Als Leichtmetalllegierung, die für Flugzeugtransportausrüstung von entscheidender Bedeutung ist, hängen die makroskopischen mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung eng mit ihrer Mikrostruktur zusammen. Durch die Veränderung der Hauptlegierungselemente in der Aluminiumlegierungsstruktur kann die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung verändert und die makroskopischen mechanischen Eigenschaften sowie weitere Eigenschaften (wie Korrosionsbeständigkeit und Schweißbarkeit) des Materials deutlich verbessert werden. Mikrolegierungen haben sich bislang als die vielversprechendste technologische Entwicklungsstrategie zur Optimierung der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen und zur Verbesserung der Gesamteigenschaften von Aluminiumlegierungswerkstoffen erwiesen.Scandium(Sc) ist der wirksamste bekannte Mikrolegierungsverstärker für Aluminiumlegierungen. Die Löslichkeit von Scandium in der Aluminiummatrix beträgt weniger als 0,35 Gew.-%. Die Zugabe von Spuren von Scandium zu Aluminiumlegierungen kann deren Mikrostruktur effektiv verbessern und ihre Festigkeit, Härte, Plastizität, thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit deutlich steigern. Scandium hat vielfältige physikalische Wirkungen in Aluminiumlegierungen, darunter die Verfestigung von Mischkristallen, die Partikelverfestigung und die Hemmung der Rekristallisation. Dieser Artikel stellt die historische Entwicklung, die neuesten Fortschritte und die potenziellen Anwendungen scandiumhaltiger Aluminiumlegierungen im Bereich der Flugzeugindustrie vor.
Forschung und Entwicklung von Aluminium-Scandium-Legierungen
Die Zugabe von Scandium als Legierungselement zu Aluminiumlegierungen lässt sich bis in die 1960er Jahre zurückverfolgen. Damals wurden die meisten Arbeiten an binären AlSc- und ternären AlMgSc-Legierungssystemen durchgeführt. In den 1970er Jahren führten das Baykov-Institut für Metallurgie und Materialwissenschaft der Sowjetischen Akademie der Wissenschaften und das Allrussische Institut für Leichtmetallforschung eine systematische Studie zur Form und zum Mechanismus von Scandium in Aluminiumlegierungen durch. Nach fast vierzigjähriger Arbeit wurden 14 Sorten von Aluminium-Scandium-Legierungen in drei Hauptreihen (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc) entwickelt. Die Löslichkeit von Scandiumatomen in Aluminium ist gering, und durch geeignete Wärmebehandlungsverfahren können hochdichte Al3Sc-Nanoniederschläge abgeschieden werden. Diese Niederschlagsphase ist nahezu kugelförmig, mit kleinen Partikeln und fein verteilt und weist eine gute kohärente Beziehung zur Aluminiummatrix auf, was die Festigkeit von Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur erheblich verbessern kann. Außerdem weisen Al3Sc-Nanoniederschläge eine gute thermische Stabilität und Vergröberungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen (innerhalb von 400 °C) auf, was sich äußerst vorteilhaft auf die hohe Hitzebeständigkeit der Legierung auswirkt. Unter den in Russland hergestellten Aluminium-Scandium-Legierungen hat die Legierung 1570 aufgrund ihrer höchsten Festigkeit und breitesten Anwendung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese Legierung zeigt hervorragende Leistung im Arbeitstemperaturbereich von -196 °C bis 70 °C und hat eine natürliche Superplastizität, die die in Russland hergestellte Aluminiumlegierung LF6 (eine Aluminium-Magnesium-Legierung, die hauptsächlich aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Mangan und Silizium besteht) für tragende Schweißstrukturen in flüssigem Sauerstoffmedium mit deutlich verbesserter Leistung ersetzen kann. Außerdem hat Russland auch Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierungen entwickelt, die durch 1970 vertreten sind und eine Materialfestigkeit von über 500 MPa aufweisen.
Der Industrialisierungsstatus vonAluminium-Scandium-Legierung
Im Jahr 2015 veröffentlichte die Europäische Union die „European Metallurgical Roadmap: Prospects for Manufacturers and End Users“ und schlug vor, die Schweißbarkeit von Aluminium zu untersuchen.Magnesium-Scandium-LegierungenIm September 2020 veröffentlichte die Europäische Union eine Liste mit 29 wichtigen Mineralressourcen, darunter Scandium. Die von Ale Aluminum in Deutschland entwickelte Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung 5024H116 weist eine mittlere bis hohe Festigkeit sowie eine hohe Schadenstoleranz auf, was sie zu einem vielversprechenden Material für die Außenhaut von Flugzeugrumpfen macht. Sie kann herkömmliche Aluminiumlegierungen der Serie 2xxx ersetzen und wurde in das Materialbeschaffungsbuch AIMS03-01-055 von Airbus aufgenommen. 5028 ist eine verbesserte Sorte von 5024 und eignet sich für Laserschweißen und Rührreibschweißen. Damit lässt sich der Kriechformungsprozess hyperbolischer integraler Wandpaneele erreichen, was korrosionsbeständig ist und keine Aluminiumbeschichtung erfordert. Im Vergleich zur Legierung 2524 kann die gesamte Wandpaneelstruktur des Flugzeugrumpfs um 5 % leichter gebaut werden. Das von der Aili Aluminum Company hergestellte Aluminium-Scandium-Legierungsblech AA5024-H116 wird zur Herstellung von Strukturkomponenten von Flugzeugrümpfen und Raumfahrzeugen verwendet. Die typische Dicke von AA5024-H116-Legierungsblechen beträgt 1,6 mm bis 8,0 mm. Aufgrund ihrer geringen Dichte, mäßigen mechanischen Eigenschaften, hohen Korrosionsbeständigkeit und engen Maßabweichungen kann sie die Legierung 2524 als Material für die Außenhaut von Flugzeugrumpfteilen ersetzen. Aktuell sind AA5024-H116-Legierungsbleche von Airbus AIMS03-04-055 zertifiziert. Im Dezember 2018 veröffentlichte das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie den „Leitkatalog für die erste Charge von Demonstrationen sekundärer Anwendungen wichtiger neuer Materialien (Ausgabe 2018)“, der „hochreines Scandiumoxid“ in den Entwicklungskatalog der neuen Materialindustrie aufnahm. 2019 veröffentlichte das chinesische Ministerium für Industrie und Informationstechnologie den „Leitkatalog für die erste Charge von Demonstrationsanwendungen wichtiger neuer Materialien (Ausgabe 2019)“, der „Sc-haltige Aluminiumlegierungsverarbeitungsmaterialien und Al Si Sc-Schweißdrähte“ in den Entwicklungskatalog der neuen Materialindustrie aufnahm. Die China Aluminum Group Northeast Light Alloy hat eine Al Mg Sc Zr-Legierung der Serie 5B70 mit Scandium und Zirkonium entwickelt. Im Vergleich zur herkömmlichen Al Mg-Legierung der Serie 5083 ohne Scandium und Zirkonium sind ihre Streckgrenze und Zugfestigkeit um mehr als 30 % höher. Darüber hinaus weist die Al Mg Sc Zr-Legierung eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit wie die 5083-Legierung auf. Derzeit sind die wichtigsten inländischen Unternehmen mit IndustriequalitätAluminium-Scandium-LegierungDie Produktionskapazitäten liegen bei Northeast Light Alloy Company und Southwest Aluminum Industry. Das von Northeast Light Alloy Co., Ltd. entwickelte großformatige Blech aus Aluminium-Scandium-Legierung 5B70 ermöglicht die Herstellung großer dicker Aluminiumplatten mit einer maximalen Dicke von 70 mm und einer maximalen Breite von 3500 mm. Dünnbleche und Profilprodukte können individuell für die Produktion hergestellt werden und haben eine Dicke von 2 mm bis 6 mm und eine maximale Breite von 1500 mm. Southwest Aluminum hat das Material 5K40 eigenständig entwickelt und bei der Entwicklung dünner Platten bedeutende Fortschritte erzielt. Die AlZnMg-Legierung ist eine zeithärtende Legierung mit hoher Festigkeit, guten Verarbeitungseigenschaften und hervorragenden Schweißeigenschaften. Sie ist ein unverzichtbarer und wichtiger Strukturwerkstoff in modernen Transportfahrzeugen wie Flugzeugen. Auf der Basis von schweißbarem AlZnMg mittlerer Festigkeit können durch die Zugabe von Scandium- und Zirkonium-Legierungselementen kleine und verteilte Al3(Sc, Zr)-Nanopartikel in der Mikrostruktur gebildet werden, wodurch die mechanischen Eigenschaften und die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung deutlich verbessert werden. Das Langley Research Center der NASA hat eine ternäre Aluminium-Scandium-Legierung der Güteklasse C557 entwickelt, die für den Einsatz in Modellmissionen bereit ist. Die statische Festigkeit, Rissausbreitung und Bruchzähigkeit dieser Legierung bei niedrigen Temperaturen (-200 °C), Raumtemperatur und hohen Temperaturen (107 °C) sind gleich oder besser als die der Legierung 2524. Die Northwestern University in den USA hat die ultrahochfeste Aluminiumlegierung AlZn Mg Sc der 7000er-Serie mit einer Zugfestigkeit von bis zu 680 MPa entwickelt. Es hat sich ein Muster der gemeinsamen Entwicklung zwischen einer mittelfesten Aluminium-Scandium-Legierung und einer ultrahochfesten Al Zn Mg Sc-Legierung herausgebildet. Die Al Zn Mg Cu Sc-Legierung ist eine hochfeste Aluminiumlegierung mit einer Zugfestigkeit von über 800 MPa. Derzeit liegen die nominale Zusammensetzung und die grundlegenden Leistungsparameter der wichtigsten Güteklassen vonAluminium-Scandium-Legierungwerden wie folgt zusammengefasst, wie in den Tabellen 1 und 2 gezeigt.
Tabelle 1 | Nominale Zusammensetzung der Aluminium-Scandium-Legierung
Tabelle 2 | Mikrostruktur und Zugfestigkeitseigenschaften der Aluminium-Scandium-Legierung
Anwendungsaussichten der Aluminium-Scandium-Legierung
Hochfeste Al Zn Mg Cu Sc- und Al CuLi Sc-Legierungen wurden für tragende Strukturkomponenten verwendet, unter anderem für die russischen Kampfflugzeuge MiG-21 und MiG-29. Das Armaturenbrett des russischen Raumfahrzeugs „Mars-1“ besteht aus der Aluminium-Scandium-Legierung 1570, was eine Gewichtsreduzierung von 20 % ermöglicht. Die tragenden Komponenten des Instrumentenmoduls des Raumfahrzeugs Mars-96 bestehen aus der scandiumhaltigen Aluminium-Legierung 1970, wodurch das Gewicht des Instrumentenmoduls um 10 % reduziert wird. Im Rahmen des „Clean Sky“-Programms und des EU-Projekts „2050 Flight Route“ führte Airbus integrierte Testflüge zur Entwicklung, Forschung und Entwicklung von Frachtraumtüren sowie zur Herstellung und Installation von A321-Flugzeugen auf Basis der Nachfolgelegierung AA5028-H116 der Aluminium-Scandium-Legierung 5024 durch. Aluminium-Scandium-Legierungen der Güte AA5028 zeigten hervorragende Verarbeitungs- und Schweißeigenschaften. Durch den Einsatz fortschrittlicher Schweißverfahren wie Rührreibschweißen und Laserschweißen wird eine zuverlässige Verbindung scandiumhaltiger Aluminiumlegierungen erreicht. Die schrittweise Einführung von „Schweißen statt Nieten“ in verstärkten dünnen Blechstrukturen von Flugzeugen gewährleistet nicht nur die Materialkonsistenz und die strukturelle Integrität, sondern ermöglicht auch effiziente und kostengünstige Herstellung, aber auch Gewichtsreduzierung und Dichtungseffekte. Die Anwendungsforschung der Aluminium-Scandium-Legierung 5B70 des China Aerospace Special Materials Research Institute hat bahnbrechende Fortschritte bei der Herstellung von Komponenten mit variabler Wandstärke, der Kontrolle von Korrosionsbeständigkeit und Festigkeitsanpassung sowie der Kontrolle von Schweißeigenspannungen erzielt. Adaptiver Schweißdraht aus der Aluminium-Scandium-Legierung wurde entwickelt, und der Reibungsrührschweißkoeffizient der Verbindung kann bei dicken Platten einen Festigkeitsbeiwert von 0,92 erreichen. Die China Academy of Space Technology, die Central South University und andere haben umfangreiche mechanische Leistungstests und Prozessexperimente mit dem Material 5B70 durchgeführt, das Auswahlschema für Strukturmaterialien für 5A06 verbessert und iteriert und begonnen, die Aluminiumlegierung 5B70 für die Hauptstruktur der verstärkten Wandpaneele der abgedichteten Kabine und der Rückkehrkabine der Raumstation einzusetzen. Die Wandpaneele der Druckkabine mit Plattenstruktur sind mit einer Kombination aus Außenhaut und Verstärkungsrippen konstruiert, wodurch eine höhere Strukturintegration und Gewichtsoptimierung erreicht werden. Während die Gesamtsteifigkeit und -festigkeit verbessert werden, werden Anzahl und Komplexität der Verbindungselemente reduziert, wodurch das Gewicht bei gleichbleibend hoher Leistung weiter reduziert wird. Mit dem Durch die Förderung der Anwendung von 5B70-Werkstoffen wird deren Verwendung schrittweise zunehmen und die Mindestversorgungsschwelle überschreiten. Dies trägt zur kontinuierlichen Produktion und stabilen Rohstoffqualität bei und senkt die Rohstoffpreise deutlich. Wie bereits erwähnt, schränken der hohe Preis und die Knappheit von Scandium, obwohl viele Eigenschaften von Aluminiumlegierungen durch Scandium-Mikrolegierungen verbessert wurden, den Anwendungsbereich von Aluminium-Scandium-Legierungen ein. Im Vergleich zu Aluminiumlegierungen wie AlCu, AlZn und AlZnMg zeichnen sich scandiumhaltige Aluminiumlegierungen durch gute mechanische Gesamteigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Verarbeitungseigenschaften aus, wodurch sie breite Anwendungsmöglichkeiten bei der Herstellung von Strukturkomponenten in Industriebereichen wie der Luft- und Raumfahrt eröffnen. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Forschung zur Scandium-Mikrolegierungstechnologie und der Verbesserung der Lieferketten- und Industriekettenanpassung werden sich die Preis- und Kostenfaktoren, die die großindustrielle Anwendung von Scandium-Aluminiumlegierungen einschränken, schrittweise verbessern. Die guten mechanischen Gesamteigenschaften, die Korrosionsbeständigkeit und die hervorragenden Verarbeitungseigenschaften von Aluminium-Scandium-Legierungen bieten klare Vorteile bei der Gewichtsreduzierung und bieten ein breites Anwendungsspektrum. Anwendungspotenzial im Bereich des Luftfahrtgerätebaus.
Veröffentlichungszeit: 29. Oktober 2024