Kadangi aliuminio lydinys yra lengvas lydinys, labai svarbus aviacijos transporto įrangai, jo makroskopinės mechaninės savybės yra glaudžiai susijusios su jo mikrostruktūra. Keičiant pagrindinius legiruojančius elementus aliuminio lydinio struktūroje, galima pakeisti aliuminio lydinio mikrostruktūrą ir žymiai pagerinti medžiagos makroskopines mechanines bei kitas savybes (pvz., atsparumą korozijai ir suvirinimo savybes). Iki šiol mikrolegiravimas tapo perspektyviausia technologinės plėtros strategija, skirta optimizuoti aliuminio lydinių mikrostruktūrą ir pagerinti visapusiškas aliuminio lydinių medžiagų savybes.Skandis(Sc) yra efektyviausias žinomas mikrolegijavimo elemento stipriklis aliuminio lydiniams. Skandžio tirpumas aliuminio matricoje yra mažesnis nei 0,35 % masės. Į aliuminio lydinius įdėjus nedidelį kiekį skandžio elemento, galima veiksmingai pagerinti jų mikrostruktūrą, visapusiškai padidinti jų stiprumą, kietumą, plastiškumą, terminį stabilumą ir atsparumą korozijai. Skandis turi daug fizinių efektų aliuminio lydiniuose, įskaitant kietojo tirpalo stiprinimą, dalelių stiprinimą ir rekristalizacijos slopinimą. Šiame straipsnyje bus pristatyta skandžio turinčių aliuminio lydinių istorinė raida, naujausia pažanga ir galimi pritaikymai aviacijos įrangos gamybos srityje.
Aliuminio skandžio lydinio tyrimai ir plėtra
Skandžio, kaip legiruojančiojo elemento, pridėjimas prie aliuminio lydinių siekia septintąjį dešimtmetį. Tuo metu didžioji dalis darbų buvo atlikta su dvejetainėmis Al₂Sc ir trijų komponentų Al₂Mg₂Sc lydinių sistemomis. Aštuntajame dešimtmetyje Sovietų Sąjungos mokslų akademijos Baikovo metalurgijos ir medžiagų mokslo institutas bei Visos Rusijos lengvųjų lydinių tyrimų institutas atliko sistemingą skandžio formos ir mechanizmo aliuminio lydiniuose tyrimą. Po beveik keturiasdešimties metų pastangų buvo sukurtos 14 aliuminio skandžio lydinių rūšių, suskirstytų į tris pagrindines serijas (Al₂Mg₃Sc, Al₂Sc, Al₂Zn₃Mg₃Sc). Skandžio atomų tirpumas aliuminyje yra mažas, todėl naudojant tinkamus terminio apdorojimo procesus galima nusodinti didelio tankio Al₃Sc nanodaleles. Ši nusodinimo fazė yra beveik sferinė, su mažomis dalelėmis ir dispersiniu pasiskirstymu, gerai sukimba su aliuminio matrica, o tai gali labai pagerinti aliuminio lydinių stiprumą kambario temperatūroje. Be to, Al3Sc nanodalelės pasižymi geru terminiu stabilumu ir atsparumu rupėjimui aukštoje temperatūroje (iki 400 ℃), o tai labai naudinga lydinio didelei karščio atsparumui. Rusijoje pagamintų aliuminio skandžio lydinių srityje 1570 lydinys sulaukė didelio dėmesio dėl savo didžiausio stiprumo ir plačiausio pritaikymo. Šis lydinys pasižymi puikiomis eksploatacinėmis savybėmis darbo temperatūros diapazone nuo -196 ℃ iki 70 ℃ ir pasižymi natūraliu superplastiškumu, kuris gali pakeisti Rusijoje pagamintą LF6 aliuminio lydinį (aliuminio magnio lydinį, daugiausia sudarytą iš aliuminio, magnio, vario, mangano ir silicio) laikančiųjų konstrukcijų suvirinimui skystoje deguonies terpėje, o jo eksploatacinės savybės gerokai pagerėja. Be to, Rusija taip pat sukūrė aliuminio cinko magnio skandžio lydinius, kurių medžiagos stiprumas viršija 500 MPa.
Industrializacijos statusasAliuminio skandžio lydinys
2015 m. Europos Sąjunga paskelbė „Europos metalurgijos planą: perspektyvos gamintojams ir galutiniams vartotojams“, kuriame siūloma ištirti aliuminio suvirinamumą.magnio skandžio lydiniai2020 m. rugsėjį Europos Sąjunga paskelbė 29 pagrindinių mineralinių išteklių, įskaitant skandį, sąrašą. „Ale Aluminum“ Vokietijoje sukurtas 5024H116 aliuminio magnio skandžio lydinys pasižymi vidutinio arba didelio stiprumo ir dideliu atsparumu pažeidimams, todėl tai yra labai perspektyvi medžiaga fiuzeliažo apdailai. Jis gali būti naudojamas tradiciniams 2xxx serijos aliuminio lydiniams pakeisti ir buvo įtrauktas į „Airbus“ AIMS03-01-055 medžiagų pirkimo knygą. 5028 yra patobulinta 5024 rūšis, tinkama lazeriniam suvirinimui ir trinties suvirinimui. Jis gali pasiekti hiperbolinių integralinių sienų plokščių šliaužimo formavimo procesą, kurios yra atsparios korozijai ir nereikalauja aliuminio dangos. Palyginti su 2524 lydiniu, bendra fiuzeliažo sienų plokščių konstrukcija gali sumažinti 5 % konstrukcijos svorį. „Aili Aluminum Company“ pagamintas AA5024-H116 aliuminio skandžio lydinio lakštas buvo naudojamas orlaivių fiuzeliažams ir erdvėlaivių konstrukciniams komponentams gaminti. Tipinis AA5024-H116 lydinio lakšto storis yra nuo 1,6 mm iki 8,0 mm, o dėl mažo tankio, vidutinių mechaninių savybių, didelio atsparumo korozijai ir griežtų matmenų nuokrypių jis gali pakeisti 2524 lydinį kaip fiuzeliažo apdailos medžiagą. Šiuo metu AA5024-H116 lydinio lakštas yra sertifikuotas „Airbus AIMS03-04-055“. 2018 m. gruodžio mėn. Kinijos pramonės ir informacinių technologijų ministerija išleido „Pirmosios pagrindinių naujų medžiagų antrinio pritaikymo demonstracijų partijos vadovą (2018 m. leidimas)“, kuriame į naujų medžiagų pramonės plėtros katalogą buvo įtrauktas „didelio grynumo skandžio oksidas“. 2019 m. Kinijos pramonės ir informacinių technologijų ministerija išleido „Pirmosios pagrindinių naujų medžiagų demonstracinių pritaikymų partijos vadovą (2019 m. leidimas)“, kuriame į naujų medžiagų pramonės plėtros katalogą buvo įtrauktos „Sc turinčios aliuminio lydinių apdorojimo medžiagos ir Al Si Sc suvirinimo vielos“. „China Aluminum Group Northeast Light Alloy“ sukūrė AlMgScZr serijos 5B70 lydinį, kurio sudėtyje yra skandžio ir cirkonio. Palyginti su tradiciniu AlMg serijos 5083 lydiniu be skandžio ir cirkonio, jo takumas ir tempiamasis stipris padidėjo daugiau nei 30 %. Be to, AlMgScZr lydinys gali išlaikyti panašų atsparumą korozijai kaip ir 5083 lydinys. Šiuo metu pagrindinės šalies įmonės, gaminančios pramoninės klasės lydinius,...aliuminio skandžio lydinysGamybos pajėgumai priklauso „Northeast Light Alloy Company“ ir „Southwest Aluminum Industry“. „Northeast Light Alloy Co., Ltd.“ sukurti dideli 5B70 aliuminio skandžio lydinio lakštai gali tiekti dideles aliuminio lydinio storas plokštes, kurių didžiausias storis yra 70 mm, o didžiausias plotis – 3500 mm; plonus lakštus ir profilius galima pritaikyti gamybai, jų storis svyruoja nuo 2 mm iki 6 mm, o didžiausias plotis – 1500 mm. „Southwest Aluminum“ savarankiškai sukūrė 5K40 medžiagą ir padarė didelę pažangą kurdama plonas plokštes. Al-Zn-Mg lydinys yra kietėjantis lydinys, pasižymintis dideliu stiprumu, geromis apdorojimo savybėmis ir puikiomis suvirinimo savybėmis. Tai nepakeičiama ir svarbi konstrukcinė medžiaga šiuolaikinėse transporto priemonėse, tokiose kaip lėktuvai. Vidutinio stiprumo suvirinamo AlZn-Mg pagrindu pridėjus skandžio ir cirkonio lydinio elementų, mikrostruktūroje gali susidaryti mažos ir disperguotos Al3 (Sc, Zr) nanodalelės, o tai žymiai pagerina lydinio mechanines savybes ir atsparumą įtempių korozijai. NASA Langley tyrimų centras sukūrė trijų komponentų aliuminio skandžio lydinį, kurio klasė yra C557, ir kuris yra paruoštas naudoti modelinėse misijose. Šio lydinio statinis stiprumas, įtrūkimų sklidimas ir atsparumas lūžiams žemoje temperatūroje (-200 ℃), kambario temperatūroje ir aukštoje temperatūroje (107 ℃) yra lygūs arba geresni už 2524 lydinio. Šiaurės vakarų universitetas Jungtinėse Amerikos Valstijose sukūrė AlZn-Mg-Sc lydinio 7000 serijos itin didelio stiprumo aliuminio lydinį, kurio tempiamasis stipris siekia iki 680 MPa. Sukurtas vidutinio ir didelio stiprumo aliuminio skandžio lydinio bei itin didelio stiprumo AlZn-Mg-Sc jungčių vystymosi modelis. AlZn-Mg-Cu-Sc lydinys yra didelio stiprumo aliuminio lydinys, kurio tempiamasis stipris viršija 800 MPa. Šiuo metu pagrindinių šio lydinio rūšių nominali sudėtis ir pagrindiniai eksploataciniai parametrai yra tokie:aliuminio skandžio lydinysapibendrinti taip, kaip parodyta 1 ir 2 lentelėse.
1 lentelė | Aliuminio skandžio lydinio nominali sudėtis
2 lentelė | Aliuminio skandžio lydinio mikrostruktūra ir tempiamosios savybės
Aliuminio skandžio lydinio taikymo perspektyvos
Didelio stiprumo AlZnMgCuSc ir AlCuLiSc lydiniai buvo panaudoti laikančiosioms konstrukcinėms detalėms, įskaitant Rusijos naikintuvus MiG-21 ir MiG-29. Rusijos erdvėlaivio „Mars-1“ prietaisų skydelis pagamintas iš 1570 aliuminio skandžio lydinio, o bendras svoris sumažintas 20 %. Erdvėlaivio „Mars-96“ prietaisų modulio laikančiosios dalys pagamintos iš 1970 aliuminio lydinio, kuriame yra skandžio, todėl prietaisų modulio svoris sumažintas 10 %. Įgyvendindama programą „Švarus dangus“ ir ES projektą „2050 skrydžio maršrutas“, „Airbus“ atliko integruotus krovinių skyriaus durų projektavimo, tyrimų ir plėtros, gamybos ir montavimo bandomuosius skrydžius orlaiviui A321, pagrįstam 5024 aliuminio skandžio lydinio pakeitimu AA5028-H116 aliuminio skandžio lydiniu. Aliuminio skandžio lydiniai, kuriuos reprezentuoja AA5028, pademonstravo puikias apdorojimo ir suvirinimo savybes. Naudojant pažangius suvirinimo metodus, tokius kaip trinties maišomasis suvirinimas ir lazerinis suvirinimas, užtikrinamas patikimas skandžio turinčių aliuminio lydinių medžiagų sujungimas. Laipsniškas „suvirinimo vietoj kniedėjimo“ diegimas orlaivių sustiprintose plonų plokščių konstrukcijose ne tik išlaiko orlaivio medžiagų nuoseklumą ir konstrukcijos vientisumą, užtikrina efektyvią ir pigią gamybą, bet ir sumažina svorį bei užtikrina sandarumą. poveikis. Kinijos aviacijos ir kosmoso specialiųjų medžiagų tyrimų instituto atlikti aliuminio skandžio 5B70 lydinio taikymo tyrimai leido pasiekti proveržį stipriai verpiant kintamo sienelių storio komponentus, kontroliuojant atsparumą korozijai ir stiprumo atitikimą bei kontroliuojant suvirinimo liekamąjį įtempį. Buvo paruošta adaptyvi aliuminio skandžio lydinio suvirinimo viela, o storų plokščių trinties suvirinimo jungties stiprumo koeficientas gali siekti 0,92. Kinijos kosmoso technologijų akademija, Centrinis Pietų universitetas ir kiti atliko išsamius mechaninių eksploatacinių savybių bandymus ir procesų eksperimentus su 5B70 medžiaga, atnaujino ir pakartojo 5A06 konstrukcinių medžiagų parinkimo schemą ir pradėjo taikyti 5B70 aliuminio lydinį pagrindinei kosminės stoties sandarios kabinos ir grįžtamosios kabinos sutvirtintų sienų plokščių konstrukcijai. Bendra plokščių konstrukcijos slėginės kabinos sienų plokštė suprojektuota naudojant odos ir sutvirtinimo briaunų derinį, siekiant didesnės konstrukcinės integracijos ir svorio optimizavimo. Pagerinus bendrą standumą ir stiprumą, sumažėja jungiamųjų komponentų skaičius ir sudėtingumas, taip dar labiau sumažinant svorį ir išlaikant aukštą našumą. Skatinant 5B70 medžiagų inžinerijos taikymą,... 5B70 medžiagos tiekimas palaipsniui didės ir viršys minimalų tiekimo slenkstį, o tai padės užtikrinti nuolatinę gamybą ir stabilią žaliavų kokybę bei žymiai sumažinti žaliavų kainas. Kaip minėta anksčiau, nors daugelis aliuminio lydinių savybių buvo pagerintos naudojant skandžio mikrolydymą, didelė skandžio kaina ir retumas riboja aliuminio skandžio lydinių pritaikymo galimybes. Palyginti su aliuminio lydinių medžiagomis, tokiomis kaip AlCu, AlZn, AlZnMg, skandį turinčios aliuminio lydinių medžiagos pasižymi geromis visapusiškomis mechaninėmis savybėmis, atsparumu korozijai ir puikiomis apdorojimo savybėmis, todėl jos turi plačias taikymo perspektyvas gaminant pagrindinius konstrukcinius komponentus pramonės srityse, tokiose kaip aviacijos ir kosmoso pramonė. Nuolat gilinant skandžio mikrolydinių technologijos tyrimus ir gerinant tiekimo grandinės bei pramonės grandinių atitikimą, kainų ir sąnaudų veiksniai, ribojantys didelio masto pramoninį skandžio aliuminio lydinių pritaikymą, palaipsniui gerės. Geros visapusiškos mechaninės savybės, atsparumas korozijai ir puikios aliuminio skandžio lydinių apdorojimo savybės suteikia jiems aiškių struktūrinio svorio mažinimo pranašumų ir platų pritaikymo potencialą aviacijos įrangos gamybos srityje.
Įrašo laikas: 2024 m. spalio 29 d.