توسعه و کاربرد مواد آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

به عنوان یک آلیاژ سبک که برای تجهیزات حمل و نقل هوایی بسیار مهم است، خواص مکانیکی ماکروسکوپی آلیاژ آلومینیوم ارتباط نزدیکی با ریزساختار آن دارد. با تغییر عناصر آلیاژی اصلی در ساختار آلیاژ آلومینیوم، می‌توان ریزساختار آلیاژ آلومینیوم را تغییر داد و خواص مکانیکی ماکروسکوپی و سایر خواص (مانند مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد جوشکاری) ماده را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. تاکنون، میکروآلیاژسازی به امیدوارکننده‌ترین استراتژی توسعه فناوری برای بهینه‌سازی ریزساختار آلیاژهای آلومینیوم و بهبود خواص جامع مواد آلیاژ آلومینیوم تبدیل شده است.اسکاندیم(Sc) مؤثرترین عنصر تقویت‌کننده میکروآلیاژی شناخته شده برای آلیاژهای آلومینیوم است. حلالیت اسکاندیم در ماتریس آلومینیوم کمتر از 0.35 درصد وزنی است. افزودن مقادیر ناچیزی از عنصر اسکاندیم به آلیاژهای آلومینیوم می‌تواند به طور مؤثر ریزساختار آنها را بهبود بخشد، استحکام، سختی، انعطاف‌پذیری، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی آنها را به طور جامع افزایش دهد. اسکاندیم اثرات فیزیکی متعددی در آلیاژهای آلومینیوم دارد، از جمله تقویت محلول جامد، تقویت ذرات و مهار تبلور مجدد. این مقاله به معرفی تاریخچه توسعه، آخرین پیشرفت‌ها و کاربردهای بالقوه آلیاژهای آلومینیوم حاوی اسکاندیم در زمینه تولید تجهیزات هوانوردی می‌پردازد.

تحقیق و توسعه آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

افزودن اسکاندیم به عنوان یک عنصر آلیاژی به آلیاژهای آلومینیوم به دهه 1960 میلادی برمی‌گردد. در آن زمان، بیشتر کارها در سیستم‌های آلیاژی دوتایی Al Sc و سه‌تایی AlMg Sc انجام می‌شد. در دهه 1970، موسسه متالورژی و علوم مواد بایکوف از آکادمی علوم شوروی و موسسه تحقیقات آلیاژ سبک روسیه، مطالعه‌ای سیستماتیک در مورد شکل و مکانیسم اسکاندیم در آلیاژهای آلومینیوم انجام دادند. پس از نزدیک به چهل سال تلاش، 14 گرید از آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم در سه سری اصلی (Al Mg Sc، Al Li Sc، Al Zn Mg Sc) توسعه یافته‌اند. حلالیت اتم‌های اسکاندیم در آلومینیوم کم است و با استفاده از فرآیندهای عملیات حرارتی مناسب، می‌توان نانورسوب‌های Al3Sc با چگالی بالا را رسوب داد. این فاز رسوب تقریباً کروی است، با ذرات کوچک و توزیع پراکنده، و رابطه منسجم خوبی با ماتریس آلومینیوم دارد که می‌تواند استحکام دمای اتاق آلیاژهای آلومینیوم را تا حد زیادی بهبود بخشد. علاوه بر این، نانورسوب‌های Al3Sc پایداری حرارتی خوب و مقاومت در برابر درشت شدن در دماهای بالا (تا ۴۰۰ درجه سانتیگراد) دارند که برای مقاومت حرارتی بالای آلیاژ بسیار مفید است. در آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم ساخت روسیه، آلیاژ ۱۵۷۰ به دلیل بالاترین استحکام و وسیع‌ترین کاربرد، توجه زیادی را به خود جلب کرده است. این آلیاژ عملکرد بسیار خوبی در محدوده دمای کاری -۱۹۶ درجه سانتیگراد تا ۷۰ درجه سانتیگراد از خود نشان می‌دهد و دارای ابرپلاستیک طبیعی است که می‌تواند جایگزین آلیاژ آلومینیوم LF6 ساخت روسیه (آلیاژ آلومینیوم منیزیم که عمدتاً از آلومینیوم، منیزیم، مس، منگنز و سیلیکون تشکیل شده است) برای سازه‌های جوشکاری تحمل بار در محیط اکسیژن مایع با عملکرد قابل توجه بهبود یافته شود. علاوه بر این، روسیه همچنین آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم روی منیزیم، که با نام ۱۹۷۰ شناخته می‌شوند، با استحکام ماده بیش از ۵۰۰ مگاپاسکال توسعه داده است.

وضعیت صنعتی شدنآلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

در سال ۲۰۱۵، اتحادیه اروپا «نقشه راه متالورژی اروپا: چشم‌اندازهایی برای تولیدکنندگان و کاربران نهایی» را منتشر کرد که در آن پیشنهاد مطالعه جوش‌پذیری آلومینیوم داده شده بود.آلیاژهای اسکاندیم منیزیمدر سپتامبر ۲۰۲۰، اتحادیه اروپا فهرستی از ۲۹ منبع معدنی کلیدی، از جمله اسکاندیم، منتشر کرد. آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم منیزیم ۵۰۲۴H۱۱۶ که توسط Ale Aluminum در آلمان توسعه داده شده است، دارای استحکام متوسط ​​تا بالا و تحمل آسیب بالا است و آن را به ماده‌ای بسیار امیدوارکننده برای پوسته بدنه تبدیل می‌کند. این آلیاژ می‌تواند جایگزین آلیاژهای آلومینیوم سری ۲xxx سنتی شود و در کتاب تهیه مواد AIMS03-01-055 ایرباس گنجانده شده است. ۵۰۲۸ درجه بهبود یافته ۵۰۲۴ است که برای جوشکاری لیزری و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی مناسب است. این آلیاژ می‌تواند فرآیند شکل‌دهی خزشی پنل‌های دیواری انتگرالی هذلولی را انجام دهد که مقاوم در برابر خوردگی است و نیازی به پوشش آلومینیومی ندارد. در مقایسه با آلیاژ ۲۵۲۴، ساختار کلی پنل دیواری بدنه می‌تواند ۵٪ کاهش وزن ساختاری داشته باشد. ورق آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم AA5024-H116 تولید شده توسط شرکت Aili Aluminum برای ساخت بدنه هواپیما و اجزای سازه‌ای فضاپیما استفاده شده است. ضخامت معمول ورق آلیاژی AA5024-H116 از 1.6 میلی‌متر تا 8.0 میلی‌متر است و به دلیل چگالی کم، خواص مکانیکی متوسط، مقاومت در برابر خوردگی بالا و انحراف ابعادی دقیق، می‌تواند جایگزین آلیاژ 2524 به عنوان ماده پوسته بدنه شود. در حال حاضر، ورق آلیاژی AA5024-H116 توسط ایرباس AIMS03-04-055 تأیید شده است. در دسامبر 2018، وزارت صنایع و فناوری اطلاعات چین «کاتالوگ راهنما برای اولین دسته از کاربردهای ثانویه مواد کلیدی جدید (نسخه 2018)» را منتشر کرد که شامل «اکسید اسکاندیم با خلوص بالا» در کاتالوگ توسعه صنعت مواد جدید بود. در سال ۲۰۱۹، وزارت صنایع و فناوری اطلاعات چین «کاتالوگ راهنما برای اولین دسته از کاربردهای نمایشی مواد جدید کلیدی (نسخه ۲۰۱۹)» را منتشر کرد که شامل «مواد فرآوری آلیاژ آلومینیوم حاوی Sc و سیم‌های جوشکاری Al-Si Sc» در کاتالوگ توسعه صنعت مواد جدید بود. گروه آلومینیوم چین، Northeast Light Alloy، آلیاژ Al-Mg Sc-Zr سری ۵B۷۰ حاوی اسکاندیم و زیرکونیوم را توسعه داده است. در مقایسه با آلیاژ سنتی Al-Mg سری ۵۰۸۳ بدون اسکاندیم و زیرکونیوم، استحکام تسلیم و کششی آن بیش از ۳۰٪ افزایش یافته است. علاوه بر این، آلیاژ Al-Mg Sc-Zr می‌تواند مقاومت در برابر خوردگی قابل مقایسه‌ای با آلیاژ ۵۰۸۳ حفظ کند. در حال حاضر، شرکت‌های اصلی داخلی با درجه صنعتیآلیاژ اسکاندیم آلومینیومظرفیت تولید شرکت آلیاژ سبک شمال شرقی و صنعت آلومینیوم جنوب غربی است. ورق آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم 5B70 با اندازه بزرگ که توسط شرکت آلیاژ سبک شمال شرقی توسعه یافته است، می‌تواند صفحات ضخیم آلیاژ آلومینیوم بزرگ را با حداکثر ضخامت 70 میلی‌متر و حداکثر عرض 3500 میلی‌متر عرضه کند. محصولات ورق نازک و محصولات پروفیل را می‌توان برای تولید سفارشی کرد، با محدوده ضخامت 2 میلی‌متر تا 6 میلی‌متر و حداکثر عرض 1500 میلی‌متر. شرکت آلومینیوم جنوب غربی به طور مستقل ماده 5K40 را توسعه داده و پیشرفت قابل توجهی در توسعه صفحات نازک داشته است. آلیاژ AlZnMg یک آلیاژ سخت‌شونده زمانی با استحکام بالا، عملکرد پردازش خوب و عملکرد جوشکاری عالی است. این یک ماده ساختاری ضروری و مهم در وسایل نقلیه حمل و نقل فعلی مانند هواپیما است. بر اساس AlZnMg قابل جوش با استحکام متوسط، افزودن عناصر آلیاژ اسکاندیم و زیرکونیوم می‌تواند نانوذرات کوچک و پراکنده Al3 (Sc، Zr) را در ریزساختار تشکیل دهد و به طور قابل توجهی خواص مکانیکی و مقاومت در برابر خوردگی تنشی آلیاژ را بهبود بخشد. مرکز تحقیقات لانگلی ناسا یک آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم سه‌تایی با گرید C557 توسعه داده است که آماده استفاده در ماموریت‌های مدل است. استحکام استاتیک، انتشار ترک و چقرمگی شکست این آلیاژ در دمای پایین (-200 درجه سانتیگراد)، دمای اتاق و دمای بالا (107 درجه سانتیگراد) همگی برابر یا بهتر از آلیاژ 2524 هستند. دانشگاه نورث وسترن در ایالات متحده آلیاژ آلومینیوم با استحکام فوق‌العاده بالای سری 7000 از جنس AlZn Mg Sc را با استحکام کششی تا 680 مگاپاسکال توسعه داده است. الگویی از توسعه اتصال بین آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم با استحکام متوسط ​​و AlZn Mg Sc با استحکام فوق‌العاده بالا شکل گرفته است. آلیاژ AlZn Mg Cu Sc یک آلیاژ آلومینیوم با استحکام بالا با استحکام کششی بیش از 800 مگاپاسکال است. در حال حاضر، ترکیب اسمی و پارامترهای عملکرد اساسی گریدهای اصلی ...آلیاژ اسکاندیم آلومینیومبه شرح زیر خلاصه شده است، همانطور که در جداول 1 و 2 نشان داده شده است.

جدول 1 | ترکیب اسمی آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

جدول 2 | ریزساختار و خواص کششی آلیاژ آلومینیوم اسکاندیم

چشم‌انداز کاربرد آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم

آلیاژهای Al Zn Mg Cu Sc و Al CuLi Sc با استحکام بالا در اجزای سازه‌ای باربر، از جمله جت‌های جنگنده MiG-21 و MiG-29 روسیه، به کار گرفته شده‌اند. داشبورد فضاپیمای روسی «مارس-۱» از آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم ۱۵۷۰ ساخته شده است که وزن کلی آن ۲۰٪ کاهش یافته است. اجزای تحمل بار ماژول ابزار فضاپیمای مارس-۹۶ از آلیاژ آلومینیوم ۱۹۷۰ حاوی اسکاندیم ساخته شده‌اند که وزن ماژول ابزار را ۱۰٪ کاهش می‌دهد. در برنامه «آسمان پاک» و پروژه «مسیر پرواز ۲۰۵۰» اتحادیه اروپا، ایرباس پروازهای آزمایشی طراحی، تحقیق و توسعه، ساخت و نصب یکپارچه درب بار را برای هواپیماهای A321 بر اساس آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم درجه جانشین AA5028-H116 از آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم ۵۰۲۴ انجام داد. آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم که با AA5028 نشان داده می‌شوند، عملکرد پردازش و جوشکاری عالی را نشان دادند. استفاده از تکنیک‌های پیشرفته جوشکاری مانند جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی و جوشکاری لیزری برای دستیابی به اتصال قابل اعتماد مواد آلیاژ آلومینیوم حاوی اسکاندیم. اجرای تدریجی «جوشکاری به جای پرچ کردن» در سازه‌های صفحه نازک تقویت‌شده هواپیما نه تنها ثبات مواد هواپیما و یکپارچگی ساختاری را حفظ می‌کند، بلکه به دستیابی به راندمان بالا نیز کمک می‌کند. و تولید کم‌هزینه، اما همچنین دارای اثرات کاهش وزن و آب‌بندی است. تحقیقات کاربردی آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم 5B70 توسط موسسه تحقیقات مواد ویژه هوافضای چین، فناوری‌های چرخش قوی اجزای با ضخامت دیواره متغیر، کنترل مقاومت در برابر خوردگی و تطبیق استحکام و کنترل تنش پسماند جوشکاری را متحول کرده است. این موسسه سیم جوش تطبیقی ​​آلیاژ اسکاندیم آلومینیوم را تهیه کرده است و ضریب استحکام اتصال جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی برای صفحات ضخیم در این آلیاژ می‌تواند به 0.92 برسد. آکادمی فناوری فضایی چین، دانشگاه مرکزی جنوبی و سایرین آزمایش‌های عملکرد مکانیکی و آزمایش‌های فرآیندی گسترده‌ای را بر روی ماده 5B70 انجام داده‌اند، طرح انتخاب مواد ساختاری برای 5A06 را ارتقا داده و تکرار کرده‌اند و شروع به اعمال آلیاژ آلومینیوم 5B70 به سازه اصلی پانل‌های دیواری تقویت‌شده کلی کابین آب‌بندی‌شده و کابین بازگشت ایستگاه فضایی کرده‌اند. پانل دیواری کلی کابین تحت فشار با ساختار صفحه‌ای با ترکیبی از دنده‌های پوسته و تقویت‌کننده طراحی شده است که به ادغام ساختاری بالاتر و بهینه‌سازی وزن دست می‌یابد. در حالی که استحکام و استحکام کلی را بهبود می‌بخشد، تعداد و پیچیدگی اجزای اتصال را کاهش می‌دهد و در نتیجه وزن را بیشتر کاهش می‌دهد و در عین حال عملکرد بالا را حفظ می‌کند. با ارتقاء با توجه به کاربرد مهندسی مواد 5B70، استفاده از ماده 5B70 به تدریج افزایش یافته و از حداقل آستانه تأمین فراتر خواهد رفت که به تضمین تولید مداوم و کیفیت پایدار مواد اولیه کمک کرده و قیمت مواد اولیه را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهد. همانطور که قبلاً ذکر شد، اگرچه بسیاری از خواص آلیاژهای آلومینیوم از طریق میکروآلیاژسازی اسکاندیم بهبود یافته است، اما قیمت بالا و کمبود اسکاندیم، دامنه کاربرد آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم را محدود می‌کند. در مقایسه با مواد آلیاژی آلومینیوم مانند Al2Cu، Al2Zn، Al2ZnMg، مواد آلیاژی آلومینیوم حاوی اسکاندیم دارای خواص مکانیکی جامع خوب، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی‌های پردازش عالی هستند که باعث می‌شود چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در ساخت اجزای ساختاری اصلی در زمینه‌های صنعتی مانند هوافضا داشته باشند. با تعمیق مداوم تحقیقات در مورد فناوری میکروآلیاژسازی اسکاندیم و بهبود زنجیره تأمین و تطبیق زنجیره صنعتی، عوامل قیمت و هزینه که کاربرد صنعتی در مقیاس بزرگ آلیاژهای آلومینیوم اسکاندیم را محدود می‌کنند، به تدریج بهبود خواهند یافت. خواص مکانیکی جامع خوب، مقاومت در برابر خوردگی و ویژگی‌های پردازش عالی آلیاژهای اسکاندیم آلومینیوم باعث می‌شود که آنها از مزایای کاهش وزن ساختاری واضح و پتانسیل کاربرد گسترده در این زمینه برخوردار باشند. از تولید تجهیزات هوانوردی.