Как легкий сплав, который имеет решающее значение для авиационного транспортного оборудования, макроскопические механические свойства алюминиевого сплава тесно связаны с его микроструктурой. Изменяя основные легирующие элементы в структуре алюминиевого сплава, можно изменить микроструктуру алюминиевого сплава, а макроскопические механические свойства и другие свойства (такие как коррозионная стойкость и свариваемость) материала могут быть значительно улучшены. До настоящего времени микролегирование стало наиболее перспективной стратегией технологического развития для оптимизации микроструктуры алюминиевых сплавов и улучшения комплексных свойств материалов из алюминиевых сплавов.Скандий(Sc) является наиболее эффективным микролегирующим элементом, известным для алюминиевых сплавов. Растворимость скандия в алюминиевой матрице составляет менее 0,35 мас.%. Добавление следовых количеств элемента скандия в алюминиевые сплавы может эффективно улучшить их микроструктуру, всесторонне повысить их прочность, твердость, пластичность, термическую стабильность и коррозионную стойкость. Скандий оказывает множественные физические эффекты в алюминиевых сплавах, включая упрочнение твердого раствора, упрочнение частиц и ингибирование рекристаллизации. В этой статье будут представлены историческое развитие, последние достижения и потенциальные области применения алюминиевых сплавов, содержащих скандий, в области производства авиационного оборудования.
Исследования и разработки алюминиево-скандиевого сплава
Добавление скандия в качестве легирующего элемента в алюминиевые сплавы можно проследить до 1960-х годов. В то время большая часть работ проводилась в бинарных системах сплавов Al Sc и тройных AlMg Sc. В 1970-х годах Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова АН СССР и Всероссийский научно-исследовательский институт легких сплавов провели систематическое исследование формы и механизма скандия в алюминиевых сплавах. После почти сорока лет усилий было разработано 14 марок алюминиево-скандиевых сплавов в трех основных сериях (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc). Растворимость атомов скандия в алюминии низкая, и при использовании соответствующих процессов термической обработки можно осаждаться нанопреципитаты Al3Sc высокой плотности. Эта фаза осаждения имеет почти сферическую форму, мелкие частицы и дисперсное распределение и имеет хорошую когерентную связь с алюминиевой матрицей, что может значительно улучшить прочность алюминиевых сплавов при комнатной температуре. Кроме того, нанопреципитаты Al3Sc обладают хорошей термической стабильностью и сопротивлением огрублению при высоких температурах (в пределах 400 ℃), что чрезвычайно полезно для высокой термостойкости сплава. В российских алюминиево-скандиевых сплавах сплав 1570 привлек большое внимание из-за своей высочайшей прочности и самого широкого применения. Этот сплав демонстрирует превосходные характеристики в диапазоне рабочих температур от -196 ℃ до 70 ℃ и обладает естественной сверхпластичностью, что может заменить российский алюминиевый сплав ЛФ6 (алюминиево-магниевый сплав, в основном состоящий из алюминия, магния, меди, марганца и кремния) для несущих сварных конструкций в среде жидкого кислорода, со значительно улучшенными характеристиками. Кроме того, в России также разработаны алюминиево-цинковые магниевые скандиевые сплавы, представленные в 1970 году, с прочностью материала более 500 МПа.
Состояние индустриализацииСплав алюминия и скандия
В 2015 году Европейский Союз выпустил «Европейскую металлургическую дорожную карту: перспективы для производителей и конечных потребителей», в которой предлагается изучить свариваемость алюминия.магниево-скандиевые сплавы. В сентябре 2020 года Европейский союз опубликовал список из 29 основных минеральных ресурсов, включая скандий. Алюминиево-магниевый скандиевый сплав 5024H116, разработанный компанией Ale Aluminum в Германии, обладает средней и высокой прочностью и высокой устойчивостью к повреждениям, что делает его очень перспективным материалом для обшивки фюзеляжа. Он может использоваться для замены традиционных алюминиевых сплавов серии 2xxx и был включен в книгу закупок материалов Airbus AIMS03-01-055. 5028 — это улучшенная марка 5024, подходящая для лазерной сварки и сварки трением с перемешиванием. Он может обеспечить процесс ползучести формовки гиперболических интегральных стеновых панелей, которые устойчивы к коррозии и не требуют алюминиевого покрытия. По сравнению со сплавом 2524 общая структура стеновой панели фюзеляжа может достичь снижения веса конструкции на 5%. Лист алюминиево-скандиевого сплава AA5024-H116, производимый компанией Aili Aluminum Company, использовался для изготовления фюзеляжей самолетов и конструктивных элементов космических аппаратов. Типичная толщина листа сплава AA5024-H116 составляет от 1,6 мм до 8,0 мм, и благодаря своей низкой плотности, умеренным механическим свойствам, высокой коррозионной стойкости и строгому отклонению размеров он может заменить сплав 2524 в качестве материала обшивки фюзеляжа. В настоящее время лист сплава AA5024-H116 сертифицирован Airbus AIMS03-04-055. В декабре 2018 года Министерство промышленности и информационных технологий Китая выпустило «Руководящий каталог для первой партии демонстраций вторичного применения ключевых новых материалов (издание 2018 года)», который включил «оксид скандия высокой чистоты» в каталог разработок отрасли новых материалов. В 2019 году Министерство промышленности и информационных технологий Китая выпустило «Руководящий каталог для первой партии демонстрационных приложений ключевых новых материалов (издание 2019 года)», который включил «Sc-содержащие материалы для обработки алюминиевых сплавов и сварочную проволоку Al Si Sc» в каталог разработок отрасли новых материалов. China Aluminum Group Northeast Light Alloy разработала сплав Al Mg Sc Zr серии 5B70, содержащий скандий и цирконий. По сравнению с традиционным сплавом Al Mg серии 5083 без скандия и циркония его текучесть и предел прочности на разрыв увеличились более чем на 30%. Более того, сплав Al Mg Sc Zr может сохранять сопоставимую коррозионную стойкость со сплавом 5083. В настоящее время основные отечественные предприятия с промышленным классомалюминиево-скандиевый сплавПроизводственные мощности Northeast Light Alloy Company и Southwest Aluminum Industry. Крупногабаритный лист из алюминиево-скандиевого сплава 5B70, разработанный Northeast Light Alloy Co., Ltd., может поставлять большие толстые пластины из алюминиевого сплава с максимальной толщиной 70 мм и максимальной шириной 3500 мм; Тонкие листовые изделия и профильные изделия могут быть изготовлены по индивидуальному заказу для производства с диапазоном толщины от 2 мм до 6 мм и максимальной шириной 1500 мм. Southwest Aluminum самостоятельно разработала материал 5K40 и достигла значительного прогресса в разработке тонких пластин. Сплав Al Zn Mg представляет собой закаливающийся во времени сплав с высокой прочностью, хорошими характеристиками обработки и превосходными характеристиками сварки. Это незаменимый и важный конструкционный материал в современных транспортных средствах, таких как самолеты. На основе свариваемого сплава AlZn Mg средней прочности добавление элементов сплава скандия и циркония может образовывать мелкие и дисперсные наночастицы Al3 (Sc, Zr) в микроструктуре, значительно улучшая механические свойства и стойкость сплава к коррозии под напряжением. Исследовательский центр Лэнгли НАСА разработал тройной алюминиево-скандиевый сплав марки C557, который готов к применению в модельных миссиях. Статическая прочность, распространение трещин и вязкость разрушения этого сплава при низкой температуре (-200 ℃), комнатной температуре и высокой температуре (107 ℃) равны или превосходят показатели сплава 2524. Северо-Западный университет в США разработал сверхпрочный алюминиевый сплав серии 7000 AlZnMgSc с пределом прочности на разрыв до 680 МПа. Сформирована схема совместной разработки среднепрочного алюминиево-скандиевого сплава и сверхпрочного AlZnMgSc. Сплав AlZnMgCuSc является высокопрочным алюминиевым сплавом с пределом прочности на разрыв более 800 МПа. В настоящее время номинальный состав и основные эксплуатационные параметры основных марокалюминиево-скандиевый сплавсуммируются следующим образом, как показано в таблицах 1 и 2.
Таблица 1 | Номинальный состав алюминиево-скандиевого сплава
Таблица 2 | Микроструктура и прочностные свойства сплава алюминия со скандием
Перспективы применения алюминиево-скандиевого сплава
Высокопрочные сплавы Al Zn Mg Cu Sc и Al CuLi Sc применяются в несущих конструкционных элементах, в том числе в российских истребителях МиГ-21 и МиГ-29. Приборная панель российского космического корабля «Марс-1» изготовлена из алюминиево-скандиевого сплава марки 1570 с общим снижением веса на 20%. Несущие элементы приборного отсека космического корабля «Марш-96» изготовлены из алюминиевого сплава марки 1970, содержащего скандий, что снижает вес приборного отсека на 10%. В рамках программы «Чистое небо» и проекта ЕС «Маршрут полета 2050» компания Airbus провела комплексные проектирование, исследования и разработки, изготовление и испытательные полеты по установке двери грузового отсека для самолета A321 на основе алюминиево-скандиевого сплава марки AA5028-H116, являющегося преемником алюминиево-скандиевого сплава марки 5024. Алюминиевые скандиевые сплавы, представленные AA5028, продемонстрировали превосходные характеристики обработки и сварки. Использование передовых методов сварки, таких как сварка трением с перемешиванием и лазерная сварка, для достижения надежного соединения материалов из алюминиевого сплава, содержащего скандий. Постепенное внедрение «сварки вместо клепки» в армированных самолетами тонколистовых конструкциях не только сохраняет согласованность самолета Материалы и структурная целостность, достигая эффективного и недорогого производства, но также имеет эффекты снижения веса и герметизации. Исследования применения алюминиевого скандиевого сплава 5B70, проведенные Китайским институтом исследований специальных аэрокосмических материалов, прорвались через технологии сильного прядения компонентов переменной толщины стенки, контроля коррозионной стойкости и соответствия прочности, а также контроля остаточного напряжения сварки. Он подготовил адаптивную сварочную проволоку из алюминиевого скандиевого сплава, а коэффициент прочности соединения при сварке трением с перемешиванием для толстых пластин в сплаве может достигать 0,92. Китайская академия космических технологий, Центральный южный университет и другие провели обширные испытания механических характеристик и технологические эксперименты с материалом 5B70, модернизировали и повторили схему выбора конструкционного материала для 5A06 и начали применять алюминиевый сплав 5B70 для основной конструкции общих усиленных стеновых панелей герметичной кабины и возвратной кабины космической станции. Общая стеновая панель герметичной кабины с пластинчатой конструкцией спроектирована с комбинацией обшивки и ребер жесткости, что обеспечивает более высокую структурную интеграцию и оптимизацию веса. Улучшая общую жесткость и прочность, он уменьшает количество и сложность соединительных компонентов, тем самым еще больше снижая вес при сохранении высокой производительности. С продвижением применения инженерии материалов 5B70 использование материала 5B70 будет постепенно увеличиваться и превышать минимальный порог поставки, что поможет обеспечить непрерывное производство и стабильное качество сырья, а также значительно снизить цены на сырье. Как упоминалось ранее, хотя многие свойства алюминиевых сплавов были улучшены за счет микролегирования скандием, высокая цена и дефицит скандия ограничивают область применения алюминиево-скандиевых сплавов. По сравнению с материалами из алюминиевых сплавов, такими как Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, материалы из алюминиевых сплавов, содержащие скандий, обладают хорошими комплексными механическими свойствами, коррозионной стойкостью и отличными технологическими характеристиками, что делает их широко применимыми в производстве основных структурных компонентов в таких промышленных областях, как аэрокосмическая промышленность. С постоянным углублением исследований в области технологии микролегирования скандием и улучшением соответствия цепочки поставок и промышленной цепочки, факторы цены и затрат, которые ограничивают крупномасштабное промышленное применение скандиево-алюминиевых сплавов, будут постепенно улучшаться. Хорошие комплексные механические свойства, коррозионная стойкость и отличные технологические характеристики алюминиево-скандиевых сплавов делают их обладающими явными преимуществами в плане снижения веса конструкции и широким потенциалом применения в сфере производства авиационной техники.
Время публикации: 29-окт-2024