Als Liichtlegierung, déi fir Loftfaarttransportausrüstung entscheedend ass, sinn déi makroskopesch mechanesch Eegeschafte vun der Aluminiumlegierung enk mat hirer Mikrostruktur verbonnen. Duerch d'Ännerung vun den Haaptlegierungselementer an der Aluminiumlegierungsstruktur kann d'Mikrostruktur vun der Aluminiumlegierung geännert ginn, an déi makroskopesch mechanesch Eegeschaften an aner Eegeschaften (wéi Korrosiounsbeständegkeet a Schweessleistung) vum Material kënnen däitlech verbessert ginn. Bis elo ass d'Mikrolegierung déi villverspriechendst technologesch Entwécklungsstrategie fir d'Optimiséierung vun der Mikrostruktur vun Aluminiumlegierungen an d'Verbesserung vun den ëmfaassenden Eegeschafte vun Aluminiumlegierungsmaterialien.Skandium(Sc) ass dat effektivst Mikrolegierungselementverstäerker, dat fir Aluminiumlegierungen bekannt ass. D'Léislechkeet vu Scandium an der Aluminiummatrix ass manner wéi 0,35 Gew.-%. D'Zousätzlech vu Spuermengen vum Scandiumelement zu Aluminiumlegierungen kann hir Mikrostruktur effektiv verbesseren, hir Stäerkt, Häert, Plastizitéit, thermesch Stabilitéit a Korrosiounsbeständegkeet ëmfaassend erhéijen. Scandium huet verschidde physikalesch Effekter an Aluminiumlegierungen, dorënner d'Verstäerkung a Festléisungen, d'Partikelverstäerkung an d'Inhibitioun vun der Rekristallisatioun. Dësen Artikel stellt déi historesch Entwécklung, déi lescht Fortschrëtter a potenziell Uwendungen vu Scandium-haltegen Aluminiumlegierungen am Beräich vun der Fabrikatioun vun Loftfaartausrüstung vir.
Fuerschung an Entwécklung vun Aluminium-Scandium-Legierung
D'Zousätz vu Scandium als Legierungselement zu Aluminiumlegierungen geet bis an d'1960er Joren zréck. Deemools gouf déi meescht Aarbecht a binären AlSc- an ternären AlMgSc-Legierungssystemer duerchgefouert. An den 1970er Joren hunn de Baykov-Institut fir Metallurgie a Materialwëssenschaft vun der Sowjetescher Akademie vun de Wëssenschaften an den Allrusseschen Institut fir Liichtlegierungsfuerschung eng systematesch Studie iwwer d'Form a Mechanismus vu Scandium an Aluminiumlegierungen duerchgefouert. No bal véierzeg Joer Ustrengungen goufen 14 Qualitéite vun Aluminium-Scandiumlegierungen an dräi Haaptserien (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc) entwéckelt. D'Léislechkeet vun de Scandiumatome am Aluminium ass niddreg, an duerch d'Benotzung vun passenden Hëtztbehandlungsprozesser kënnen héichdichteg Al3Sc-Nano-Niederfäll ausgefällt ginn. Dës Nidderschlagsphase ass bal kugelfërmeg, mat klenge Partikelen an enger dispergéierter Verdeelung, an huet eng gutt kohärent Bezéiung mat der Aluminiummatrix, wat d'Raumtemperaturfestigkeit vun Aluminiumlegierungen däitlech verbessere kann. Zousätzlech hunn Al3Sc-Nano-Ausfäll eng gutt thermesch Stabilitéit a Vergréisserungsbeständegkeet bei héijen Temperaturen (bannent 400 ℃), wat extrem virdeelhaft fir déi staark Hëtztbeständegkeet vun der Legierung ass. A russesch hiergestallten Aluminium-Scandium-Legierungen huet d'1570-Legierung vill Opmierksamkeet op sech gezunn wéinst hirer héchster Festigkeit a breetster Uwendung. Dës Legierung weist exzellent Leeschtung am Aarbechtstemperaturberäich vun -196 ℃ bis 70 ℃ an huet eng natierlech Superplastizitéit, déi déi russesch hiergestallt LF6-Aluminiumlegierung (eng Aluminium-Magnesium-Legierung, déi haaptsächlech aus Aluminium, Magnesium, Koffer, Mangan a Silizium besteet) fir droend Schweessstrukturen a flëssegem Sauerstoffmedium mat däitlech verbesserter Leeschtung ersetzen kann. Zousätzlech huet Russland och Aluminium-Zink-Magnesium-Scandium-Legierungen entwéckelt, déi vum 1970 vertruede sinn, mat enger Materialfestigkeit vu méi wéi 500 MPa.
Den Industrialiséierungsstatus vunAluminium-Scandium-Legierung
Am Joer 2015 huet d'Europäesch Unioun d'"European Metallurgical Roadmap: Perspectives for Manufacturers and End Users" erausginn, an där se proposéiert huet, d'Schweessbarkeet vun Aluminium ze studéieren.Magnesium-Scandium-LegierungenAm September 2020 huet d'Europäesch Unioun eng Lëscht mat 29 wichtege Mineralquellen erausginn, dorënner Scandium. D'Aluminium-Magnesium-Scandium-Legierung 5024H116, déi vun Ale Aluminum an Däitschland entwéckelt gouf, huet eng mëttel bis héich Festigkeit an eng héich Schuedtoleranz, wat se zu engem ganz villverspriechenden Material fir d'Rumpfhaut mécht. Si kann benotzt ginn, fir traditionell Aluminiumlegierungen aus der 2xxx-Serie z'ersetzen, an ass am Materialbeschaffungsbuch AIMS03-01-055 vun Airbus opgeholl ginn. 5028 ass eng verbessert Qualitéit vu 5024, déi fir Laserschweißen a Reibungsschweessen gëeegent ass. Si kann de Kräizformungsprozess vun hyperboleschen Integralwandpaneele erreechen, wat korrosiounsbeständeg ass a keng Aluminiumbeschichtung erfuerdert. Am Verglach mat der 2524-Legierung kann déi allgemeng Wandpaneelstruktur vum Rumpf eng Reduktioun vum strukturelle Gewiicht ëm 5% erreechen. D'AA5024-H116 Aluminium-Scandium-Legierungsplack, déi vun der Aili Aluminum Company produzéiert gëtt, gouf benotzt fir d'Strukturkomponenten vum Fligerrumpf a Raumschëffer ze produzéieren. Déi typesch Déckt vun der AA5024-H116 Legierungsblech ass 1,6 mm bis 8,0 mm, a wéinst senger gerénger Dicht, mëttelméissege mechaneschen Eegeschaften, héijer Korrosiounsbeständegkeet a strikter Dimensiounsofwäichung kann se d'2524-Legierung als Rumpfhautmaterial ersetzen. Aktuell ass d'AA5024-H116 Legierungsblech vum Airbus AIMS03-04-055 zertifizéiert. Am Dezember 2018 huet de Ministère fir Industrie an Informatiounstechnologie vu China de "Guiding Catalogue for the First Batch of Secondary Application Demonstrations of Key New Materials (2018 Edition)" erausginn, deen "high-purity Scandiumoxid" am Entwécklungskatalog vun der neier Materialindustrie opgeholl huet. Am Joer 2019 huet de Ministère fir Industrie an Informatiounstechnologie vu China de "Guiding Catalogue for the First Batch of Demonstration Applications of Key New Materials (2019 Edition)" erausginn, deen "Sc-halteg Aluminiumlegierungsveraarbechtungsmaterialien an Al Si Sc Schweessdréit" am Entwécklungskatalog vun der neier Materialindustrie opgeholl huet. China Aluminum Group Northeast Light Alloy huet eng Al-Mg-Sc-Zr-Legierung aus der Serie 5B70 entwéckelt, déi Scandium a Zirkonium enthält. Am Verglach mat der traditioneller Al-Mg-Legierung aus der Serie 5083 ouni Scandium a Zirkonium sinn hir Streck an Zuchfestigkeit ëm méi wéi 30% eropgaang. Ausserdeem kann d'Al-Mg-Sc-Zr-Legierung eng vergläichbar Korrosiounsbeständegkeet wéi d'5083-Legierung behalen. Am Moment sinn déi wichtegst inlännesch Betriber mat industrielle Qualitéit...Aluminium-Scandium-LegierungD'Produktiounskapazitéit ass vun der Northeast Light Alloy Company an der Southwest Aluminum Industry. Déi grouss 5B70 Aluminium-Scandium-Legierungsblech, déi vun der Northeast Light Alloy Co., Ltd. entwéckelt gouf, kann grouss, déck Aluminiumlegierungsplacken mat enger maximaler Déckt vun 70 mm an enger maximaler Breet vun 3500 mm liwweren; Dënnblechprodukter a Profilprodukter kënne fir d'Produktioun personaliséiert ginn, mat engem Déckteberäich vun 2 mm bis 6 mm an enger maximaler Breet vun 1500 mm. Southwest Aluminum huet onofhängeg 5K40-Material entwéckelt a bedeitend Fortschrëtter an der Entwécklung vun dënne Placken gemaach. D'AlZnMg-Legierung ass eng Zäithärtungslegierung mat héijer Festigkeit, gudder Veraarbechtungsleistung an exzellenter Schweessleistung. Et ass en onverzichtbaart a wichtegt Strukturmaterial an aktuellen Transportmëttelen wéi Fligeren. Op Basis vu mëttlerer Festigkeit, schweessbaren AlZnMg, kann d'Zousätzlech vu Scandium- a Zirkoniumlegierungselementer kleng an dispergéiert Al3 (Sc, Zr) Nanopartikelen an der Mikrostruktur bilden, wat d'mechanesch Eegeschaften an d'Spannungskorrosiounsbeständegkeet vun der Legierung däitlech verbessert. De Langley Research Center vun der NASA huet eng ternär Aluminium-Scandium-Legierung mat der Qualitéit C557 entwéckelt, déi prett ass fir a Modellmissiounen agesat ze ginn. Déi statesch Stäerkt, d'Rëssausbreedung an d'Bruchsstäerkt vun dëser Legierung bei niddreger Temperatur (-200 ℃), Raumtemperatur an héijer Temperatur (107 ℃) sinn all gläich oder besser wéi déi vun der 2524-Legierung. D'Northwestern University an den USA huet d'AlZn-Mg-Sc-Legierung vun der Serie 7000 mat ultra-héijer Festigkeit vun Aluminium entwéckelt, mat enger Zuchfestigkeit vu bis zu 680 MPa. E Muster vun der Gelenkentwécklung tëscht enger mëttlerer, héijer Festigkeit vun Aluminium-Scandium an engem ultra-héijer Festigkeit vun Al-Zn-Mg-Sc gouf geformt. D'Al-Zn-Mg-Cu-Sc-Legierung ass eng héichfest Aluminiumlegierung mat enger Zuchfestigkeit vu méi wéi 800 MPa. Am Moment sinn déi nominell Zesummesetzung an d'Basisleistungsparameter vun den Haaptqualitéiten...Aluminium-Scandium-Legierungsinn wéi follegt zesummegefaasst, wéi an den Tabellen 1 an 2 gewisen.
Tabelle 1 | Nominal Zesummesetzung vun der Aluminium-Scandium-Legierung
Tabelle 2 | Mikrostruktur an Zugeigenschaften vun der Aluminium-Scandium-Legierung
Uwendungsperspektiven vun der Aluminium-Scandium-Legierung
Héichfestigkeit Al-Zn-Mg-Cu-Sc- an Al-CuLi-Sc-Legierungen goufen op droend Strukturkomponenten ugewannt, dorënner déi russesch MiG-21- an MiG-29-Kampfjets. Den Armaturenbrett vum russesche Raumschëff "Mars-1" besteet aus enger Aluminiumlegierung vun 1570, déi Scandium enthält, mat enger Gesamtgewiichtsreduktioun vun 20%. Déi droend Komponenten vum Instrumentenmodul vum Mars-96 Raumschëff besteet aus enger Aluminiumlegierung vun 1970, déi Scandium enthält, wat d'Gewiicht vum Instrumentenmodul ëm 10% reduzéiert. Am "Clean Sky"-Programm an dem EU-Projet "2050 Flight Route" huet Airbus integréiert Testflich am Beräich vum Design, der Fuerschung an Entwécklung, der Produktioun an der Installatioun vun enger Laderaumdier fir en A321 Fliger op Basis vun der Nofollgerlegierung AA5028-H116 Aluminiumlegierung vun der Aluminiumlegierung 5024, déi Scandium enthält, duerchgefouert. D'Aluminium-Scandiumlegierungen, déi duerch AA5028 representéiert ginn, hunn exzellent Veraarbechtungs- a Schweessleistung gewisen. Duerch d'Benotzung vun fortgeschrattene Schweesstechniken, wéi Reibungsschweessen a Laserschweessen, gouf eng zouverlässeg Verbindung vu Scandium-haltegen Aluminiumlegierungsmaterialien erreecht. Déi graduell Ëmsetzung vum "Schweessen amplaz Nieten" a mat Fligeren verstäerkte Dënnplackestrukturen erhale net nëmmen d'Konsistenz vun de Fligermaterialien an d'strukturell Integritéit, wouduerch eng effizient a käschtegënschteg Produktioun erreecht gëtt, mä huet och eng Gewiichtsreduktioun an en Ofdichtungseffekt. D'Applikatiounsfuerschung vun der Aluminium-Scandium-5B70-Legierung vum China Aerospace Special Materials Research Institute huet d'Technologien vum staarke Spinnprozess vu Komponenten mat variabler Wanddicke, der Kontroll vun der Korrosiounsbeständegkeet an der Festigkeitsanpassung, an der Kontroll vun der Reschtspannung an der Schweess duerchbrach. Et huet adaptiven Schweessdrot aus der Aluminium-Scandium-Legierung virbereet, an de Reibungsfestigkeitskoeffizient vun der Verbindungsstäerkt fir déck Placken an der Legierung kann 0,92 erreechen. D'China Academy of Space Technology, d'Central South University an anerer hunn extensiv mechanesch Leeschtungstester an Prozessexperimenter um 5B70-Material duerchgefouert, de Schema fir d'Auswiel vu Strukturmaterial fir 5A06 verbessert an iteréiert, an hunn ugefaang d'5B70-Aluminiumlegierung op d'Haaptstruktur vun de verstäerkte Wandpaneele vun der versiegelter Kabinn an der Réckkabinn vun der Raumstatioun unzewenden. Déi ganz Wandpaneel vun der Drockkabinn vun der Plackestruktur ass mat enger Kombinatioun vu Haut- a Verstäerkungsrippen entworf, wat eng méi héich strukturell Integratioun an Gewiichtsoptimiséierung erreecht. Wärend d'Gesamtsteifegkeet an d'Festigkeit verbessert ginn, reduzéiert et d'Zuel an d'Komplexitéit vun de Verbindungskomponenten, wouduerch d'Gewiicht weider reduzéiert gëtt, während eng héich Leeschtung erhale bleift. Mat der Fërderung vun der Uwendung vun der 5B70-Materialtechnik wäert d'Benotzung vu 5B70-Material... d'Mindestversuergungsschwell graduell erhéijen an iwwerschreiden, wat hëlleft déi kontinuéierlech Produktioun an eng stabil Qualitéit vun de Rohmaterialien ze garantéieren, an d'Rohmaterialpräisser däitlech ze reduzéieren. Wéi virdru scho gesot, obwuel vill Eegeschafte vun Aluminiumlegierungen duerch Scandium-Mikrolegierungen verbessert goufen, limitéieren den héije Präis an d'Raritéit vu Scandium den Uwendungsberäich vun Aluminium-Scandium-Legierungen. Am Verglach mat Aluminiumlegierungsmaterialien wéi Al-Cu, Al-Zn, Al-Zn-Mg hunn Scandium-halteg Aluminiumlegierungsmaterialien gutt ëmfaassend mechanesch Eegeschaften, Korrosiounsbeständegkeet an exzellent Veraarbechtungseigenschaften, wat se zu breede Uwendungsperspektiven an der Fabrikatioun vun den Haaptstrukturkomponenten an industrielle Beräicher wéi der Loftfaart mécht. Mat der kontinuéierlecher Verdéiwung vun der Fuerschung iwwer Scandium-Mikrolegierungstechnologie an der Verbesserung vun der Versuergungskette an der industrieller Kette-Matching, wäerten d'Präis- a Käschtefaktoren, déi déi grouss industriell Uwendung vu Scandium-Aluminiumlegierungen limitéieren, sech graduell verbesseren. Déi gutt ëmfaassend mechanesch Eegeschaften, Korrosiounsbeständegkeet an exzellent Veraarbechtungseigenschaften vun Aluminium-Scandium-Legierungen maachen se zu kloere strukturelle Gewiichtsreduktiounsvirdeeler an engem breede Uwendungspotenzial am Beräich vun der Fabrikatioun vun Loftfaartausrüstung.
Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 29. Oktober 2024