Là một hợp kim nhẹ rất quan trọng đối với các thiết bị vận chuyển hàng không, các tính chất cơ học vĩ mô của hợp kim nhôm có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc vi mô của nó. Bằng cách thay đổi các yếu tố hợp kim chính trong cấu trúc hợp kim nhôm, cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm có thể được thay đổi, và các tính chất cơ học vĩ mô và các tính chất khác (như điện trở ăn mòn và hiệu suất hàn) của vật liệu có thể được cải thiện đáng kể. Cho đến nay, vi mô đã trở thành chiến lược phát triển công nghệ hứa hẹn nhất để tối ưu hóa cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm và cải thiện các tính chất toàn diện của vật liệu hợp kim nhôm.Scandium(SC) là chất tăng cường nguyên tố vi mô hiệu quả nhất được biết đến với hợp kim nhôm. Khả năng hòa tan của scandium trong ma trận nhôm nhỏ hơn 0,35 wt.%, Thêm một lượng nguyên tố scandium vào hợp kim nhôm có thể cải thiện hiệu quả cấu trúc vi mô của chúng, tăng cường toàn diện sức mạnh, độ cứng, độ dẻo, độ ổn định nhiệt và khả năng chống ăn mòn. Scandium có nhiều tác động vật lý trong hợp kim nhôm, bao gồm tăng cường dung dịch rắn, tăng cường hạt và ức chế kết tinh lại. Bài viết này sẽ giới thiệu sự phát triển lịch sử, tiến trình mới nhất và các ứng dụng tiềm năng của scandium có chứa hợp kim nhôm trong lĩnh vực sản xuất thiết bị hàng không.
Nghiên cứu và phát triển hợp kim nhôm scandium
Việc bổ sung scandium như một yếu tố hợp kim vào hợp kim nhôm có thể được truy nguyên từ những năm 1960. Vào thời điểm đó, hầu hết các công việc được thực hiện trong các hệ thống hợp kim AL SC và Ternary ALMG SC. Vào những năm 1970, Viện Khoa học luyện kim và Vật liệu Baykov của Viện Hàn lâm Khoa học Xô Viết và Viện nghiên cứu hợp kim ánh sáng toàn diện đã thực hiện một nghiên cứu có hệ thống về hình thức và cơ chế của scandium trong hợp kim nhôm. Sau gần bốn mươi năm nỗ lực, 14 loại hợp kim nhôm scandium đã được phát triển trong ba loạt chính (Al MG SC, Al Li Sc, Al Zn MG SC). Độ hòa tan của các nguyên tử scandium trong nhôm thấp và bằng cách sử dụng các quá trình xử lý nhiệt thích hợp, kết tủa nano Al3SC mật độ cao có thể được kết tủa. Pha kết tủa này gần như hình cầu, với các hạt nhỏ và phân phối phân tán, và có mối quan hệ kết hợp tốt với ma trận nhôm, có thể cải thiện đáng kể cường độ nhiệt độ phòng của hợp kim nhôm. Ngoài ra, kết tủa Nano Al3SC có độ ổn định nhiệt tốt và điện trở thô ở nhiệt độ cao (trong vòng 400), cực kỳ có lợi cho khả năng chịu nhiệt mạnh của hợp kim. Trong các hợp kim scandium bằng nhôm của Nga, hợp kim 1570 đã thu hút được nhiều sự chú ý do sức mạnh cao nhất và ứng dụng rộng nhất. Hợp kim này thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ làm việc từ -196 đến 70 và có độ siêu dẻo tự nhiên, có thể thay thế hợp kim nhôm LF6 do Nga (một magiê nhôm chủ yếu bao gồm các hợp kim bằng nhôm, đồng, đồng, và magien Ngoài ra, Nga cũng đã phát triển các hợp kim magiê kẽm nhôm, được đại diện bởi năm 1970, với cường độ vật chất hơn 500MPa.
Tình trạng công nghiệp hóa củaHợp kim nhôm scandium
Vào năm 2015, Liên minh châu Âu đã phát hành lộ trình luyện kim châu Âu: Triển vọng cho các nhà sản xuất và người dùng cuối, đề xuất nghiên cứu khả năng hàn của nhôm nhômHợp kim magiê scandium. Vào tháng 9 năm 2020, Liên minh châu Âu đã công bố danh sách 29 tài nguyên khoáng sản chính, bao gồm cả Scandium. Hợp kim magiê nhôm 5024H116 được phát triển bởi Ale Aluminum ở Đức có độ bền từ trung bình đến cao và khả năng chịu thiệt hại cao, làm cho nó trở thành một vật liệu rất hứa hẹn cho làn da thân máy bay. Nó có thể được sử dụng để thay thế các hợp kim nhôm 2xxx truyền thống và đã được đưa vào cuốn sách mua sắm vật liệu AIMS03-01-055 của Airbus. 5028 là một loại cải tiến 5024, phù hợp cho hàn laser và hàn ma sát. Nó có thể đạt được quá trình hình thành creep của các tấm tường tích phân hyperbol, có khả năng chống ăn mòn và không yêu cầu phủ nhôm. So với hợp kim 2524, cấu trúc bảng tường tổng thể của thân máy bay có thể đạt được giảm trọng lượng cấu trúc 5%. Tấm hợp kim AA5024-H116 Aluminum Scandium được sản xuất bởi Công ty nhôm AILI đã được sử dụng để sản xuất thân máy bay và các thành phần cấu trúc tàu vũ trụ. Độ dày điển hình của tấm hợp kim AA5024-H116 là 1,6mm đến 8,0mm và do mật độ thấp, tính chất cơ học vừa phải, điện trở ăn mòn cao và độ lệch kích thước nghiêm ngặt, nó có thể thay thế 2524 hợp kim làm vật liệu da thân máy. Hiện tại, tờ hợp kim AA5024-H116 đã được chứng nhận bởi Airbus AIMS03-04-055. Vào tháng 12 năm 2018, Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin của Trung Quốc đã phát hành danh mục hướng dẫn của người dùng cho loạt các cuộc biểu tình ứng dụng thứ cấp đầu tiên của các vật liệu mới (phiên bản 2018), bao gồm cả scandium oxit tinh khiết cao trong danh mục phát triển của ngành công nghiệp vật liệu mới. Vào năm 2019, Bộ Công nghiệp và Công nghệ Thông tin của Trung Quốc đã phát hành danh mục hướng dẫn trên mạng cho lô ứng dụng trình diễn đầu tiên của các vật liệu mới chính (phiên bản 2019), trong đó bao gồm các vật liệu xử lý hợp kim nhôm SC và dây hàn Al Si Sc trong danh mục phát triển của ngành công nghiệp vật liệu mới. Tập đoàn nhôm Trung Quốc Hợp kim ánh sáng Đông Bắc đã phát triển hợp kim AL MG SC ZR Sê -ri 5B70 chứa Scandium và Zirconium. So với hợp kim AL MG Series 5083 truyền thống mà không có scandium và zirconium, năng suất và độ bền kéo của nó đã tăng hơn 30%. Hơn nữa, hợp kim Al MG SC ZR có thể duy trì khả năng chống ăn mòn tương đương với hợp kim 5083. Hiện tại, các doanh nghiệp trong nước chính có cấp công nghiệpHợp kim nhôm scandiumNăng lực sản xuất là Công ty Hợp kim ánh sáng Đông Bắc và ngành công nghiệp nhôm Tây Nam. Tấm hợp kim scandium nhôm 5B70 có kích thước lớn được phát triển bởi Công ty TNHH Hợp kim ánh sáng Đông Bắc có thể cung cấp các tấm dày hợp kim nhôm lớn với độ dày tối đa 70mm và chiều rộng tối đa là 3500mm; Các sản phẩm tấm mỏng và các sản phẩm hồ sơ có thể được tùy chỉnh để sản xuất, với phạm vi độ dày từ 2 mm đến 6 mm và chiều rộng tối đa là 1500mm. Nhôm Tây Nam đã phát triển độc lập vật liệu 5K40 và đạt được tiến bộ đáng kể trong việc phát triển các tấm mỏng. Al Zn Mg Alloy là một hợp kim làm cứng thời gian với sức mạnh cao, hiệu suất xử lý tốt và hiệu suất hàn tuyệt vời. Nó là một vật liệu cấu trúc không thể thiếu và quan trọng trong các phương tiện vận chuyển hiện tại như máy bay. Trên cơ sở ALZN Mg có thể hàn cường độ trung bình, thêm các nguyên tố hợp kim Scandium và Zirconium có thể hình thành các hạt nano AL3 (SC, ZR) nhỏ và phân tán trong cấu trúc vi mô, cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và điện trở ăn mòn ứng suất của hợp kim. Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA đã phát triển hợp kim nhôm scandium ternary với lớp C557, đã sẵn sàng để được áp dụng trong các nhiệm vụ mô hình. Độ bền tĩnh, lan truyền vết nứt và độ bền gãy của hợp kim này ở nhiệt độ thấp (-200), nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao (107) đều bằng hoặc tốt hơn so với hợp kim 2524. Đại học Tây Bắc ở Hoa Kỳ đã phát triển AlZN MG SC hợp kim 7000 Sê-ri Hợp kim nhôm cực cao, với độ bền kéo lên tới 680MPa. Một mô hình phát triển khớp giữa hợp kim nhôm scandium cường độ cao trung bình và cường độ cực cao Al Zn Mg SC đã được hình thành. Al Zn Mg Cu SC hợp kim là hợp kim nhôm có độ bền cao với độ bền kéo vượt quá 800 MPa. Hiện tại, thành phần danh nghĩa và các tham số hiệu suất cơ bản của các lớp chính củaHợp kim nhôm scandiumđược tóm tắt như sau, như thể hiện trong Bảng 1 và 2.
Bảng 1 | Thành phần danh nghĩa của hợp kim nhôm scandium
Bảng 2 | Cấu trúc vi mô và tính chất kéo của hợp kim nhôm scandium
Triển vọng ứng dụng của hợp kim nhôm scandium
Các hợp kim SC SC SC SC và Al Culi Sức mạnh cao đã được áp dụng cho các thành phần cấu trúc chịu tải, bao gồm các máy bay chiến đấu MiG-21 và MiG-29 của Nga. Bảng điều khiển của tàu vũ trụ Nga Mars Mars-1 được làm từ hợp kim nhôm scandium 1570, với tổng trọng lượng giảm 20%. Các thành phần chịu tải của mô-đun dụng cụ của tàu vũ trụ Mars-96 được làm từ hợp kim nhôm năm 1970 có chứa Scandium, giảm 10%trọng lượng của mô-đun dụng cụ. Trong chương trình Sky Sky Sky và dự án tuyến đường bay 2050 của EU, Airbus đã thực hiện các chuyến bay thử nghiệm, nghiên cứu và phát triển, sản xuất và lắp đặt hàng hóa tích hợp cho máy bay A321 dựa trên bộ phận scandium bằng nhôm A321. Hợp kim nhôm scandium được đại diện bởi AA5028 đã thể hiện hiệu suất xử lý và hàn tuyệt vời. Sử dụng các kỹ thuật hàn tiên tiến như hàn xào ma sát và hàn laser để đạt được kết nối đáng tin cậy của scandium có chứa vật liệu hợp kim nhôm. Việc thực hiện dần dần hàn hàn thay vì tán xạ trong các cấu trúc tấm mỏng được gia cố máy bay không chỉ duy trì tính nhất quán của vật liệu máy bay và tính toàn vẹn cấu trúc, đạt được sản xuất hiệu quả và chi phí thấp, mà còn có tác dụng giảm cân và niêm phong. Nghiên cứu ứng dụng của hợp kim nhôm scandium 5B70 của Viện nghiên cứu vật liệu đặc biệt hàng không vũ trụ Trung Quốc đã phá vỡ các công nghệ quay mạnh của các thành phần độ dày tường thay đổi, kiểm soát khả năng chống ăn mòn và kết hợp sức mạnh và kiểm soát ứng suất hàn. Nó đã chuẩn bị dây hàn thích ứng hợp kim nhôm scandium và hệ số cường độ chung của hàn xào ma sát cho các tấm dày trong hợp kim có thể đạt 0,92. Học viện Công nghệ Vũ trụ Trung Quốc, Đại học Trung tâm và các trường đại học khác đã tiến hành thử nghiệm và xử lý hiệu suất cơ học rộng rãi trên vật liệu 5B70, nâng cấp và lặp lại sơ đồ lựa chọn vật liệu cấu trúc cho 5A06, và đã bắt đầu áp dụng hợp kim ALUMINUM 5B70 vào cấu trúc chính của Bảng tường tổng thể của cabin áp suất cấu trúc tấm được thiết kế với sự kết hợp giữa xương sườn da và cốt thép, đạt được sự tích hợp cấu trúc cao hơn và tối ưu hóa trọng lượng. Trong khi cải thiện độ cứng và sức mạnh tổng thể, nó làm giảm số lượng và độ phức tạp của các thành phần kết nối, do đó giảm trọng lượng trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao. Với việc thúc đẩy ứng dụng Kỹ thuật vật liệu 5B70, việc sử dụng vật liệu 5B70 sẽ tăng dần và vượt quá ngưỡng cung cấp tối thiểu, sẽ giúp đảm bảo sản xuất liên tục và chất lượng ổn định của nguyên liệu thô và giảm đáng kể giá nguyên liệu thô. Như đã đề cập trước đó, mặc dù nhiều tính chất của hợp kim nhôm đã được cải thiện thông qua việc vi mô scandium, giá cao và sự khan hiếm của scandium giới hạn phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm. So với các vật liệu hợp kim nhôm như Al Cu, Al Zn, Al ZnMG, scandium chứa vật liệu hợp kim nhôm có tính chất cơ học toàn diện tốt, kháng ăn mòn và các đặc tính xử lý tuyệt vời, khiến chúng có triển vọng ứng dụng rộng trong sản xuất các thành phần chính trong các lĩnh vực công nghiệp. Với sự sâu sắc liên tục của nghiên cứu về công nghệ vi mô scandium và cải thiện chuỗi cung ứng và chuỗi công nghiệp phù hợp, các yếu tố giá cả và chi phí hạn chế ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của hợp kim nhôm scandium sẽ dần dần được cải thiện. Các tính chất cơ học toàn diện tốt, khả năng chống ăn mòn và đặc tính xử lý tuyệt vời của hợp kim nhôm scandium làm cho chúng có lợi thế giảm trọng lượng cấu trúc rõ ràng và tiềm năng ứng dụng rộng trong lĩnh vực sản xuất thiết bị hàng không.
Thời gian đăng: Tháng 10-29-2024