Als leichte Legierung, die für Luftfahrttransportgeräte von entscheidender Bedeutung ist, hängen die makroskopischen mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung eng mit seiner Mikrostruktur zusammen. Durch Ändern der Hauptlegierungselemente in der Aluminiumlegierungstruktur kann die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung geändert werden, und die makroskopischen mechanischen Eigenschaften und andere Eigenschaften (wie Korrosionsbeständigkeit und Schweißleistung) des Materials können erheblich verbessert werden. Bisher ist Microalloying zur vielversprechendsten technologischen Entwicklungsstrategie zur Optimierung der Mikrostruktur von Aluminiumlegierungen und zur Verbesserung der umfassenden Eigenschaften von Aluminiumlegierungsmaterialien geworden.Skandium(SC) ist der effektivste Mikroalloying -Element -Enhancer, der für Aluminiumlegierungen bekannt ist. Die Löslichkeit von Skandium in Aluminiummatrix beträgt weniger als 0,35 Gew .-%, und das Hinzufügen von Spurenmengen an Skandiumelement zu Aluminiumlegierungen kann ihre Mikrostruktur effektiv verbessern und ihre Stärke, Härte, Plastizität, thermische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit umfassend verbessern. Scandium hat mehrere physikalische Wirkungen in Aluminiumlegierungen, einschließlich fester Lösungsverstärkung, Partikelverstärkung und Hemmung der Rekristallisation. In diesem Artikel wird die historische Entwicklung, die neuesten Fortschritte und die potenziellen Anwendungen von Skandium, die Aluminiumlegierungen im Bereich der Herstellung von Luftfahrtgeräten enthalten, einführen.
Forschung und Entwicklung der Aluminium -Scandium -Legierung
Die Zugabe von Skandium als Legierungselement zu Aluminiumlegierungen kann bis in die 1960er Jahre zurückgeführt werden. Zu dieser Zeit wurde der größte Teil der Arbeiten in Binär- und ternären ALMG -SC -Legierungssystemen durchgeführt. In den 1970er Jahren führte das Baykov -Institut für Metallurgie- und Materialwissenschaft der Sowjetakademie der Wissenschaften und des All Russian Institute of Light Alloy Research eine systematische Studie über die Form und den Mechanismus von Skandium in Aluminiumlegierungen durch. Nach fast vierzig Jahren wurden in drei Hauptserien 14 Grade Aluminium -Scandium -Legierungen entwickelt (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg SC). Die Löslichkeit von Scandium-Atomen im Aluminium ist gering, und durch die Verwendung geeigneter Wärmebehandlungsprozesse kann hochdichte Al3SC-Nano-Ausfälle ausgefällt werden. Diese Niederschlagsphase ist nahezu kugelförmig, mit kleinen Partikeln und dispergierten Verteilung und hat eine gute kohärente Beziehung zur Aluminiummatrix, die die Raumtemperaturstärke von Aluminiumlegierungen erheblich verbessern kann. Darüber hinaus weisen Al3SC -Nano -Niederschläge eine gute thermische Stabilität und Vergröberresistenz bei hohen Temperaturen auf (innerhalb von 400 ° C), was für die starke Wärmebeständigkeit der Legierung äußerst vorteilhaft ist. In russischen Aluminium -Scandium -Legierungen hat 1570 Legierung aufgrund ihrer höchsten Stärke und der größten Anwendung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Diese Legierung weist eine hervorragende Leistung im Arbeitstemperaturbereich von -196 ℃ bis 70 ° C auf und weist die natürliche Superplastizität auf, die die russische LF6 -Aluminiumlegierung (eine Aluminiummagnium -Legierung, die hauptsächlich aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Manganer und Silicon) für Ladungschweißstrukturen in liquidiertem Strukturen im liquiden Strukturen im liquiden Strukturen im liquiden Oxygen -Medium besteht, ersetzen kann. Darüber hinaus hat Russland auch Aluminium -Zink -Magnesium -Scandium -Legierungen entwickelt, die 1970 mit einer materiellen Stärke von über 500 mPa vertreten sind.
Der Industrialisierungsstatus vonAluminium -Scandium -Legierung
Im Jahr 2015 veröffentlichte die Europäische Union die „europäische metallurgische Roadmap: Perspektiven für Hersteller und Endverbraucher“, um die Schweißbarkeit von Aluminium zu untersuchenMagnesium -Scandium -Legierungen. Im September 2020 veröffentlichte die Europäische Union eine Liste von 29 wichtigsten Mineralressourcen, darunter Scandium. Die von Ale Aluminium in Deutschland entwickelte 5024H116 -Aluminium -Magnesium -Scandium -Legierung hat mit mittlerer bis hoher Festigkeit und hoher Schadenstoleranz und macht es zu einem sehr vielversprechenden Material für die Häute des Rumpfes. Es kann verwendet werden, um herkömmliche Aluminiumlegierungen der 2xxx-Serie zu ersetzen, und wurde in Airbus 'AIMS03-01-055-Materialbeschaffungsbuch aufgenommen. 5028 ist eine verbesserte Klasse von 5024, die zum Laserschweißen und zum Reibungsschweißen geeignet ist. Es kann den Kriechformungsprozess von hyperbolischen integralen Wandpaneele erreichen, die korrosionsresistent sind und keine Aluminiumbeschichtung erfordert. Im Vergleich zur 2524 Legierung kann die Gesamtwandplattenstruktur des Rumpfes eine strukturelle Gewichtsreduzierung von 5% erreichen. Das AA5024-H116-Aluminium-Scandium-Leichtmetallblatt, das von der Aili Aluminium Company hergestellt wurde, wurde zur Herstellung von Flugzeugrumpf und Baukomponenten für Raumfahrzeuge verwendet. Die typische Dicke des AA5024-H116-Leichtmetallblattes beträgt 1,6 mm bis 8,0 mm und aufgrund seiner geringen Dichte, mittelschweren mechanischen Eigenschaften, hoher Korrosionsbeständigkeit und strenger dimensionaler Abweichung kann sie 2524 Legierung als Rumpfhautmaterial ersetzen. Derzeit wurde das AA5024-H116-Leichtmetallblatt von Airbus AIMS03-04-055 zertifiziert. Im Dezember 2018 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie Chinas den „Leitkatalog für die erste Charge der sekundären Anwendungsdemonstrationen von wichtigen neuen Materialien (2018 Ausgabe)“, einschließlich „High-Purity-Skandiumoxid“ im Entwicklungskatalog der neuen Materialindustrie. Im Jahr 2019 veröffentlichte das Ministerium für Industrie und Informationstechnologie Chinas den „Leitkatalog für die erste Charge von Demonstrationsanwendungen von wichtigen neuen Materialien (Ausgabe 2019)“, das „SC enthielt, die Aluminiumlegierungs -Verarbeitungsmaterialien und Al Si Sc -Schweißdrähte“ im Entwicklung Katalogs der neuen Materialindustrie enthielten. Die China Aluminium Group Northeast Light Alloy hat eine Al Mg SC Zr Series 5B70 -Legierung entwickelt, die Skandium und Zirkonium enthält. Im Vergleich zur traditionellen Al -Mg -Serie 5083 -Legierung ohne Skandium und Zirkonium haben seine Ausbeute und die Zugfestigkeit um mehr als 30%gestiegen. Darüber hinaus kann die Al Mg Sc Zr -Legierung eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit gegen die 5083 -Legierung aufrechterhalten. Gegenwärtig die wichtigsten Inlandsunternehmen mit industrieller KlasseAluminium -Scandium -LegierungDie Produktionskapazität ist Northeast Light Alloy Company und Southwest Aluminium Industry. Das von Northeast Light Alloy Co., Ltd. entwickelte große Aluminium-Skandium-Legierungsblatt mit großem Wert von 5B70, kann große Aluminiumlegierung mit einer maximalen Dicke von 70 mm und einer maximalen Breite von 3500 mm liefern. Dünnbleche Produkte und Profilprodukte können zur Produktion angepasst werden, mit einem Dickenbereich von 2 mm bis 6 mm und einer maximalen Breite von 1500 mm. Das Südwesten von Aluminium hat unabhängig 5K40 -Material entwickelt und signifikante Fortschritte bei der Entwicklung dünner Platten gemacht. Al Zn Mg -Legierung ist eine Zeithärtung mit hoher Stärke, guter Verarbeitungsleistung und hervorragender Schweißleistung. Es ist ein unverzichtbares und wichtiges Strukturmaterial in aktuellen Transportfahrzeugen wie Flugzeugen. Auf der Grundlage von schweißbarem ALZN -Mg mit mittlerer Festigkeit kann das Hinzufügen von Skandium- und Zirkoniumlegierungselementen kleine und dispergierte Al3 (SC, ZR) Nanopartikel in der Mikrostruktur bilden, wodurch die mechanischen Eigenschaften und die Spannungskorrosionsbeständigkeit der Legierung signifikant verbessert werden. Das Langley Research Center der NASA hat eine ternäre Aluminium -Scandium -Legierung mit dem Grad C557 entwickelt, das in Modellmissionen angewendet werden kann. Die statische Festigkeit, die Rissausbreitung und die Frakturzähigkeit dieser Legierung bei niedriger Temperatur (-200 ℃), Raumtemperatur und hohe Temperatur (107 ℃) sind alle gleich oder besser als die von 2524 Legierung. Die Northwestern University in den Vereinigten Staaten hat die Ultrahoch-Aluminium-Legierung der ALZN MG SC SC-Legierung 7000 mit einer Zugfestigkeit von bis zu 680 MPa entwickelt. Ein Muster der Gelenkentwicklung zwischen Aluminium-Skandium-Legierung mit mittlerer Stärke und ultrahohe Stärke Al Zn Mg SC wurde gebildet. Al Zn Mg Cu Sc-Legierung ist eine hochfeste Aluminiumlegierung mit einer Zugfestigkeit von mehr als 800 MPa. Gegenwärtig die nominale Zusammensetzung und die grundlegenden Leistungsparameter der Hauptklassen 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 Zugeigenschaften der Aluminium -Scandium -Legierung
Anwendungsaussichten einer Aluminium -Scandium -Legierung
Hochfestige Al Zn Mg Cu Sc und Al Culi Sc-Legierungen wurden auf tragende strukturelle Komponenten angewendet, einschließlich der Russischen MIG-21- und MIG-29-Kampfflugzeuge. Das Armaturenbrett des russischen Raumfahrzeugs „Mars-1“ besteht aus 1570 Aluminium-Scandium-Legierung mit einer Gesamtgewichtsreduzierung von 20%. Die tragenden Komponenten des Instrumentenmoduls des MARS-96-Raumfahrzeugs bestehen aus 1970 Aluminiumlegierung, die Skandium enthalten, wodurch das Gewicht des Instrumentenmoduls um 10%verringert wird. Im Programm „Clean Sky“ und im Projekt „2050 Flight Route“ der EU führte Airbus integrierte Integrationstür-Design-, Forschungs- und Entwicklungs-, Herstellungs- und Installationstestflüge für A321-Flugzeuge durch die AA5028-H116-Aluminium-Scandium-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Aluminum-Legierung durch. Aluminium -Scandium -Legierungen, die durch AA5028 vertreten wurden, zeigten eine hervorragende Verarbeitungs- und Schweißleistung. Verwendung fortschrittlicher Schweißtechniken wie Reibungsschweißen und Laserschweißen, um einen zuverlässigen Anschluss von Skandium mit Aluminiumlegierungsmaterialien zu erreichen. Die allmähliche Implementierung von „Schweißen anstelle von Nieten“ in Flugzeugen verstärkte Dünnplattenstrukturen behält nicht nur die Konsistenz von Flugzeugmaterialien und strukturellen Integrität auf, wobei die effiziente und kostengünstige Herstellung erreicht, sondern auch Gewichtsreduzierungs- und -versiegelungseffekte aufweist. Die Anwendungsforschung von Aluminium -Scandium 5B70 -Legierung durch China Aerospace Special Materials Research Institute hat die Technologien des starken Spinnerns variabler Wanddicke, die Kontrolle der Korrosionsbeständigkeit und Festigkeitsanpassung und die Kontrolle des Schweißrückstandsstresss durchgebrochen. Es hat Aluminium -Scandium -Legierungs -adaptives Schweißdraht vorbereitet, und der Gelenkfestigkeitskoeffizient der Reibungsrührschweißung für dicke Platten in der Legierung kann 0,92 erreichen. Die China Academy of Space Technology, die Central South University und andere haben umfassende mechanische Leistungstests und -prozess -Experimente mit dem 5B70 -Material durchgeführt, das Strukturmaterialauswahlschema für 5A06 verbessert und iteriert und begonnen, die 5B70 -Aluminiumlegierung auf die Hauptstruktur des gesamten Verstärkungswalls der Raumstation der versiegelten Kabine der Raumstation zu verwenden. Die gesamte Wandtafel der Plattenstruktur -Druckkabine ist mit einer Kombination aus Haut- und Verstärkungsrippen ausgelegt, wodurch eine höhere strukturelle Integration und Gewichtsoptimierung erzielt wird. Während sich die Gesamtsteifigkeit und -festigkeit verbessert, verringert dies die Anzahl und Komplexität der Verbindungskomponenten und reduziert dadurch das Gewicht weiter und bei der Aufrechterhaltung einer hohen Leistung. Mit der Förderung der Anwendung von 5B70 Material Engineering wird die Verwendung von 5B70 -Material den Mindestangebotsschwellenwert allmählich erhöht und überschreitet, wodurch die kontinuierliche Produktion und die stabile Qualität der Rohstoffe gewährleistet und die Rohstoffpreise erheblich reduziert werden. Wie bereits erwähnt, obwohl viele Eigenschaften von Aluminiumlegierungen durch Scandium -Mikroalloying verbessert wurden, begrenzt der hohe Preis und die Knappheit von Skandium den Anwendungsbereich von Aluminium -Skandium -Legierungen. Im Vergleich zu Aluminiumlegierungsmaterialien wie Al Cu, Al Zn, Al ZnMG, haben Skandium, das Aluminiumlegiermaterialien enthält, gute mechanische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Verarbeitungsmerkmale, die sie dazu bringen, bei der Herstellung von Hauptstrukturkomponenten in Industriefeldern wie Luft- und Raumfahrtaussichten breite Anwendungsaussichten zu haben. Mit der kontinuierlichen Vertiefung der Erforschung der Skandium-Mikroalloying-Technologie und der Verbesserung der Übereinstimmung der Lieferkette und der Industriekette werden sich der Preis und die Kostenfaktoren, die die groß angelegte industrielle Anwendung von Skandium-Aluminiumlegierungen einschränken, allmählich verbessern. Die guten umfassenden mechanischen Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und hervorragende Verarbeitungsmerkmale von Aluminium -Skandium -Legierungen haben eine klare strukturelle Gewichtsreduzierung und ein breites Anwendungspotential auf dem Gebiet der Herstellung von Luftfahrtgeräten.
Postzeit: Okt-29-2024