Алюмініевы сплаў з'яўляецца лёгкім сплавам, які мае вырашальнае значэнне для авіяцыйнага транспартнага абсталявання, таму яго макраскапічныя механічныя ўласцівасці цесна звязаны з яго мікраструктурай. Змяняючы асноўныя легіруючыя элементы ў структуры алюмініевага сплаву, можна змяніць яго мікраструктуру і значна палепшыць макраскапічныя механічныя і іншыя ўласцівасці (напрыклад, каразійную стойкасць і зварачныя характарыстыкі) матэрыялу. Да цяперашняга часу мікралегіраванне стала найбольш перспектыўнай стратэгіяй тэхналагічнага развіцця для аптымізацыі мікраструктуры алюмініевых сплаваў і паляпшэння комплексных уласцівасцей алюмініевых матэрыялаў.Скандый(Sc) з'яўляецца найбольш эфектыўным узмацняльнікам мікралегіруючых элементаў, вядомым для алюмініевых сплаваў. Растваральнасць скандыя ў алюмініевай матрыцы складае менш за 0,35 мас.%. Даданне слядоў скандыя ў алюмініевыя сплавы можа эфектыўна палепшыць іх мікраструктуру, усебакова павысіць іх трываласць, цвёрдасць, пластычнасць, тэрмічную стабільнасць і каразійную стойкасць. Скандый аказвае мноства фізічных эфектаў у алюмініевых сплавах, у тым ліку ўмацаванне цвёрдых раствораў, умацаванне часціц і інгібіраванне рэкрышталізацыі. У гэтым артыкуле будуць прадстаўлены гістарычнае развіццё, апошнія дасягненні і патэнцыйныя магчымасці прымянення алюмініевых сплаваў, якія змяшчаюць скандый, у галіне вытворчасці авіяцыйнай тэхнікі.
Даследаванні і распрацоўкі алюмініева-скандыевага сплаву
Даданне скандыя ў якасці легіруючага элемента ў алюмініевыя сплавы можна прасачыць да 1960-х гадоў. У той час большая частка працы праводзілася з бінарнымі сістэмамі сплаваў AlSc і трайнымі AlMgSc. У 1970-х гадах Інстытут металургіі і матэрыялазнаўства імя Байкова Акадэміі навук СССР і Усерасійскі інстытут даследаванняў лёгкіх сплаваў правялі сістэматычнае даследаванне формы і механізму скандыя ў алюмініевых сплавах. Пасля амаль сарака гадоў намаганняў было распрацавана 14 марак алюмініевых скандыевых сплаваў трох асноўных серый (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). Растваральнасць атамаў скандыя ў алюмініі нізкая, і пры выкарыстанні адпаведных працэсаў тэрмічнай апрацоўкі можна вылучыць нанаасадкі Al3Sc высокай шчыльнасці. Гэтая фаза асадка мае амаль сферычную форму, дробныя часціцы і дысперснае размеркаванне, і мае добрую кагерэнтную сувязь з алюмініевай матрыцай, што можа значна палепшыць трываласць алюмініевых сплаваў пры пакаёвай тэмпературы. Акрамя таго, нанапрэцыды Al3Sc валодаюць добрай тэрмічнай стабільнасцю і ўстойлівасцю да агалення пры высокіх тэмпературах (у межах 400 ℃), што надзвычай карысна для высокай цеплаўстойлівасці сплаву. Сярод алюмініева-скандыевых сплаваў расійскай вытворчасці сплаў 1570 прыцягнуў вялікую ўвагу дзякуючы сваёй найвышэйшай трываласці і шырокаму прымяненню. Гэты сплаў дэманструе выдатныя характарыстыкі ў дыяпазоне рабочых тэмператур ад -196 ℃ да 70 ℃ і валодае натуральнай звышпластычнасцю, што дазваляе яму замяніць расійскі алюмініевы сплаў LF6 (алюмінева-магніевы сплаў, які ў асноўным складаецца з алюмінію, магнію, медзі, марганцу і крэмнію) для зваркі апорных канструкцый у асяроддзі вадкага кіслароду, са значна палепшанымі характарыстыкамі. Акрамя таго, у Расіі таксама распрацаваны алюмініева-цынкава-магніева-скандыевыя сплавы, прадстаўленыя кампаніяй 1970, з трываласцю матэрыялу больш за 500 МПа.
Стан індустрыялізацыіАлюмініевы сплаў скандыя
У 2015 годзе Еўрапейскі Саюз апублікаваў «Еўрапейскую металургічную дарожную карту: перспектывы для вытворцаў і канчатковых карыстальнікаў», прапанаваўшы вывучаць зварвальнасць алюмінію.магніевыя скандыевыя сплавыУ верасні 2020 года Еўрапейскі Саюз апублікаваў спіс з 29 ключавых мінеральных рэсурсаў, у тым ліку скандыю. Алюмініева-магніевы сплаў 5024H116, распрацаваны нямецкай кампаніяй Ale Aluminum, мае сярэднюю і высокую трываласць і высокую ўстойлівасць да пашкоджанняў, што робіць яго вельмі перспектыўным матэрыялам для абшыўкі фюзеляжа. Ён можа быць выкарыстаны для замены традыцыйных алюмініевых сплаваў серыі 2xxx і быў уключаны ў кнігу па закупках матэрыялаў AIMS03-01-055 кампаніі Airbus. 5028 — гэта палепшаная марка 5024, прыдатная для лазернай зваркі і зваркі трэннем з перамешваннем. Ён можа дасягнуць працэсу паўзучасці гіпербалічных інтэгральных сценных панэляў, якія ўстойлівыя да карозіі і не патрабуюць алюмініевага пакрыцця. У параўнанні са сплавам 2524, агульная канструкцыя сценных панэляў фюзеляжа можа дасягнуць зніжэння вагі канструкцыі на 5%. Ліст алюмініева-скандыевага сплаву AA5024-H116, выраблены кампаніяй Aili Aluminum Company, выкарыстоўваецца для вырабу фюзеляжаў самалётаў і канструкцыйных кампанентаў касмічных апаратаў. Тыповая таўшчыня ліста са сплаву AA5024-H116 складае ад 1,6 мм да 8,0 мм, і дзякуючы нізкай шчыльнасці, умераным механічным уласцівасцям, высокай каразійнай устойлівасці і строгім адхіленням памераў ён можа замяніць сплаў 2524 у якасці матэрыялу абшыўкі фюзеляжа. У цяперашні час ліст са сплаву AA5024-H116 сертыфікаваны Airbus AIMS03-04-055. У снежні 2018 года Міністэрства прамысловасці і інфармацыйных тэхналогій Кітая апублікавала «Кіраўнічы каталог для першай партыі дэманстрацый другаснага прымянення ключавых новых матэрыялаў (выданне 2018 года)», які ў каталог распрацовак індустрыі новых матэрыялаў уключыў «высокачысты аксід скандыя». У 2019 годзе Міністэрства прамысловасці і інфармацыйных тэхналогій Кітая апублікавала «Кіраўнічы каталог для першай партыі дэманстрацыйных прымяненняў ключавых новых матэрыялаў (выданне 2019 года)», які ў каталог распрацовак індустрыі новых матэрыялаў уключыў «Матэрыялы для апрацоўкі алюмініевых сплаваў, якія змяшчаюць Sc, і зварачныя дроты AlSiSc». Кітайская алюмініевая група Northeast Light Alloy распрацавала сплаў AlMgScZr серыі 5B70, які змяшчае скандый і цырконій. У параўнанні з традыцыйным сплавам AlMg серыі 5083 без скандыю і цырконію, яго цякучасць і трываласць на разрыў павялічыліся больш чым на 30%. Акрамя таго, сплаў AlMgScZr можа падтрымліваць каразійную ўстойлівасць, параўнальную са сплавам 5083. У цяперашні час асноўныя айчынныя прадпрыемствы з прамысловым класамалюмініевы сплаў скандыюВытворчыя магутнасці кампаніі Northeast Light Alloy Company і Southwest Aluminum Industry. Вялікапамерны ліст алюмініева-скандыевага сплаву 5B70, распрацаваны кампаніяй Northeast Light Alloy Co., Ltd., можа пастаўляць вялікія тоўстыя пласціны з алюмініевага сплаву максімальнай таўшчынёй 70 мм і максімальнай шырынёй 3500 мм; тонкія лісты і профільныя вырабы могуць быць выраблены на заказ, з дыяпазонам таўшчыні ад 2 мм да 6 мм і максімальнай шырынёй 1500 мм. Southwest Aluminum самастойна распрацавала матэрыял 5K40 і дасягнула значнага прагрэсу ў распрацоўцы тонкіх пласцін. Сплаў AlZnMg - гэта сплаў, які зацвярдзее з часам, з высокай трываласцю, добрымі характарыстыкамі апрацоўкі і выдатнымі характарыстыкамі зваркі. Гэта незаменны і важны канструкцыйны матэрыял у сучасных транспартных сродках, такіх як самалёты. На аснове зварвальнага AlZnMg сярэдняй трываласці даданне элементаў сплаву скандыю і цырконію можа ўтварыць дробныя і дысперсныя наначасціцы Al3 (Sc, Zr) у мікраструктуры, значна паляпшаючы механічныя ўласцівасці і каразійную стойкасць сплаву пад напружаннем. Даследчы цэнтр Лэнглі НАСА распрацаваў трайны алюмініева-скандыевы сплаў маркі C557, гатовы да выкарыстання ў мадэльных місіях. Статычная трываласць, распаўсюджванне расколін і глейкасць разрушэння гэтага сплаву пры нізкай тэмпературы (-200 ℃), пакаёвай тэмпературы і высокай тэмпературы (107 ℃) роўныя або лепшыя, чым у сплаву 2524. Паўночна-Заходні ўніверсітэт у ЗША распрацаваў сплаў AlZnMgSc серыі 7000 - звышвысокатрывалы алюмініевы сплаў з трываласцю на расцяжэнне да 680 МПа. Была сфарміравана схема сумеснага развіцця паміж сярэдне-высокатрывалым алюмініева-скандыевым сплавам і звышвысокатрывалым AlZnMgSc. Сплаў AlZnMgCuSc - гэта высокатрывалы алюмініевы сплаў з трываласцю на расцяжэнне больш за 800 МПа. У цяперашні час намінальны склад і асноўныя эксплуатацыйныя параметры асноўных марак...алюмініевы сплаў скандыюрэзюмуюцца наступным чынам, як паказана ў табліцах 1 і 2.
Табліца 1 | Намінальны склад алюмініева-скандыевага сплаву
Табліца 2 | Мікраструктура і ўласцівасці на расцяжэнне алюмініева-скандыевага сплаву
Перспектывы прымянення алюмініева-скандыевага сплаву
Высокатрывалыя сплавы AlZnMgCuSc і AlCuLiSc выкарыстоўваліся для вырабу апорных канструкцыйных элементаў, у тым ліку для расійскіх знішчальнікаў МіГ-21 і МіГ-29. Прыборная панэль расійскага касмічнага карабля «Марс-1» выраблена з алюмініевага скандыевага сплаву 1570, што прывяло да зніжэння вагі на 20%. Апорныя кампаненты прыборнага модуля касмічнага карабля «Марс-96» выраблены з алюмініевага сплаву 1970, які змяшчае скандый, што знізіла вагу прыборнага модуля на 10%. У рамках праграмы «Чыстае неба» і праекта ЕС «Маршрут палёту 2050» кампанія Airbus правяла комплексныя праектаванне, даследаванні і распрацоўку дзвярэй грузавога адсека, выпрабавальныя палёты і мантажныя палёты для самалёта A321 на аснове алюмініевага скандыевага сплаву 5024, які пераемнік, AA5028-H116. Алюмініевыя скандыевыя сплавы, прадстаўленыя мадэллю AA5028, прадэманстравалі выдатныя характарыстыкі апрацоўкі і зваркі. Выкарыстоўваючы перадавыя тэхналогіі зваркі, такія як зварка трэннем з перамешваннем і лазерная зварка, можна дасягнуць надзейнага злучэння матэрыялаў з алюмініевых сплаваў, якія змяшчаюць скандый. Паступовае ўкараненне «зваркі замест клёпак» у паветрана-армаваныя тонкапласціністыя канструкцыі не толькі падтрымлівае кансістэнцыю матэрыялаў самалёта і структурную цэласнасць, дасягаючы эфектыўнай і недарагой вытворчасці, але і мае эфект зніжэння вагі і герметызацыі. Прымяненне Даследаванні сплаву алюмінію і скандыя 5B70, праведзеныя Кітайскім інстытутам даследаванняў спецыяльных аэракасмічных матэрыялаў, дазволілі распрацаваць тэхналогіі моцнага прадзення кампанентаў са зменнай таўшчынёй сценкі, кантролю каразійнай устойлівасці і адпаведнасці трываласці, а таксама кантролю рэшткавых напружанняў пры зварцы. Быў падрыхтаваны адаптыўны зварачны дрот са сплаву алюмінію і скандыя, і каэфіцыент трываласці злучэння пры зварцы трэннем з перамешваннем для тоўстых пласцін у гэтым сплаве можа дасягаць 0,92. Кітайская акадэмія касмічных тэхналогій, Цэнтральны паўднёвы ўніверсітэт і іншыя правялі шырокія выпрабаванні механічных характарыстык і тэхналагічныя эксперыменты з матэрыялам 5B70, мадэрнізавалі і паўтарылі схему выбару канструкцыйных матэрыялаў для 5A06 і пачалі выкарыстоўваць алюмініевы сплаў 5B70 у асноўнай канструкцыі агульных узмоцненых сценных панэляў герметычнай кабіны і зваротнай кабіны касмічнай станцыі. Агульная сценная панэль герметычнай кабіны з пласціністай канструкцыяй распрацавана з камбінацыяй абшыўкі і рэбраў узмацнення, што дасягае больш высокай структурнай інтэграцыі і аптымізацыі вагі. Паляпшаючы агульную калянасць і трываласць, гэта памяншае колькасць і складанасць злучальных кампанентаў, тым самым яшчэ больш зніжаючы вагу пры захаванні высокай прадукцыйнасці. З развіццём прымянення матэрыяльнай інжынерыі 5B70 выкарыстанне матэрыялу 5B70 будзе паступова павялічвацца. і перавысіць мінімальны парог паставак, што дапаможа забяспечыць бесперапынную вытворчасць і стабільную якасць сыравіны, а таксама значна знізіць цэны на сыравіну. Як ужо згадвалася раней, хоць многія ўласцівасці алюмініевых сплаваў былі палепшаны дзякуючы мікралегіравання скандыям, высокая цана і дэфіцыт скандыя абмяжоўваюць дыяпазон прымянення алюмініевых скандыевых сплаваў. У параўнанні з алюмініевымі сплавамі, такімі як AlCu, AlZn, AlZnMg, скандыевыя алюмініевыя сплавы, якія змяшчаюць скандый, маюць добрыя комплексныя механічныя ўласцівасці, каразійную стойкасць і выдатныя характарыстыкі апрацоўкі, што дае ім шырокія перспектывы прымянення ў вытворчасці асноўных канструкцыйных кампанентаў у такіх галінах прамысловасці, як аэракасмічная прамысловасць. З пастаянным паглыбленнем даследаванняў тэхналогіі мікралегіравання скандыям і ўдасканаленнем ланцужкоў паставак і супастаўлення прамысловых ланцужкоў, фактары кошту і выдаткаў, якія абмяжоўваюць маштабнае прамысловае прымяненне скандыевых алюмініевых сплаваў, будуць паступова паляпшацца. Добрыя комплексныя механічныя ўласцівасці, каразійная стойкасць і выдатныя характарыстыкі апрацоўкі алюмініевых скандыевых сплаваў дазваляюць ім мець відавочныя перавагі ў зніжэнні структурнай вагі і шырокі патэнцыял прымянення ў галіне вытворчасці авіяцыйнай тэхнікі.
Час публікацыі: 29 кастрычніка 2024 г.