستیتوی متالورژی و علوم مواد آکادمی علوم اتحاد جماهیر شوروی و تمام انستیتوی تحقیقات آلیاژ نور روسیه یک مطالعه منظم در مورد شکل و مکانیسم اسکاندیم در آلیاژهای آلومینیوم انجام داد. پس از گذشت نزدیک به چهل سال تلاش ، 14 درجه آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم در سه سری اصلی (Al MG SC ، Al Li SC ، Al Zn MG SC) ایجاد شده است. حلالیت اتم های اسکاندیوم در آلومینیوم کم است و با استفاده از فرآیندهای مناسب برای تصفیه حرارتی ، رسوبات نانو با چگالی بالا AL3SC می تواند رسوب شود. این مرحله بارش تقریباً کروی ، دارای ذرات کوچک و توزیع پراکنده است و با ماتریس آلومینیومی رابطه منسجم خوبی دارد که می تواند قدرت دمای اتاق آلیاژهای آلومینیوم را تا حد زیادی بهبود بخشد. علاوه بر این ، رسوبات Nano AL3SC از ثبات حرارتی خوبی و مقاومت درشت در دمای بالا (در 400 ℃) برخوردار است ، که برای مقاومت شدید گرمای آلیاژ بسیار مفید است. در آلیاژهای آلومینیومی که در روسی ساخته شده است ، آلیاژ 1570 به دلیل بالاترین استحکام و وسیع ترین کاربرد ، مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. این آلیاژ عملکرد بسیار خوبی در محدوده دمای کار -196 ℃ تا 70 ℃ دارد و دارای ابر پلاستیکی طبیعی است که می تواند جایگزین آلیاژ آلومینیوم LF6 Russian (آلیاژ منیزیم آلومینیومی ، منیزیم ، مس ، منگنز و سیلیسون) برای ساختارهای قابل توجه در جوشکاری در مایع اکسیژن باشد. علاوه بر این ، روسیه همچنین آلیاژهای اسکاندیوم روی آلومینیوم را که توسط سال 1970 به نمایش گذاشته شده است ، با قدرت ماده بیش از 500 مگاپاسکال ایجاد کرده است.

وضعیت صنعتی شدنآلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

در سال 2015 ، اتحادیه اروپا "نقشه راه متالورژیکی اروپا: چشم انداز تولید کنندگان و کاربران نهایی" را منتشر کرد و پیشنهاد داد تا قابلیت جوشکاری آلومینیوم را مطالعه کندآلیاژهای اسکاندیم منیزیمبشر در سپتامبر سال 2020 ، اتحادیه اروپا لیستی از 29 منابع کلیدی معدنی ، از جمله اسکاندیم را منتشر کرد. آلیاژ اسکاندیوم آلومینیوم 5024H116 که توسط ALE آلومینیوم در آلمان ساخته شده است ، دارای استحکام متوسط ​​تا زیاد و تحمل آسیب زیاد است و آن را به یک ماده بسیار امیدوارکننده برای پوست بدنه تبدیل می کند. می توان از آن برای جایگزینی آلیاژهای سنتی سری 2xxx آلومینیوم استفاده کرد و در کتاب تهیه مواد AIMBUS AIMS03-01-055 گنجانده شده است. 5028 درجه بهبود یافته 5024 است که برای جوشکاری لیزر و جوش زدن اصطکاک مناسب است. این می تواند به فرآیند شکل گیری خزنده پانل های دیواره انتگرال هیپربولیک ، که مقاوم در برابر خوردگی است و نیازی به پوشش آلومینیومی ندارد ، دست یابد. در مقایسه با 2524 آلیاژ ، ساختار کلی پانل دیواری بدنه می تواند به 5 ٪ کاهش وزن ساختاری دست یابد. ورق آلیاژ اسکاندیم AA5024-H116 که توسط شرکت آلومینیوم AILI تولید شده است برای تولید بدنه هواپیما و اجزای ساختاری فضاپیما استفاده شده است. ضخامت معمولی ورق آلیاژ AA5024-H116 1.6 میلی متر تا 8.0 میلی متر است و به دلیل چگالی کم ، خصوصیات مکانیکی متوسط ​​، مقاومت در برابر خوردگی بالا و انحراف دقیق بعدی ، می تواند جایگزین آلیاژ 2524 به عنوان ماده پوستی بدنه شود. در حال حاضر ، برگه آلیاژ AA5024-H116 توسط Airbus AIMS03-04-055 تأیید شده است. در دسامبر سال 2018 ، وزارت صنعت و فناوری اطلاعات چین "کاتالوگ راهنما را برای اولین گروه از نمایش های کاربردی ثانویه از مواد جدید جدید (نسخه 2018)" منتشر کرد ، که شامل "اکسید اسکاندیم با امنیت بالا" در کاتالوگ توسعه صنعت مواد جدید بود. در سال 2019 ، وزارت صنعت و فناوری اطلاعات چین "کاتالوگ راهنما را برای اولین گروه از برنامه های نمایشی از مواد جدید جدید (نسخه 2019)" منتشر کرد ، که شامل "SC حاوی مواد پردازش آلیاژ آلومینیوم و سیم های جوشکاری Al Si SC" در کاتالوگ توسعه صنعت مواد جدید بود. گروه آلومینیومی چین آلیاژ نور شمال شرقی یک آلیاژ AL MG SC ZR Series 5B70 حاوی اسکاندیوم و زیرکونیوم ایجاد کرده است. در مقایسه با آلیاژ سنتی AL MG 5083 بدون اسکاندیوم و زیرکونیوم ، عملکرد و مقاومت کششی آن بیش از 30 ٪ افزایش یافته است. علاوه بر این ، آلیاژ AL MG SC Zr می تواند مقاومت در برابر خوردگی قابل مقایسه با آلیاژ 5083 را حفظ کند. در حال حاضر ، شرکت های اصلی داخلی با درجه صنعتیآلیاژ اسکاندیم آلومینیومظرفیت تولید شرکت آلیاژ نور شمال شرقی و صنعت آلومینیوم جنوب غربی است. ورق آلیاژ آلومینیوم 5B70 بزرگ که توسط شرکت آلیاژ نور شمال شرقی ساخته شده است ، با مسئولیت محدود می تواند صفحات بزرگ آلیاژ آلومینیومی را با حداکثر ضخامت 70 میلی متر و حداکثر عرض 3500 میلی متر تأمین کند. محصولات ورق های نازک و محصولات پروفایل را می توان برای تولید با دامنه ضخامت 2 میلی متر تا 6 میلی متر و حداکثر عرض 1500 میلی متر سفارشی کرد. آلومینیوم جنوب غربی به طور مستقل مواد 5K40 را توسعه داده و پیشرفت قابل توجهی در توسعه صفحات نازک داشته است. آلیاژ Al Zn MG یک آلیاژ سخت کننده زمان با استحکام بالا ، عملکرد پردازش خوب و عملکرد عالی جوش است. این یک ماده ساختاری ضروری و مهم در وسایل نقلیه حمل و نقل فعلی مانند هواپیما است. بر اساس استحکام متوسط ​​Alzn MG قابل جوش ، اضافه کردن عناصر آلیاژ و آلیاژ زیرکونیوم می تواند نانوذرات AL3 (SC ، Zr) کوچک و پراکنده را در ریزساختار تشکیل دهد ، به طور قابل توجهی خصوصیات مکانیکی و مقاومت به خوردگی استرس آلیاژ را بهبود بخشد. مرکز تحقیقات لانگلی ناسا با درجه C557 یک آلیاژ اسکاندیم آلومینیومی سه قلو ایجاد کرده است که آماده استفاده در مأموریت های مدل است. استحکام استاتیک ، انتشار ترک و سختی شکستگی این آلیاژ در دمای پایین (-200 ℃) ، دمای اتاق و دمای بالا (107 ℃) همه برابر یا بهتر از آلیاژ 2524 هستند. دانشگاه شمال غربی در ایالات متحده آلیاژ Alzn MG SC Alloy 7000 Allioy Allioy Allioy با قدرت فوق العاده بالا را با قدرت کششی تا 680MPA توسعه داده است. الگویی از توسعه مفصل بین آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم با استحکام متوسط ​​و با استحکام فوق العاده بالا آل Zn Mg SC شکل گرفته است. آلیاژ Al Zn Mg Cu SC یک آلیاژ آلومینیومی با استحکام بالا با استحکام کششی بیش از 800 MPa است. در حال حاضر ، ترکیب اسمی و پارامترهای عملکرد اصلی نمرات اصلیآلیاژ اسکاندیم آلومینیومبه شرح زیر خلاصه می شوند ، همانطور که در جداول 1 و 2 نشان داده شده است.

جدول 1 | ترکیب اسمی آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

جدول 2 | ریزساختار و خاصیت کششی آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

چشم انداز کاربرد آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

با استحکام بالا آلیاژهای Al Zn Mg Cu SC و Al Culi SC برای اجزای ساختاری باربری ، از جمله هواپیماهای جنگنده MiG-21 و MiG-29 روسی استفاده شده است. داشبورد فضاپیمای روسیه "Mars-1" از 1570 آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم ساخته شده است و وزن آن 20 ٪ کاهش یافته است. اجزای باربری ماژول ابزار فضاپیمای MARS-96 از آلیاژ آلومینیوم در سال 1970 حاوی اسکاندیم ساخته شده است و وزن ماژول ابزار را 10 ٪ کاهش می دهد. در برنامه "Sky Clean Sky" و پروژه "مسیر پرواز 2050" اتحادیه اروپا ، Airbus پروازهای یکپارچه نگهدارنده محموله ، تحقیق و توسعه ، ساخت و پرواز را برای هواپیماهای A321 بر اساس جانشین AA5028-H116 آلیاژ اسکاندیوم 5024 آلومینیوم آلیاژ اسکاندیوم انجام داد. آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم که توسط AA5028 نشان داده شده است ، پردازش و عملکرد عالی را نشان می دهد. با استفاده از تکنیک های پیشرفته جوشکاری مانند جوش زدن اصطکاک و جوشکاری لیزر برای دستیابی به اتصال قابل اعتماد اسکاندیوم حاوی مواد آلیاژ آلومینیوم. اجرای تدریجی "جوشکاری به جای پرچین" در ساختارهای صفحه نازک تقویت شده هواپیما نه تنها قوام مواد هواپیما و یکپارچگی ساختاری را حفظ می کند ، و به تولید کارآمد و کم هزینه می پردازد ، بلکه دارای کاهش وزن و اثرات آب بندی نیز می باشد. تحقیقات کاربردی آلیاژ آلومینیوم 5B70 توسط انستیتوی تحقیقات مواد ویژه هوافضا چین از طریق فن آوری های چرخش قوی اجزای ضخامت دیواره متغیر ، کنترل مقاومت در برابر خوردگی و تطبیق قدرت و کنترل استرس باقیمانده از بین رفته است. این سیم آلیاژ آلومینیوم را برای سیم جوشکاری تطبیقی ​​آلیاژ تهیه کرده است و ضریب استحکام مفصل جوشکاری اصطکاک برای صفحات ضخیم در آلیاژ می تواند به 0.92 برسد. آکادمی فناوری فضا چین ، دانشگاه مرکزی جنوبی و سایرین آزمایش های گسترده ای از عملکرد مکانیکی و آزمایش های فرآیند را بر روی مواد 5B70 انجام داده اند ، طرح انتخاب مواد ساختاری را برای 5A06 به روز کرده و تکرار کرده اند ، و شروع به استفاده از آلیاژ آلومینیوم 5B70 در ساختار اصلی پانل های دیواری تقویت شده کلی کابین مهر و موم شده کابین ایستگاه فضا و کابین بازگشت. پنل دیواری کلی ساختار صفحه کابین تحت فشار با ترکیبی از پوست و دنده های تقویت شده طراحی شده است و به ادغام ساختاری بالاتر و بهینه سازی وزن رسیده است. ضمن بهبود استحکام و استحکام کلی ، تعداد و پیچیدگی اتصال قطعات را کاهش می دهد و در نتیجه وزن بیشتری را کاهش می دهد. با ارتقاء کاربرد مهندسی مواد 5B70 ، استفاده از مواد 5B70 به تدریج افزایش می یابد و از حداقل آستانه تأمین فراتر می رود ، که به اطمینان از تولید مداوم و کیفیت پایدار مواد اولیه کمک می کند و قیمت مواد اولیه را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. همانطور که قبلاً ذکر شد ، اگرچه بسیاری از خواص آلیاژهای آلومینیوم از طریق ریزگرداندن اسکاندیوم بهبود یافته است ، قیمت بالای و کمبود اسکاندیم دامنه کاربرد آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم را محدود می کند. در مقایسه با مواد آلیاژ آلومینیومی مانند آل مس ، آل Zn ، AL ZNMG ، اسکاندیوم حاوی مواد آلیاژ آلومینیوم دارای خواص مکانیکی جامع ، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی های پردازش عالی است که باعث می شود آنها از نظر کاربرد گسترده ای در ساخت اجزای اصلی ساختاری در زمینه های صنعتی مانند هوافضا باشند. با تعمیق مداوم تحقیقات در مورد فناوری ریزگردها اسکاندیوم و بهبود زنجیره تأمین و تطبیق زنجیره صنعتی ، قیمت و فاکتورهای هزینه ای که باعث محدود کردن کاربرد صنعتی در مقیاس بزرگ آلیاژهای آلومینیوم اسکاندیوم می شود ، به تدریج بهبود می یابد. خصوصیات مکانیکی جامع خوب ، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی های پردازش عالی آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم باعث می شود که آنها دارای مزایای کاهش وزن ساختاری و پتانسیل کاربرد گسترده ای در زمینه تولید تجهیزات حمل و نقل هوایی باشند.