פיתוח ויישום של חומרי סגסוגת אלומיניום

כסגסוגת קלה החיונית עבור ציוד הובלת תעופה, התכונות המכניות המקרוסקופיות של סגסוגת אלומיניום קשורות קשר הדוק למיקרו -מבנה שלה. על ידי שינוי האלמנטים הסגסוגת העיקריים במבנה סגסוגת האלומיניום, ניתן לשנות את המיקרו -מבנה של סגסוגת האלומיניום, וניתן לשפר משמעותית את התכונות המכניות המקרוסקופיות ותכונות אחרות (כמו עמידות בפני קורוזיה וביצועי ריתוך) של החומר. עד כה, מיקרו -סגסוגת הפכה לאסטרטגיית הפיתוח הטכנולוגית המבטיחה ביותר למיטוב המיקרו -מבנה של סגסוגות אלומיניום ולשיפור התכונות המקיפות של חומרי סגסוגת אלומיניום.סקנדיום(SC) הוא משפר האלמנטים המיקרו -סגסוגת היעיל ביותר הידוע בסגסוגות אלומיניום. המסיסות של הסקנדיום במטריקס אלומיניום היא פחות מ- 0.35%. לסקנדיום השפעות פיזיות מרובות בסגסוגות אלומיניום, כולל חיזוק פתרונות מוצקים, חיזוק חלקיקים ועיכוב התגבשות מחדש. מאמר זה יציג את הפיתוח ההיסטורי, ההתקדמות האחרונה והיישומים הפוטנציאליים של סקנדיום המכיל סגסוגות אלומיניום בתחום ייצור ציוד תעופה.

מחקר ופיתוח של סגסוגת תערובת אלומיניום

ניתן לאתר את תוספת הסקנדיום כאלמנט סגסוגת לסגסוגות אלומיניום. באותה תקופה, מרבית העבודות בוצעו במערכות סגסוגת AL SC הבינאריות Almg Almg. בשנות השבעים של המאה העשרים, מכון באקוב למדעי המטלורגיה והחומרים של האקדמיה הסובייטית למדעים והמכון הרוסי למכון לסגסוגת אור ערכו מחקר שיטתי על צורת ומנגנון הסקנדיום בסגסוגות אלומיניום. לאחר כמעט ארבעים שנות מאמץ, פותחו 14 כיתות של סגסוגות תערוכות אלומיניום בשלוש סדרות מרכזיות (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn Mg SC). המסיסות של אטומי הסקנדיום באלומיניום נמוכה, ועל ידי שימוש בתהליכי טיפול בחום מתאימים, ניתן לזרז משקעי ננו AL3SC בצפיפות גבוהה. שלב משקעים זה כמעט כדורי, עם חלקיקים קטנים והתפלגות מפוזרת, ויש לו קשר קוהרנטי טוב עם מטריצת האלומיניום, שיכולה לשפר מאוד את חוזק טמפרטורת החדר של סגסוגות אלומיניום. בנוסף, משקעי ננו של Al3SC הם בעלי יציבות תרמית טובה והתנגדות גסה בטמפרטורות גבוהות (בתוך 400 ℃), וזה מועיל ביותר להתנגדות החום החזקה של הסגסוגת. בסגסוגות הסקנדיום של אלומיניום עשו רוסית, 1570 סגסוגת משכה תשומת לב רבה בגלל הכוח הגבוה ביותר והיישום הרחב ביותר שלה. סגסוגת זו מציגה ביצועים מצוינים בטווח הטמפרטורות העובד של -196 ℃ עד 70 ℃ ובעלת סופרפלסטיות טבעית, שיכולה להחליף את סגסוגת האלומיניום של LF6 הרוסית (סגסוגת אלומיניום אלומיניום המורכבת בעיקר מאלומיניום, מגנזיום, נחושת, מנגן ומוצא) לביצוע מבני רך נוזלים, עם ביצועים נוזלים. בנוסף, רוסיה פיתחה גם סגסוגות סקאנדיום מגנזיום אבץ אלומיניום, המיוצג על ידי 1970, עם חוזק חומרי של מעל 500MPA.

מצב התיעוש שלסגסוגת סקאנדיום אלומיניום

בשנת 2015 פרסמה האיחוד האירופי את "מפת הדרכים המתכתית האירופית: סיכויים ליצרנים ולמשתמשי קצה", והציעה ללמוד את הריתוך של אלומיניוםסגסוגות סקאנדיום מגנזיוםו בספטמבר 2020 פרסמה האיחוד האירופי רשימה של 29 משאבי מינרלים מרכזיים, כולל סקנדיום. סגסוגת הסקנדיום של מגנזיום אלומיניום 5024H116 שפותחה על ידי Ale aluminum בגרמניה היא בעלת חוזק בינוני עד גבוה וסובלנות לנזק גבוה, מה שהופך אותו לחומר מבטיח מאוד לעור גוף המטוס. זה יכול לשמש להחלפת סגסוגות אלומיניום מסורתיות של סדרת 2xxx ונכלל בספר AIMS03-01-055 של איירבוס. 5028 הוא ציון משופר של 5024, המתאים לריתוך לייזר וריתוך חיכוך. זה יכול להשיג את תהליך גיבוש הזחילה של לוחות קיר אינטגרליים היפרבוליים, העמידים בפני קורוזיה ואינו דורש ציפוי אלומיניום. בהשוואה לסגסוגת 2524, מבנה לוח הקיר הכולל של גוף המטוס יכול להשיג ירידה במשקל מבני של 5%. גיליון סגסוגת אלומיניום AA5024-H116 אלומיניום המיוצר על ידי חברת AILI אלומיניום שימש לייצור רכיבים מבניים של מטוסים ורכיבים מבניים חלליים. העובי האופייני של גיליון הסגסוגת AA5024-H116 הוא 1.6 מ"מ עד 8.0 מ"מ, ובשל הצפיפות הנמוכה, התכונות המכניות המתונות שלו, עמידות בפני קורוזיה גבוהה וסטייה ממדית קפדנית, הוא יכול להחליף 2524 סגסוגת כחומר העור המטוס. נכון לעכשיו, גיליון הסגסוגת AA5024-H116 אושר על ידי Airbus AIMS03-04-055. בדצמבר 2018, משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין פרסם את "הקטלוג המנחה עבור האצווה הראשונה של הדגמות יישומים משניים של חומרים חדשים מרכזיים (מהדורת 2018)", שכללה "תחמוצת סקנדיום גבוהה" בקטלוג הפיתוח של ענף החומרים החדשים. בשנת 2019, משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין פרסם את "הקטלוג המנחה עבור הקבוצה הראשונה של יישומי ההפגנה של חומרים חדשים מרכזיים (מהדורת 2019)", שכלל "SC המכיל חומרי עיבוד סגסוגת אלומיניום וחוטי ריתוך של Al SI SC" בקטלוג הפיתוח של ענף החומרים החדשים. קבוצת אלומיניום סין צפון -מזרח אור סגסוגת פיתחה סגסוגת Al MG SC Zr 5B70 המכילה סקנדיום וזירקוניום. בהשוואה לסגסוגת AL MG מסורתית 5083 מסורתית ללא סקנדיום וזירקוניום, התשואה שלה וכוח המתיחה שלה עלו ביותר מ- 30%. יתר על כן, סגסוגת Al Mg SC Zr יכולה לשמור על התנגדות קורוזיה דומה לסגסוגת 5083. נכון לעכשיו, המפעלים המקומיים העיקריים עם ציון תעשייתיסגסוגת סקאנדיום אלומיניוםכושר הייצור הם חברת סגסוגת אור צפון -מזרח ותעשיית האלומיניום הדרומית -מערבית. גיליון סגסוגת אלומיניום בגודל 5B70 בגודל 5B70 שפותח על ידי חברת סגסוגת אור צפון-מזרח, בע"מ יכול לספק צלחות עבות סגסוגת אלומיניום גדולה בעובי מקסימלי של 70 מ"מ ורוחב מקסימלי של 3500 מ"מ; ניתן להתאים אישית מוצרי גיליון דק ומוצרי פרופיל לייצור, עם טווח עובי של 2 מ"מ עד 6 מ"מ ורוחב מקסימלי של 1500 מ"מ. אלומיניום בדרום -מערב פיתח באופן עצמאי חומר 5K40 והתקדמות משמעותית בפיתוח צלחות דקות. סגסוגת Al Zn MG היא סגסוגת התקשות זמן עם חוזק גבוה, ביצועי עיבוד טובים וביצועי ריתוך מעולים. זהו חומר מבני חיוני וחשוב ברכבי התחבורה הנוכחיים כמו מטוסים. על בסיס חוזק בינוני הניתן לריתוך ALZN MG, הוספת אלמנטים של סקנדיום וזירקוניום יכולים ליצור חלקיקים קטנים ומפוזרים של AL3 (SC, ZR) במבנה המיקרו, ולשפר משמעותית את התכונות המכניות ועמידות בפני קורוזיה של הסגסוגת. מרכז המחקר של לנגלי של נאס"א פיתח סגסוגת סקאנדיום אלומיניום טרנרית עם כיתה C557, שמוכנה ליישום במשימות מודל. החוזק הסטטי, התפשטות הסדק וקשיחות השבר של סגסוגת זו בטמפרטורה נמוכה (-200 ℃), טמפרטורת החדר והטמפרטורה הגבוהה (107 ℃) שווים כולם או טובים יותר מאלו של 2524 סגסוגת. אוניברסיטת נורת'ווסטרן בארצות הברית פיתחה את סגסוגת אלומיניום סגסוגת ALZN MG SC 7000 סגסוגת אלומיניום גבוהה במיוחד, עם חוזק מתיחה של עד 680MPA. נוצר דפוס של התפתחות המפרקים בין סגסוגת סקאנדיום אלומיניום בינונית בעוצמה גבוהה לבין חוזק גבוה במיוחד Al Zn Mg SC. סגסוגת Al Zn Mg Cu SC היא סגסוגת אלומיניום בעלת חוזק גבוה עם חוזק מתיחה העולה על 800 מגפ"ס. נכון לעכשיו, ההרכב הנומינלי ופרמטרי הביצועים הבסיסיים של הציונים העיקריים שלסגסוגת סקאנדיום אלומיניוםמסוכמים כדלקמן, כפי שמוצג בטבלאות 1 ו -2.

טבלה 1 | הרכב נומינלי של סגסוגת אלומיניום

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

סיכויי יישום של סגסוגת תערובת אלומיניום

חוזק גבוה Al Zn Mg Cu SC ו- Al Culi SC סגסוגות הוחלו על רכיבים מבניים נושאי עומס, כולל מטוסי קרב MIG-21 ו- MIG-29. לוח המחוונים של החללית הרוסית "MARS-1 ″ ″ עשוי 1570 סגסוגת סקאנדיום אלומיניום, עם ירידה במשקל כוללת של 20%. הרכיבים הנושאים עומס של מודול המכשירים של החללית MARS-96 עשויים משנת 1970 סגסוגת אלומיניום המכילה סקאנדיום, ומפחיתים את משקל מודול המכשיר ב- 10%. בתוכנית "Sky Sky" ובפרויקט "מסלול הטיסה של 2050" של האיחוד האירופי, איירבוס ערכה טיסות משולבות של מטען מטען, מחקר ופיתוח, ייצור והתקנה עבור מטוסי A321 על בסיס סגסוגת אלומיניום AA5028-H116 של יורש AA5028-H116 של 5024 Aluminum. סגסוגות סקאנדיום אלומיניום המיוצגות על ידי AA5028 הדגימו ביצועי עיבוד וריתוך מצוינים. תוך שימוש בטכניקות ריתוך מתקדמות כמו ריתוך חיכוך וריתוך לייזר כדי להשיג חיבור אמין של סקנדיום המכיל חומרי סגסוגת אלומיניום. היישום ההדרגתי של "ריתוך במקום מרתק" במבני צלחת דקים מחוזקים לא רק שומר על עקביות של חומרי מטוסים ושלמות מבנית, השגת ייצור יעיל ועלות נמוכה, אלא גם בעלת השפעות הפחתת משקל ואיטום. מחקר היישומים של סגסוגת אלומיניום 5B70 על ידי מכון המחקר המיוחד של חומרים מיוחדים של סין, פרץ את הטכנולוגיות של סיבוב חזק של רכיבי עובי קיר משתנים, שליטה על עמידות בפני קורוזיה והתאמת חוזק, ושליטה על לחץ שיורי ריתוך. היא הכין חוט ריתוך הסתגלותי סגסוגת אלומיניום אלומיניום, ומקדם חוזק המפרק של ריתוך חיכוך לצלחות עבות בסגסוגת יכול להגיע ל 0.92. האקדמיה לסין לטכנולוגיית החלל, אוניברסיטת מרכז דרום ואחרים ערכו בדיקות ביצועים מכניות נרחבות וניסויי תהליכים על חומר 5B70, שודרגו ואירחו את תוכנית בחירת החומרים המבניים עבור 5A06, והחלו ליישם את סגסוגת אלומיניום 5B70 על סגסוגת אלומיניום 5B70 על תאי החזרה של תחנת החלל. לוח הקיר הכולל של תא הנוסעים בלחץ מבנה הצלחת מעוצב בשילוב של עור וצלעות חיזוק, ומשיג שילוב מבני גבוה יותר ואופטימיזציה במשקל. תוך שיפור הקשיחות והחוזק הכללי, זה מקטין את המספר והמורכבות של רכיבים חיבור, ובכך מפחית עוד יותר את המשקל תוך שמירה על ביצועים גבוהים. עם קידום היישום של הנדסת חומרים 5B70, השימוש בחומר 5B70 יגדל בהדרגה ויעלה על סף האספקה ​​המינימלי, מה שיסייע להבטיח את הייצור והאיכות היציבה של חומרי הגלם, ולהפחית משמעותית את מחירי חומרי הגלם. כאמור, אף כי תכונות רבות של סגסוגות אלומיניום שופרו באמצעות מיקרו -סגסוגת סקנדיום, המחיר הגבוה והמחסור של הסקנדיום מגבילים את טווח היישומים של סגסוגות תערוכות אלומיניום. בהשוואה לחומרי סגסוגת אלומיניום כמו Al Cu, Al Zn, Al Znmg, סקנדיום המכיל חומרי סגסוגת אלומיניום הם בעלי תכונות מכניות מקיפות טובות, עמידות בפני קורוזיה ומאפייני עיבוד מצוינים, מה שהופכים אותם לסיכויי יישום רחבים בייצור מרכיבים מבניים עיקריים בתחומי תעשייה כגון אוויר. עם העמקה מתמדת של המחקר על טכנולוגיית מיקרו-סגסוגת הסקנדיום ושיפור התאמת שרשרת האספקה ​​והתעשייה, גורמי המחיר והעלות המגבילים את היישום התעשייתי בקנה מידה גדול של סגסוגות אלומיניום סקנדיום ישתפרו בהדרגה. התכונות המכניות המקיפות הטובות, עמידות בפני קורוזיה ומאפייני עיבוד מצוינים של סגסוגות תערוכות אלומיניום גורמות להם להיות בעלי יתרונות הפחתת משקל מבניים ברורים ופוטנציאל יישום רחב בתחום ייצור ציוד תעופה.