Jako lehká slitina, která je klíčová pro leteckou dopravní techniku, jsou makroskopické mechanické vlastnosti hliníkové slitiny úzce spjaty s její mikrostrukturou. Změnou hlavních legujících prvků ve struktuře hliníkové slitiny lze změnit mikrostrukturu hliníkové slitiny a výrazně zlepšit makroskopické mechanické vlastnosti a další vlastnosti materiálu (jako je odolnost proti korozi a svařovací vlastnosti). Mikrolegování se doposud stalo nejslibnější strategií technologického vývoje pro optimalizaci mikrostruktury hliníkových slitin a zlepšení komplexních vlastností hliníkových slitin.Skandium(Sc) je nejúčinnější známý zesilovač mikrolegujících prvků pro hliníkové slitiny. Rozpustnost skandia v hliníkové matrici je menší než 0,35 hmotnostních %. Přidání stopového množství skandia do hliníkových slitin může účinně zlepšit jejich mikrostrukturu, komplexně zvýšit jejich pevnost, tvrdost, plasticitu, tepelnou stabilitu a odolnost proti korozi. Skandium má v hliníkových slitinách řadu fyzikálních účinků, včetně zpevnění pevným roztokem, zpevnění částic a inhibice rekrystalizace. Tento článek představí historický vývoj, nejnovější pokrok a potenciální aplikace hliníkových slitin obsahujících skandium v oblasti výroby letecké techniky.
Výzkum a vývoj slitiny hliníku a skandia
Přidávání skandia jako legujícího prvku do hliníkových slitin lze vysledovat až do 60. let 20. století. V té době se většina práce prováděla s binárními systémy slitin AlSc a ternárními systémy slitin AlMgSc. V 70. letech 20. století provedly Bajkovův ústav metalurgie a materiálových věd Sovětské akademie věd a Všeruský ústav pro výzkum lehkých slitin systematickou studii formy a mechanismu skandia v hliníkových slitinách. Po téměř čtyřiceti letech úsilí bylo vyvinuto 14 druhů slitin hliníku a skandia ve třech hlavních sériích (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Rozpustnost atomů skandia v hliníku je nízká a pomocí vhodných procesů tepelného zpracování lze vysrážet nanoprecipitáty Al3Sc s vysokou hustotou. Tato precipitační fáze je téměř sférická, s malými částicemi a dispergovaným rozložením a má dobrý koherentní vztah s hliníkovou matricí, což může výrazně zlepšit pevnost hliníkových slitin při pokojové teplotě. Nanoprecipitáty Al3Sc mají navíc dobrou tepelnou stabilitu a odolnost proti zhrubnutí při vysokých teplotách (do 400 °C), což je mimořádně výhodné pro vysokou tepelnou odolnost slitiny. Mezi ruskými slitinami hliníku a skandia si slitina 1570 získala velkou pozornost díky své nejvyšší pevnosti a nejširšímu použití. Tato slitina vykazuje vynikající výkon v rozsahu pracovních teplot od -196 °C do 70 °C a má přirozenou superplasticitu, která může nahradit ruskou hliníkovou slitinu LF6 (slitina hliníku a hořčíku složená převážně z hliníku, hořčíku, mědi, manganu a křemíku) pro nosné svařované konstrukce v kapalném kyslíku s výrazně lepším výkonem. Rusko dále vyvinulo slitiny hliníku, zinku a hořčíku, které reprezentuje společnost 1970, s pevností materiálu přes 500 MPa.
Stav industrializaceSlitina hliníku a skandia
V roce 2015 Evropská unie zveřejnila dokument „Evropský metalurgický plán: Perspektivy pro výrobce a koncové uživatele“, v němž navrhuje studovat svařitelnost hliníku.slitiny hořčíku a skandiaV září 2020 zveřejnila Evropská unie seznam 29 klíčových nerostných surovin, včetně skandia. Slitina hliníku a hořčíku 5024H116, vyvinutá německou společností Ale Aluminum, má střední až vysokou pevnost a vysokou odolnost proti poškození, což z ní činí velmi slibný materiál pro potah trupu. Lze ji použít k nahrazení tradičních hliníkových slitin řady 2xxx a byla zařazena do katalogu materiálů AIMS03-01-055 společnosti Airbus. 5028 je vylepšená jakost 5024, vhodná pro laserové svařování a třecí svařování s mícháním. Dokáže dosáhnout procesu creepového tváření hyperbolických integrálních stěnových panelů, které jsou odolné proti korozi a nevyžadují hliníkový povlak. Ve srovnání se slitinou 2524 může celková konstrukce stěnových panelů trupu dosáhnout 5% snížení strukturální hmotnosti. Plech ze slitiny hliníku a skandia AA5024-H116, který vyrábí společnost Aili Aluminum Company, se používá k výrobě trupů letadel a konstrukčních součástí kosmických lodí. Typická tloušťka plechu ze slitiny AA5024-H116 je 1,6 mm až 8,0 mm a díky nízké hustotě, středním mechanickým vlastnostem, vysoké odolnosti proti korozi a přísným rozměrovým odchylkám může nahradit slitinu 2524 jako materiál potahu trupu. V současné době je plech ze slitiny AA5024-H116 certifikován společností Airbus AIMS03-04-055. V prosinci 2018 vydalo Ministerstvo průmyslu a informačních technologií Číny „Průvodní katalog pro první várku demonstrací sekundárních aplikací klíčových nových materiálů (vydání 2018)“, který do vývojového katalogu průmyslu nových materiálů zahrnul „vysoce čistý oxid skandia“. V roce 2019 vydalo Ministerstvo průmyslu a informačních technologií Číny „Průvodní katalog pro první várku demonstračních aplikací klíčových nových materiálů (vydání 2019)“, který do vývojového katalogu průmyslu nových materiálů zahrnul „materiály pro zpracování hliníkových slitin obsahujících Sc a svařovací dráty AlSiSc“. Společnost China Aluminum Group Northeast Light Alloy vyvinula slitinu AlMgScZr řady 5B70 obsahující skandium a zirkonium. Ve srovnání s tradiční slitinou AlMg řady 5083 bez skandia a zirkonia se její mez kluzu a pevnost v tahu zvýšily o více než 30 %. Navíc si slitina AlMgScZr udržuje srovnatelnou odolnost proti korozi jako slitina 5083. V současné době hlavní domácí podniky s průmyslovou jakostí...slitina hliníku a skandiaVýrobní kapacity společnosti Northeast Light Alloy Company a Southwest Aluminum Industry. Velkoformátový plech 5B70 ze slitiny hliníku a skandia, vyvinutý společností Northeast Light Alloy Co., Ltd., může dodávat velké tlusté plechy z hliníkové slitiny s maximální tloušťkou 70 mm a maximální šířkou 3500 mm. Tenké plechy a profily lze přizpůsobit pro výrobu s rozsahem tloušťky 2 mm až 6 mm a maximální šířkou 1500 mm. Společnost Southwest Aluminum nezávisle vyvinula materiál 5K40 a dosáhla významného pokroku ve vývoji tenkých plechů. Slitina AlZnMg je časem vytvrzovatelná slitina s vysokou pevností, dobrým zpracovatelským výkonem a vynikajícími svařovacími vlastnostmi. Je to nepostradatelný a důležitý konstrukční materiál v současných dopravních prostředcích, jako jsou letadla. Na bázi středně pevného svařitelného AlZnMg může přidání prvků slitiny skandia a zirkonia tvořit malé a rozptýlené nanočástice Al3 (Sc, Zr) v mikrostruktuře, což výrazně zlepšuje mechanické vlastnosti a odolnost slitiny proti korozi namáháním. Výzkumné centrum Langley v NASA vyvinulo ternární slitinu hliníku a skandia jakosti C557, která je připravena k použití v modelových misích. Statická pevnost, šíření trhlin a lomová houževnatost této slitiny při nízkých teplotách (-200 °C), pokojových teplotách a vysokých teplotách (107 °C) jsou stejné nebo lepší než u slitiny 2524. Northwestern University ve Spojených státech vyvinula slitinu AlZnMgSc řady 7000, ultravysokopevnostní hliníkovou slitinu s pevností v tahu až 680 MPa. Vznikl vzorec vývoje spojení mezi středně vysokou pevností slitiny hliníku a skandia a ultravysokopevnostní slitinou AlZnMgSc. Slitina AlZnMgCuSc je vysokopevnostní hliníková slitina s pevností v tahu přesahující 800 MPa. V současné době je nominální složení a základní výkonnostní parametry hlavních jakostí...slitina hliníku a skandiajsou shrnuty následovně, jak je uvedeno v tabulkách 1 a 2.
Tabulka 1 | Jmenovité složení slitiny hliníku a skandia
Tabulka 2 | Mikrostruktura a tahové vlastnosti slitiny hliníku a skandia
Perspektivy použití slitiny hliníku a skandia
Vysoce pevné slitiny AlZnMgCuSc a AlCuLiSc byly použity na nosné konstrukční prvky, včetně ruských stíhaček MiG-21 a MiG-29. Přístrojová deska ruské kosmické lodi „Mars-1“ je vyrobena ze slitiny hliníku a skandia 1570, což představuje celkové snížení hmotnosti o 20 %. Nosné komponenty přístrojového modulu kosmické lodi Mars-96 jsou vyrobeny ze slitiny hliníku 1970 obsahující skandium, což snižuje hmotnost přístrojového modulu o 10 %. V rámci programu „Clean Sky“ a projektu EU „2050 Flight Route“ provedl Airbus integrovaný návrh, výzkum a vývoj, výrobu a instalační zkušební lety dveří nákladového prostoru pro letadla A321 na základě nástupnické slitiny hliníku a skandia 5024 třídy AA5028-H116. Slitiny hliníku a skandia, reprezentované modelem AA5028, prokázaly vynikající vlastnosti při zpracování a svařování. Využíváním pokročilých svařovacích technik, jako je třecí svařování s promícháváním a laserové svařování, se dosahuje spolehlivého spojení materiálů z hliníkových slitin obsahujících skandium. Postupné zavádění „svařování místo nýtování“ v tenkovrstvých konstrukcích vyztužených letadel nejen udržuje konzistenci materiálů letadla a strukturální integritu, čímž se dosahuje efektivní a nízkonákladové výroby, ale má také účinky snížení hmotnosti a utěsnění. Použití Výzkum slitiny hliníku a skandia 5B70 provedený Čínským výzkumným ústavem speciálních leteckých materiálů (China Aerospace Special Materials Research Institute) přinesl průlom v technologiích silného spřádání komponent s proměnnou tloušťkou stěny, řízení odolnosti proti korozi a sladění pevnosti a řízení zbytkového napětí při svařování. Byl připraven adaptivní svařovací drát ze slitiny hliníku a skandia, přičemž koeficient pevnosti spoje při třecím svařování s promícháváním pro tlusté plechy ve slitině může dosáhnout 0,92. Čínská akademie kosmických technologií, Centrální jižní univerzita a další provedly rozsáhlé testování mechanických vlastností a procesní experimenty s materiálem 5B70, vylepšily a iterovaly schéma výběru konstrukčního materiálu pro 5A06 a začaly používat hliníkovou slitinu 5B70 na hlavní konstrukci celkových vyztužených stěnových panelů uzavřené kabiny a návratové kabiny vesmírné stanice. Celkový stěnový panel přetlakové kabiny s deskovou konstrukcí je navržen s kombinací pláště a výztužných žeber, čímž se dosahuje vyšší strukturální integrace a optimalizace hmotnosti. Při zlepšení celkové tuhosti a pevnosti se snižuje počet a složitost spojovacích komponent, čímž se dále snižuje hmotnost při zachování vysokého výkonu. S propagací materiálového inženýrství 5B70 se bude používání materiálu 5B70 postupně zvyšovat. a překročit minimální prahovou hodnotu dodávek, což pomůže zajistit nepřetržitou výrobu a stabilní kvalitu surovin a výrazně snížit ceny surovin. Jak již bylo zmíněno, ačkoli mnoho vlastností hliníkových slitin bylo zlepšeno pomocí mikrolegování skandia, vysoká cena a nedostatek skandia omezují rozsah použití hliníkových slitin a skandia. Ve srovnání s hliníkovými slitinovými materiály, jako jsou AlCu, AlZn, AlZnMg, mají hliníkové slitiny obsahující skandium dobré komplexní mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a vynikající zpracovatelské vlastnosti, což jim dává široké uplatnění při výrobě hlavních konstrukčních součástí v průmyslových oblastech, jako je letecký průmysl. S neustálým prohlubováním výzkumu technologie mikrolegování skandia a zlepšováním dodavatelského řetězce a sladění průmyslových řetězců se budou postupně zlepšovat cenové a nákladové faktory, které omezují rozsáhlé průmyslové využití slatin a skandia a hliníku. Dobré komplexní mechanické vlastnosti, odolnost proti korozi a vynikající zpracovatelské vlastnosti slatin a skandia jim dávají jasné výhody v oblasti snižování strukturální hmotnosti a široký aplikační potenciál v oblasti výroby leteckých zařízení.
Čas zveřejnění: 29. října 2024