Como una aleación de luz que es crucial para el equipo de transporte de aviación, las propiedades mecánicas macroscópicas de la aleación de aluminio están estrechamente relacionadas con su microestructura. Al cambiar los principales elementos de aleación en la estructura de aleación de aluminio, la microestructura de la aleación de aluminio puede alterarse, y las propiedades mecánicas macroscópicas y otras propiedades (como la resistencia a la corrosión y el rendimiento de la soldadura) del material se pueden mejorar significativamente. Hasta ahora, la microalloying se ha convertido en la estrategia de desarrollo tecnológico más prometedora para optimizar la microestructura de las aleaciones de aluminio y mejorar las propiedades integrales de los materiales de aleación de aluminio.Escandio(SC) es el potenciador de elementos microalloying más efectivo conocido por las aleaciones de aluminio. La solubilidad del escandio en la matriz de aluminio es inferior al 0,35%en peso, agregando pequeñas cantidades de elemento de escandio a las aleaciones de aluminio puede mejorar efectivamente su microestructura, mejorar integralmente su resistencia, dureza, plasticidad, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión. El escandio tiene múltiples efectos físicos en las aleaciones de aluminio, que incluyen el fortalecimiento de la solución sólida, el fortalecimiento de las partículas e inhibición de la recristalización. Este artículo presentará el desarrollo histórico, el último progreso y las posibles aplicaciones de escandio que contienen aleaciones de aluminio en el campo de la fabricación de equipos de aviación.
Investigación y desarrollo de aleación de escandio de aluminio
La adición de escandio como elemento de aleación a las aleaciones de aluminio se remonta a la década de 1960. En ese momento, la mayor parte del trabajo se llevó a cabo en sistemas de aleación binarios AL SC y Ternary ALMG SC. En la década de 1970, el Instituto Baykov de Ciencia de Metalurgia y Materiales de la Academia Soviética de Ciencias y el Instituto Ruso de Investigación de Aleaciones de Luz realizó un estudio sistemático sobre la forma y el mecanismo de escandio en las aleaciones de aluminio. Después de casi cuarenta años de esfuerzo, se han desarrollado 14 grados de aleaciones de escandio de aluminio en tres series principales (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn Mg SC). La solubilidad de los átomos de escandio en aluminio es baja, y al usar procesos de tratamiento térmico apropiados, se pueden precipitar los nano precipitados de Al3SC de alta densidad. Esta fase de precipitación es casi esférica, con pequeñas partículas y distribución dispersa, y tiene una buena relación coherente con la matriz de aluminio, que puede mejorar en gran medida la resistencia a la temperatura ambiente de las aleaciones de aluminio. Además, los nano precipitados de Al3SC tienen una buena estabilidad térmica y resistencia en grosor a altas temperaturas (dentro de 400 ℃), lo que es extremadamente beneficioso para la fuerte resistencia al calor de la aleación. En las aleaciones de escandio de aluminio hecho en ruso, la aleación 1570 ha atraído mucha atención debido a su mayor fuerza y la aplicación más amplia. Esta aleación exhibe un excelente rendimiento en el rango de temperatura de trabajo de -196 ℃ a 70 ℃ y tiene una superplasticidad natural, que puede reemplazar la aleación de aluminio LF6 realizada por ruso (una aleación de magnesio de aluminio, principalmente compuesta de aluminio, magnesio, cobre, manganés y silicio) para estructuras de soldadura de carga de carga en oxígeno líquido, con un medio mejor mejorado. Además, Rusia también ha desarrollado aleaciones de escandio de magnesio de zinc de aluminio, representadas en 1970, con una resistencia material de más de 500MPa.
El estado de la industrialización deAleación de escandio de aluminio
En 2015, la Unión Europea lanzó la "Hoja de ruta metalúrgica europea: perspectivas para fabricantes y usuarios finales", proponiendo estudiar la soldabilidad del aluminioaleaciones de escandio de magnesio. En septiembre de 2020, la Unión Europea publicó una lista de 29 recursos minerales clave, incluido Scandium. La aleación de escandio de magnesio de aluminio 5024H116 desarrollada por ALE aluminio en Alemania tiene tolerancia a mediana a alta resistencia y alta daños, lo que lo convierte en un material muy prometedor para la piel del fuselaje. Se puede utilizar para reemplazar las aleaciones tradicionales de aluminio de la serie 2xxx y se ha incluido en el libro de adquisiciones de materiales AIMS03-01-055 de Airbus. 5028 es un grado mejorado de 5024, adecuado para soldadura por láser y soldadura por fricción. Puede lograr el proceso de formación de fluencia de paneles de pared integrales hiperbólicos, que es resistente a la corrosión y no requiere recubrimiento de aluminio. En comparación con la aleación 2524, la estructura general del panel de pared del fuselaje puede lograr una reducción de peso estructural del 5%. La hoja de aleación de escandio de aluminio AA5024-H116 producida por Aili Aluminium Company se ha utilizado para fabricar componentes estructurales de fuselaje de aviones y naves espaciales. El grosor típico de la lámina de aleación AA5024-H116 es de 1.6 mm a 8.0 mm, y debido a su baja densidad, propiedades mecánicas moderadas, alta resistencia a la corrosión y desviación dimensional estricta, puede reemplazar 2524 aleación como el material de la piel del fuselaje. Actualmente, la hoja de aleación AA5024-H116 ha sido certificada por Airbus AIMS03-04-055. En diciembre de 2018, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China lanzó el "Catálogo de guías para el primer lote de demostraciones de aplicaciones secundarias de nuevos materiales clave (edición 2018)", que incluía "óxido de escandio de alta pureza" en el catálogo de desarrollo de la industria de los nuevos materiales. En 2019, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China lanzó el "Catálogo de guías para el primer lote de aplicaciones de demostración de nuevos materiales clave (edición 2019)", que incluía "SC que contiene materiales de procesamiento de aleaciones de aluminio y cables de soldadura por SC" en el catálogo de desarrollo de la industria de los nuevos materiales. El grupo de aluminio de China Northeast Light Alloy ha desarrollado una aleación AL MG SC ZR Series 5B70 que contiene escandio y circonio. En comparación con la aleación tradicional de AL MG Series 5083 sin escandio y circonio, su rendimiento y resistencia a la tracción han aumentado en más del 30%. Además, la aleación al mg sc zr puede mantener una resistencia de corrosión comparable a la aleación 5083. En la actualidad, las principales empresas nacionales con grado industrialaleación de escandio de aluminioLa capacidad de producción es Northeast Light Alloy Company y Southwest Aluminium Industry. La lámina de aleación de escandio de aluminio 5B70 de gran tamaño desarrollada por Northeast Light Alloy Co., Ltd. puede suministrar grandes placas gruesas de aleación de aluminio con un espesor máximo de 70 mm y un ancho máximo de 3500 mm; Los productos de hoja delgada y los productos de perfil se pueden personalizar para la producción, con un rango de espesor de 2 mm a 6 mm y un ancho máximo de 1500 mm. El aluminio suroeste ha desarrollado independientemente el material 5K40 y ha progresado significativamente en el desarrollo de placas delgadas. Al Zn Mg Alloy es una aleación de endurecimiento de tiempo con alta resistencia, buen rendimiento de procesamiento y un excelente rendimiento de soldadura. Es un material estructural indispensable e importante en los vehículos de transporte actuales como los aviones. Sobre la base de ALZN Mg soldable de resistencia media, la adición de elementos de aleación de escandio y circonio puede formar nanopartículas de AL3 (SC, Zr) pequeñas y dispersas en la microestructura, mejorando significativamente las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión por estrés de la aleación. El Centro de Investigación de Langley de la NASA ha desarrollado una aleación de escandio de aluminio ternario con el Grado C557, que está listo para aplicarse en misiones modelo. La resistencia estática, la propagación de grietas y la resistencia a la fractura de esta aleación a baja temperatura (-200 ℃), la temperatura ambiente y la temperatura alta (107 ℃) son todos iguales o mejores que las de la aleación 2524. La Universidad Northwestern en los Estados Unidos ha desarrollado la aleación de aluminio ALZN MG SC Alloy 7000 Series Ultra-High Fuerza de aluminio, con una resistencia a la tracción de hasta 680MPA. Se ha formado un patrón de desarrollo de la articulación entre la aleación de escandio de aluminio de alta resistencia y la ultra alta resistencia al Zn Mg SC. Al Zn Mg Cu SC La aleación es una aleación de aluminio de alta resistencia con una resistencia a la tracción superior a 800 MPa. En la actualidad, la composición nominal y los parámetros básicos de rendimiento de las principales calificaciones dealeación de escandio de aluminiose resumen de la siguiente manera, como se muestra en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1 | Composición nominal de aleación de escandio de aluminio
Tabla 2 | Propiedades de microestructura y tracción de la aleación de escandio de aluminio
Perspectivas de aplicación de aleación de escandio de aluminio
Se han aplicado aleaciones de alta resistencia al Zn Mg Cu SC y Al Culi SC a los componentes estructurales de carga, incluidos los aviones de combate MIG-21 rusos y MIG-29. El tablero de la nave espacial rusa "Mars-1" está hecho de 1570 aleación de escandio de aluminio, con una reducción total de peso del 20%. Los componentes de carga del módulo de instrumento de la nave espacial Mars-96 están hechos de aleación de aluminio de 1970 que contiene escandio, reduciendo el peso del módulo del instrumento en un 10%. En el programa "Clean Sky" y el proyecto "Ruta de vuelo 2050" de la UE, Airbus realizó el diseño integrado de la puerta de carga, la investigación y el desarrollo, la fabricación y los vuelos de prueba de instalación para aviones A321 basados en la aleación de escandio de aluminio 5024 de grado AA5028-H116 de la aleación de escandio de aluminio 5024. Las aleaciones de escandio de aluminio representadas por AA5028 demostraron un excelente rendimiento de procesamiento y soldadura. Utilizando técnicas avanzadas de soldadura, como soldadura por fricción y soldadura por láser para lograr una conexión confiable de los materiales de aleación de aluminio que contiene escandio. La implementación gradual de "soldadura en lugar de remachar" en las estructuras de placas delgadas reforzadas por aeronaves no solo mantiene la consistencia de los materiales de la aeronave e integridad estructural, logrando la fabricación eficiente y de bajo costo, sino que también tiene efectos de reducción de peso y sellado. La investigación de la aplicación de la aleación del escandio 5B70 de aluminio por el Instituto de Investigación de Materiales Especiales Aeroespaciales de China ha roto a través de las tecnologías de hilado fuerte de componentes de espesor de pared variable, control de resistencia a la corrosión y coincidencia de resistencia, y el control del estrés residual de soldadura. Ha preparado alambre de soldadura adaptativa de aleación de escandio de aluminio, y el coeficiente de resistencia de la articulación de la soldadura por fricción de revuelo para placas gruesas en la aleación puede alcanzar 0.92. La Academia de Tecnología Espacial de China, la Universidad Central del Sur y otros han realizado extensos experimentos de pruebas y procesos de rendimiento mecánico en el material 5B70, actualizado e iterado el esquema de selección de material estructural para 5A06, y han comenzado a aplicar la aleación de aluminio 5B70 a la estructura principal de los paneles de pared reforzados de la estación de pared reforzada de la estación espacial y la cabina de devolución. El panel de pared general de la cabina presurizada de la estructura de la placa está diseñado con una combinación de costillas de piel y refuerzo, logrando una mayor integración estructural y optimización de peso. Si bien mejora la rigidez y la fuerza generales, reduce el número y la complejidad de los componentes de conexión, reduciendo así aún más el peso mientras mantiene un alto rendimiento. Con la promoción de la aplicación de la ingeniería de material 5B70, el uso del material 5B70 aumentará y superará gradualmente el umbral mínimo de suministro, lo que ayudará a garantizar la producción continua y la calidad estable de las materias primas, y reducirá significativamente los precios de las materias primas. Como se mencionó anteriormente, aunque se han mejorado muchas propiedades de las aleaciones de aluminio a través de la microalloying de escandio, el alto precio y la escasez de escandio limitan el rango de aplicación de las aleaciones de escandio de aluminio. En comparación con los materiales de aleación de aluminio, como Al Cu, Al Zn, Al Znmg, el escandio que contiene materiales de aleación de aluminio tiene buenas propiedades mecánicas integrales, resistencia a la corrosión y excelentes características de procesamiento, que los hacen tener amplias perspectivas de aplicación en la fabricación de componentes estructurales principales en campos industriales como el aeropacia. Con la continua profundización de la investigación sobre la tecnología de microalloying de escandio y la mejora de la cadena de suministro y la coincidencia de la cadena industrial, los factores de precio y costo que restringen la aplicación industrial a gran escala de aleaciones de aluminio de escandio mejorará gradualmente. Las buenas propiedades mecánicas integrales, la resistencia a la corrosión y las excelentes características de procesamiento de las aleaciones de escandio de aluminio las hacen tener ventajas de reducción de peso estructural claras y un amplio potencial de aplicación en el campo de la fabricación de equipos de aviación.
Tiempo de publicación: Oct-29-2024