פיתוח ויישום של חומרי סגסוגת אלומיניום סקנדיום

כסגסוגת קלה החיונית לציוד תחבורה תעופתית, התכונות המכניות המקרוסקופיות של סגסוגת אלומיניום קשורות קשר הדוק למיקרו-מבנה שלה. על ידי שינוי יסודות הסגסוגת העיקריים במבנה סגסוגת האלומיניום, ניתן לשנות את המיקרו-מבנה של סגסוגת האלומיניום, ולשפר משמעותית את התכונות המכניות המקרוסקופיות ותכונות אחרות (כגון עמידות בפני קורוזיה וביצועי ריתוך) של החומר. עד כה, מיקרו-סגסוגות הפכה לאסטרטגיית הפיתוח הטכנולוגית המבטיחה ביותר לאופטימיזציה של המיקרו-מבנה של סגסוגות אלומיניום ולשיפור התכונות המקיפות של חומרי סגסוגת אלומיניום.סקנדיום(Sc) הוא משפר המיקרו-סגסוגות היעיל ביותר הידוע בסגסוגות אלומיניום. המסיסות של סקנדיום במטריצת אלומיניום היא פחות מ-0.35% משקלי. הוספת כמויות זעירות של יסוד סקנדיום לסגסוגות אלומיניום יכולה לשפר ביעילות את המיקרו-מבנה שלהן, ולשפר באופן מקיף את חוזקן, קשיותן, גמישותן, יציבותן התרמית ועמידותן בפני קורוזיה. לסקנדיום השפעות פיזיקליות מרובות בסגסוגות אלומיניום, כולל חיזוק בתמיסה מוצקה, חיזוק חלקיקים ועיכוב התגבשות מחדש. מאמר זה יציג את ההתפתחות ההיסטורית, ההתקדמות האחרונה והיישומים הפוטנציאליים של סגסוגות אלומיניום המכילות סקנדיום בתחום ייצור ציוד תעופה.

מחקר ופיתוח של סגסוגת אלומיניום סקנדיום

ניתן לייחס את הוספת הסקנדיום כאלמנט סגסוגת לסגסוגות אלומיניום לשנות ה-60. באותה תקופה, רוב העבודה בוצעה במערכות סגסוגות בינאריות של AlSc ו-AlMgSc טרנריות. בשנות ה-70, מכון בייקוב למטלורגיה ומדעי החומרים של האקדמיה הסובייטית למדעים והמכון הרוסי לחקר סגסוגות קלות ערכו מחקר שיטתי על הצורה והמנגנון של סקנדיום בסגסוגות אלומיניום. לאחר כמעט ארבעים שנות מאמץ, פותחו 14 דרגות של סגסוגות אלומיניום סקנדיום בשלוש סדרות עיקריות (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). המסיסות של אטומי סקנדיום באלומיניום נמוכה, ובאמצעות תהליכי טיפול בחום מתאימים, ניתן לזרז ננו-משקעים של Al3Sc בצפיפות גבוהה. שלב משקעים זה הוא כמעט כדורי, עם חלקיקים קטנים ופיזור מפוזר, ויש לו קשר קוהרנטי טוב עם מטריצת האלומיניום, מה שיכול לשפר מאוד את חוזק סגסוגות האלומיניום בטמפרטורת החדר. בנוסף, לננו-משקעים מסוג Al3Sc יש יציבות תרמית טובה ועמידות בפני התעבות בטמפרטורות גבוהות (עד 400 מעלות צלזיוס), דבר המועיל ביותר לעמידות החום החזקה של הסגסוגת. בסגסוגות אלומיניום-סקנדיום מתוצרת רוסיה, סגסוגת 1570 משכה תשומת לב רבה בשל חוזקה הגבוה ביותר ויישומה הרחב ביותר. סגסוגת זו מציגה ביצועים מצוינים בטווח טמפרטורות עבודה של -196 מעלות צלזיוס עד 70 מעלות צלזיוס ובעלת פלסטיות-על טבעית, שיכולה להחליף את סגסוגת האלומיניום LF6 מתוצרת רוסיה (סגסוגת אלומיניום-מגנזיום המורכבת בעיקר מאלומיניום, מגנזיום, נחושת, מנגן וסיליקון) עבור ריתוך מבנים נושאי עומס בתווך חמצן נוזלי, עם ביצועים משופרים משמעותית. בנוסף, רוסיה פיתחה גם סגסוגות אלומיניום-אבץ-מגנזיום-סקנדיום, המיוצגות על ידי 1970, עם חוזק חומר של מעל 500 מגה פסקל.

מצב התיעוש שלסגסוגת אלומיניום סקנדיום

בשנת 2015 פרסם האיחוד האירופי את "מפת הדרכים האירופית למטלורגיה: סיכויים ליצרנים ולמשתמשים סופיים", המציעה לחקור את יכולת הריתוך של אלומיניום.סגסוגות מגנזיום סקנדיוםבספטמבר 2020, פרסם האיחוד האירופי רשימה של 29 משאבים מינרליים מרכזיים, כולל סקנדיום. סגסוגת האלומיניום מגנזיום סקנדיום 5024H116 שפותחה על ידי Ale Aluminum בגרמניה, בעלת חוזק בינוני עד גבוה ועמידות גבוהה לנזקים, מה שהופך אותה לחומר מבטיח מאוד למעטפת גוף המטוס. ניתן להשתמש בה כדי להחליף סגסוגות אלומיניום מסורתיות מסדרת 2xxx והיא נכללה בספר רכש החומרים AIMS03-01-055 של איירבוס. 5028 הוא דרגה משופרת של 5024, המתאימה לריתוך בלייזר ולריתוך בחיכוך. היא יכולה להשיג את תהליך עיצוב הזחילה של לוחות קיר אינטגרליים היפרבוליים, שהוא עמיד בפני קורוזיה ואינו דורש ציפוי אלומיניום. בהשוואה לסגסוגת 2524, מבנה לוח הקיר הכולל של גוף המטוס יכול להשיג הפחתה של 5% במשקל המבני. יריעת סגסוגת האלומיניום סקנדיום AA5024-H116 המיוצרת על ידי חברת Aili Aluminum שימשה לייצור רכיבים מבניים של גוף מטוסים וחלליות. העובי הטיפוסי של יריעת הסגסוגת AA5024-H116 הוא 1.6 מ"מ עד 8.0 מ"מ, ובשל צפיפותה הנמוכה, תכונותיה המכניות המתונות, עמידותה הגבוהה בפני קורוזיה וסטייתה הממדית המחמירה, היא יכולה להחליף את סגסוגת 2524 כחומר מעטפת גוף המטוס. נכון לעכשיו, יריעת הסגסוגת AA5024-H116 אושרה על ידי Airbus AIMS03-04-055. בדצמבר 2018, משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין פרסם את "הקטלוג המנחה למחזור הראשון של הדגמות יישומים משניים של חומרים חדשים מרכזיים (מהדורת 2018)", שכלל "תחמוצת סקנדיום בעלת טוהר גבוה" בקטלוג הפיתוח של תעשיית החומרים החדשים. בשנת 2019, משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין פרסם את "הקטלוג המנחה למחזור הראשון של יישומי הדגמה של חומרים חדשים מרכזיים (מהדורת 2019)", שכלל "חומרי עיבוד סגסוגת אלומיניום המכילה Sc וחוטי ריתוך Al Si Sc" בקטלוג הפיתוח של תעשיית החומרים החדשים. חברת China Aluminum Group Northeast Light Alloy פיתחה סגסוגת Al Mg Sc Zr מסדרה 5B70 המכילה סקנדיום וזירקוניום. בהשוואה לסגסוגת Al Mg מסדרה 5083 המסורתית ללא סקנדיום וזירקוניום, התפוקה וחוזק המתיחה שלה גדלו ביותר מ-30%. יתר על כן, סגסוגת Al Mg Sc Zr יכולה לשמור על עמידות קורוזיה דומה לזו של סגסוגת 5083. נכון לעכשיו, המפעלים המקומיים העיקריים עם סגסוגת תעשייתית...סגסוגת אלומיניום סקנדיוםכושר הייצור הן של חברת Northeast Light Alloy ו-Southwest Aluminum Industry. יריעת סגסוגת האלומיניום סקנדיום 5B70 בגודל גדול שפותחה על ידי Northeast Light Alloy Co., Ltd. יכולה לספק לוחות עבים מסגסוגת אלומיניום גדולה בעובי מרבי של 70 מ"מ ורוחב מרבי של 3500 מ"מ; מוצרי יריעות דקות ומוצרי פרופיל ניתנים להתאמה אישית לייצור, עם טווח עובי של 2 מ"מ עד 6 מ"מ ורוחב מרבי של 1500 מ"מ. Southwest Aluminum פיתחה באופן עצמאי את החומר 5K40 ועשתה התקדמות משמעותית בפיתוח לוחות דקות. סגסוגת AlZn Mg היא סגסוגת בעלת התקשות בזמן בעלת חוזק גבוה, ביצועי עיבוד טובים וביצועי ריתוך מצוינים. זהו חומר מבני הכרחי וחשוב בכלי רכב עכשוויים כמו מטוסים. על בסיס AlZn Mg הניתן לריתוך בחוזק בינוני, הוספת יסודות סגסוגת סקנדיום וזירקוניום יכולה ליצור חלקיקי ננו Al3 (Sc, Zr) קטנים ומפוזרים במיקרו-מבנה, ובכך לשפר משמעותית את התכונות המכניות ואת עמידות הסגסוגת בפני קורוזיה במאמץ. מרכז המחקר לנגלי של נאס"א פיתח סגסוגת אלומיניום טרנרית מסוג סקנדיום בדרגה C557, המוכנה לשימוש במשימות מודל. החוזק הסטטי, התפשטות הסדקים וקשיחות השבר של סגסוגת זו בטמפרטורה נמוכה (-200 ℃), טמפרטורת החדר וטמפרטורה גבוהה (107 ℃) שווים או טובים יותר מאלה של סגסוגת 2524. אוניברסיטת נורת'ווסטרן בארצות הברית פיתחה את סגסוגת האלומיניום AlZn Mg Sc מסדרה 7000 בעלת חוזק גבוה במיוחד, עם חוזק מתיחה של עד 680MPa. נוצר דפוס של התפתחות משותפת בין סגסוגת אלומיניום סקנדיום בעלת חוזק בינוני גבוה לבין סגסוגת Al Zn Mg Sc בעלת חוזק גבוה במיוחד. סגסוגת Al Zn Mg Cu Sc היא סגסוגת אלומיניום בעלת חוזק גבוה עם חוזק מתיחה העולה על 800MPa. נכון לעכשיו, ההרכב הנומינלי ופרמטרי הביצועים הבסיסיים של הדרגות העיקריות של...סגסוגת אלומיניום סקנדיוםמסוכמים כדלקמן, כפי שמוצג בטבלאות 1 ו-2.

טבלה 1 | הרכב נומינלי של סגסוגת אלומיניום סקנדיום

טבלה 2 | מיקרו-מבנה ותכונות מתיחה של סגסוגת אלומיניום סקנדיום

סיכויי יישום של סגסוגת אלומיניום סקנדיום

סגסוגות Al Zn Mg Cu Sc ו- Al CuLi Sc בעלות חוזק גבוה יושמו על רכיבים מבניים נושאי עומס, כולל מטוסי הקרב הרוסיים MiG-21 ו- MiG-29. לוח המחוונים של החללית הרוסית "מאדים-1" עשוי מסגסוגת אלומיניום סקנדיום 1570, עם הפחתת משקל כוללת של 20%. רכיבי נושאי העומס של מודול המכשירים של החללית מאדים-96 עשויים מסגסוגת אלומיניום 1970 המכילה סקנדיום, מה שמפחית את משקל מודול המכשיר ב-10%. במסגרת תוכנית "שמיים נקיים" ובפרויקט "מסלול טיסה 2050" של האיחוד האירופי, איירבוס ביצעה טיסות ניסוי משולבות של תכנון, מחקר ופיתוח, ייצור והתקנה של דלתות תא מטען עבור מטוסי A321 המבוססים על סגסוגת אלומיניום סקנדיום AA5028-H116 בדרגה חלופית של סגסוגת אלומיניום סקנדיום 5024. סגסוגות אלומיניום סקנדיום המיוצגות על ידי AA5028 הפגינו ביצועי עיבוד וריתוך מצוינים. שימוש בטכניקות ריתוך מתקדמות כגון ריתוך בחיכוך וריתוך בלייזר כדי להשיג חיבור אמין של חומרי סגסוגת אלומיניום המכילים סקנדיום. היישום ההדרגתי של "ריתוך במקום מסמרות" במבני לוחות דקים מחוזקים במטוסים לא רק שומר על עקביות חומרי המטוס ועל שלמותם המבנית, ומשיג ייצור יעיל ובעלויות נמוכות, אלא גם בעל הפחתת משקל ואפקטים של איטום. מחקר היישום של סגסוגת אלומיניום סקנדיום 5B70 על ידי מכון המחקר של חומרים מיוחדים לחלל של סין פרץ דרך בטכנולוגיות של סיבוב חזק של רכיבים בעובי דופן משתנה, שליטה בעמידות בפני קורוזיה והתאמת חוזק, ובקרה על מאמץ שיורי בריתוך. הוא הכין חוט ריתוך אדפטיבי מסגסוגת אלומיניום סקנדיום, ומקדם חוזק החיבור של ריתוך ערבוב חיכוך עבור לוחות עבים בסגסוגת יכול להגיע ל-0.92. האקדמיה הסינית לטכנולוגיית חלל, אוניברסיטת מרכז דרום ואחרים ערכו בדיקות ביצועים מכניות מקיפות וניסויי תהליכים על חומר 5B70, שדרגו וחידשו את תוכנית בחירת החומרים המבניים עבור 5A06, והחלו ליישם את סגסוגת האלומיניום 5B70 במבנה הראשי של לוחות הקיר המחוזקים הכוללים של תא הנוסעים האטום ותא הנוסעים החוזרים של תחנת החלל. לוח הקיר הכולל של תא הנוסעים הלחץ של מבנה הלוח מתוכנן עם שילוב של צלעות חיזוקים וצלעות חיזוק, ומשיג אינטגרציה מבנית גבוהה יותר ואופטימיזציה של משקל. תוך שיפור הקשיחות והחוזק הכוללים, הוא מפחית את מספר ומורכבות הרכיבים המחברים, ובכך מפחית עוד יותר את המשקל תוך שמירה על ביצועים גבוהים. עם קידום היישום של הנדסת חומרים 5B70, השימוש בחומר 5B70 י... להגדיל ולחרוג בהדרגה מסף האספקה ​​המינימלי, מה שיעזור להבטיח ייצור רציף ואיכות יציבה של חומרי גלם, ולהפחית משמעותית את מחירי חומרי הגלם. כפי שצוין קודם לכן, למרות שתכונות רבות של סגסוגות אלומיניום שופרו באמצעות מיקרו-סגסוגות סקנדיום, המחיר הגבוה והמחסור בסקנדיום מגבילים את טווח היישום של סגסוגות אלומיניום סקנדיום. בהשוואה לחומרי סגסוגת אלומיניום כמו Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, לחומרי סגסוגת אלומיניום המכילים סקנדיום יש תכונות מכניות מקיפות טובות, עמידות בפני קורוזיה ומאפייני עיבוד מצוינים, מה שהופך אותם לפוטנציאל יישום רחב בייצור רכיבים מבניים עיקריים בתחומים תעשייתיים כמו תעופה וחלל. עם העמקה מתמשכת של המחקר על טכנולוגיית מיקרו-סגסוגות סקנדיום ושיפור התאמת שרשרת האספקה ​​​​ושרשרת התעשייתית, גורמי המחיר והעלות המגבילים את היישום התעשייתי בקנה מידה גדול של סגסוגות אלומיניום סקנדיום ישתפרו בהדרגה. התכונות המכניות המקיפות הטובות, עמידות בפני קורוזיה ומאפייני העיבוד המצוינים של סגסוגות אלומיניום סקנדיום הופכים אותם ליתרונות ברורים להפחתת משקל מבנית ופוטנציאל יישום רחב בתחום ייצור ציוד תעופה.