Phát triển và ứng dụng vật liệu hợp kim nhôm Scandium

Là một hợp kim nhẹ quan trọng đối với thiết bị vận tải 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 thành phần hợp kim chính trong cấu trúc hợp kim nhôm, cấu trúc vi mô của hợp kim nhôm có thể thay đổi và các tính chất cơ học vĩ mô và các tính chất khác (như khả năng chống ăn mòn và hiệu suất hàn) của vật liệu có thể được cải thiện đáng kể. Cho đến nay, hợp kim vi mô đã trở thành chiến lược phát triển công nghệ đầy 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.Scandi(Sc) là chất tăng cường nguyên tố hợp kim vi mô hiệu quả nhất được biết đến đối với hợp kim nhôm. Độ hòa tan của scandi trong ma trận nhôm nhỏ hơn 0,35 wt.%, Thêm một lượng nhỏ nguyên tố scandi vào hợp kim nhôm có thể cải thiện hiệu quả cấu trúc vi mô của chúng, tăng cường toàn diện độ bền, độ cứng, độ dẻo, độ ổn định nhiệt và khả năng chống ăn mòn. Scandi có nhiều tác động vật lý trong hợp kim nhôm, bao gồm tăng cường dung dịch rắn, tăng cường hạt và ức chế tái kết tinh. Bài viết này sẽ giới thiệu về quá trình phát triển lịch sử, tiến bộ mới nhất và các ứng dụng tiềm năng của hợp kim nhôm chứa scandi trong lĩnh vực sản xuất thiết bị hàng không.

Nghiên cứu và phát triển hợp kim nhôm Scandium

Việc bổ sung scandium như một nguyên tố hợp kim vào hợp kim nhôm có thể bắt nguồn từ những năm 1960. Vào thời điểm đó, hầu hết công việc được thực hiện trong hệ hợp kim Al Sc nhị phân và AlMg Sc tam phân. Vào những năm 1970, Viện Khoa học Vật liệu và Luyện kim Baykov thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô và Viện Nghiên cứu Hợp kim Nhẹ Toàn Nga đã tiến hành một nghiên cứu có hệ thống về hình dạng 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 quy trình xử lý nhiệt thích hợp, có thể kết tủa các chất kết tủa nano Al3Sc mật độ cao. Pha kết tủa này gần như hình cầu, với các hạt nhỏ và phân bố phân tán, và có mối quan hệ thống nhất tốt với ma trận nhôm, có thể cải thiện đáng kể độ bền nhiệt độ phòng của hợp kim nhôm. Ngoài ra, kết tủa nano Al3Sc có độ ổn định nhiệt tốt và khả năng chống thô ở nhiệt độ cao (trong vòng 400 ℃), điều này cực kỳ có lợi cho khả năng chịu nhiệt mạnh của hợp kim. Trong các hợp kim nhôm scandium do Nga sản xuất, hợp kim 1570 đã thu hút được nhiều sự chú ý do có độ bền cao nhất và ứng dụng rộng rãi nhất. Hợp kim này thể hiện hiệu suất tuyệt vời trong phạm vi nhiệt độ làm việc từ -196 ℃ đến 70 ℃ và có tính siêu dẻo tự nhiên, có thể thay thế hợp kim nhôm LF6 do Nga sản xuất (một hợp kim nhôm magiê chủ yếu bao gồm nhôm, magiê, đồng, mangan và silic) để hàn các kết cấu chịu tải trong môi trường oxy lỏng, với hiệu suất được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, Nga cũng đã phát triển hợp kim nhôm kẽm magiê scandium, đại diện là 1970, với độ bền vật liệu trên 500MPa.

Tình trạng công nghiệp hóa củaHợp kim nhôm Scandium

Năm 2015, Liên minh Châu Âu đã công bố “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 nhômhợp kim magie scandi. Vào tháng 9 năm 2020, Liên minh Châu Âu đã công bố danh sách 29 nguồn tài nguyên khoáng sản quan trọng, bao gồm cả scandium. Hợp kim nhôm magie scandium 5024H116 do Ale Aluminum tại Đức phát triển có độ bền từ trung bình đến cao và khả năng chịu hư hỏng cao, khiến nó trở thành vật liệu rất hứa hẹn cho lớp vỏ thân máy bay. Nó có thể được sử dụng để thay thế hợp kim nhôm truyền thống sê-ri 2xxx và đã được đưa vào sổ mua sắm vật liệu AIMS03-01-055 của Airbus. 5028 là cấp độ cải tiến của 5024, phù hợp với hàn laser và hàn khuấy ma sát. Nó có thể đạt được quy trình tạo hình dạng biến dạng của các tấm tường tích hợp hyperbol, có khả năng chống ăn mòn và không cần phủ nhôm. So với hợp kim 2524, cấu trúc tấm tường tổng thể của thân máy bay có thể đạt được mức giảm trọng lượng kết cấu 5%. Tấm hợp kim nhôm scandium AA5024-H116 do Công ty Nhôm Aili sản xuất đã được sử dụng để sản xuất các thành phần kết cấu thân máy bay và tàu vũ trụ. Độ dày thông thường của tấm hợp kim AA5024-H116 là từ 1,6mm đến 8,0mm và do có mật độ thấp, tính chất cơ học vừa phải, khả năng chống ăn mòn cao và độ lệch kích thước nghiêm ngặt nên nó có thể thay thế hợp kim 2524 làm vật liệu vỏ thân máy bay. Hiện tại, tấm hợp kim AA5024-H116 đã được Airbus AIMS03-04-055 chứng nhận. Vào tháng 12 năm 2018, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin Trung Quốc đã phát hành “Danh mục hướng dẫn cho đợt trình diễn ứng dụng thứ cấp đầu tiên của các vật liệu mới quan trọng (Phiên bản 2018)”, trong đó bao gồm “scandium oxide có độ tinh khiết cao” trong danh mục phát triển của ngành vật liệu mới. Vào năm 2019, Bộ Công nghiệp và Công nghệ thông tin Trung Quốc đã phát hành “Danh mục hướng dẫn cho đợt trình diễn ứng dụng đầu tiên của các vật liệu mới quan trọng (Phiên bản 2019)”, trong đó bao gồm “Sc chứa vật liệu gia công hợp kim nhôm và dây hàn Al Si Sc” trong danh mục phát triển của ngành vật liệu mới. China Aluminum Group Northeast Light Alloy đã phát triển hợp kim Al Mg Sc Zr series 5B70 có chứa scandium và zirconium. So với hợp kim Al Mg series 5083 truyền thống không có scandium và zirconium, độ bền kéo 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 chủ yếu có cấp công nghiệphợp kim nhôm scandiNăng lực sản xuất là Công ty Hợp kim nhẹ Đông Bắc và Công nghiệp nhôm Tây Nam. Tấm hợp kim nhôm scandium 5B70 cỡ lớn do Công ty TNHH Hợp kim nhẹ Đông Bắc phát triển có thể cung cấp các tấm hợp kim nhôm dày cỡ lớn với độ dày tối đa 70mm và chiều rộng tối đa 3500mm; Các sản phẩm tấm mỏng và sản phẩm định hình có thể được tùy chỉnh để sản xuất, với phạm vi độ dày từ 2mm đến 6mm và chiều rộng tối đa 1500mm. Southwest Aluminum đã tự phát triển vật liệu 5K40 và đạt được tiến bộ đáng kể trong việc phát triển các tấm mỏng. Hợp kim Al Zn Mg là hợp kim tôi theo thời gian có độ bền cao, hiệu suất gia công tốt và hiệu suất hàn tuyệt vời. Đây là vật liệu kết cấu không thể thiếu và quan trọng trong các phương tiện giao thông hiện nay như máy bay. Trên cơ sở AlZn Mg có thể hàn được với độ bền trung bình, việc bổ sung các nguyên tố hợp kim scandium và zirconium có thể tạo 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 khả năng chống ăn mòn ứng suất của hợp kim. Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA đã phát triển một hợp kim nhôm scandium ba thành phần với cấp C557, sẵn sàng để ứng dụng trong các nhiệm vụ mô hình. Độ bền tĩnh, sự lan truyền vết nứt và độ dẻo dai của hợp kim này ở nhiệt độ thấp (-200 ℃), nhiệt độ phòng và nhiệt độ cao (107 ℃) đều bằng hoặc tốt hơn hợp kim 2524. Đại học Northwestern tại Hoa Kỳ đã phát triển hợp kim nhôm siêu bền AlZn Mg Sc loại 7000 series, với độ bền kéo lên tới 680MPa. Một mô hình phát triển mối nối giữa hợp kim nhôm scandium có độ bền trung bình cao và Al Zn Mg Sc có độ bền cực cao đã được hình thành. Hợp kim Al Zn Mg Cu Sc là hợp kim nhôm có độ bền cao với độ bền kéo vượt quá 800 MPa. Hiện tại, thành phần danh nghĩa và các thông số hiệu suất cơ bản của các cấp chínhhợp kim nhôm scandiđược tóm tắt như sau, như thể hiện trong Bảng 1 và 2.

Bảng 1 | Thành phần danh nghĩa của hợp kim nhôm Scandi

Bảng 2 | Cấu trúc vi mô và tính chất kéo của hợp kim nhôm Scandi

Triển vọng ứng dụng của hợp kim nhôm scandium

Hợp kim Al Zn Mg Cu Sc và Al CuLi Sc cường độ cao đã được ứng dụng vào các thành phần kết cấu chịu tải, bao gồm máy bay chiến đấu MiG-21 và MiG-29 của Nga. Bảng điều khiển của tàu vũ trụ Nga “Mars-1″ được làm bằng hợp kim nhôm scandium 1570, tổng trọng lượng giảm 20%. Các thành phần chịu lực của mô-đun dụng cụ của tàu vũ trụ Mars-96 được làm bằng hợp kim nhôm 1970 có chứa scandium, giảm trọng lượng của mô-đun dụng cụ đi 10%. Trong chương trình “Bầu trời sạch” và dự án “Tuyến bay 2050” của EU, Airbus đã tiến hành các chuyến bay thử nghiệm thiết kế, nghiên cứu và phát triển, sản xuất và lắp đặt cửa khoang hàng hóa tích hợp cho máy bay A321 dựa trên hợp kim nhôm scandium AA5028-H116 kế thừa của hợp kim nhôm scandium 5024. Hợp kim nhôm scandium đại diện là AA5028 đã chứng minh hiệu suất gia công và hàn tuyệt vời. Sử dụng các kỹ thuật hàn tiên tiến như hàn khuấy ma sát và hàn laser để đạt được kết nối đáng tin cậy của vật liệu hợp kim nhôm có chứa scandium. Việc triển khai dần dần “hàn thay vì tán đinh” trong các cấu trúc tấm mỏng được gia cố bằng máy bay không chỉ duy trì tính nhất quán của vật liệu máy bay và tính toàn vẹn của cấu trúc, đạt được sản xuất hiệu quả và chi phí thấp mà còn giảm trọng lượng và hiệu ứng bịt kín. Nghiên cứu ứng dụng hợp kim nhôm scandium 5B70 của Viện nghiên cứu vật liệu đặc biệt hàng không vũ trụ Trung Quốc đã đột phá công nghệ kéo sợi mạnh các thành phần có độ dày thành thay đổi, kiểm soát khả năng chống ăn mòn và độ bền phù hợp, và kiểm soát ứng suất dư hàn. Viện đã chuẩn bị dây hàn thích ứng hợp kim nhôm scandium, và hệ số cường độ mối nối của hàn khuấy ma sát cho các tấm dày trong hợp kim có thể đạt 0,92. Viện Công nghệ vũ trụ Trung Quốc, Đại học Trung Nam và các viện khác đã tiến hành thử nghiệm hiệu suất cơ học và thử nghiệm quy trình rộng rãi trên vật liệu 5B70, nâng cấp và lặp lại sơ đồ lựa chọn vật liệu kết cấu cho 5A06 và đã bắt đầu áp dụng hợp kim nhôm 5B70 vào cấu trúc chính của các tấm tường gia cố tổng thể của cabin kín và cabin trở về của trạm vũ trụ. Tấm tường tổng thể của cabin chịu áp suất kết cấu tấm được thiết kế kết hợp giữa da và gân gia cố, đạt được sự tích hợp cấu trúc cao hơn và tối ưu hóa trọng lượng. Trong khi cải thiện độ cứng và độ bền tổng thể, nó làm giảm số lượng và độ phức tạp của các thành phần kết nối, do đó giảm thêm 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 dần tăng và vượt ngưỡng cung cấp tối thiểu, giúp đảm bảo sản xuất liên tục và chất lượng ổn định của nguyên liệu thô, đồng thời 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 quá trình hợp kim hóa vi mô scandium, nhưng giá cao và sự khan hiếm của scandium hạn chế phạm vi ứng dụng của hợp kim nhôm scandium. So với các vật liệu hợp kim nhôm như Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, vật liệu hợp kim nhôm chứa scandium có tính chất cơ học toàn diện tốt, khả năng chống ăn mòn và đặc tính gia công tuyệt vời, khiến chúng có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong sản xuất các thành phần cấu trúc chính trong các lĩnh vực công nghiệp như hàng không vũ trụ. Với việc nghiên cứu sâu rộng liên tục về công nghệ hợp kim hóa vi mô scandium và cải thiện chuỗi cung ứng và sự phù hợp của chuỗi công nghiệp, các yếu tố giá cả và chi phí hạn chế ứng dụng công nghiệp quy mô lớn của hợp kim nhôm scandium sẽ dần được cải thiện. Tính chất cơ học toàn diện tốt, khả năng chống ăn mòn và đặc tính gia công tuyệt vời của hợp kim nhôm scandium khiến chúng có lợi thế giảm trọng lượng cấu trúc rõ ràng và tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực sản xuất thiết bị hàng không.