Como aleación ligera crucial para el equipo de transporte aéreo, las propiedades mecánicas macroscópicas de la aleación de aluminio están estrechamente relacionadas con su microestructura. Al modificar los principales elementos de aleación en la estructura de la aleación de aluminio, se puede modificar su microestructura y mejorar significativamente sus propiedades mecánicas macroscópicas y otras propiedades (como la resistencia a la corrosión y el rendimiento de la soldadura). Hasta la fecha, la microaleación se ha convertido en la estrategia de desarrollo tecnológico más prometedora para optimizar la microestructura de las aleaciones de aluminio y mejorar sus propiedades integrales.EscandioEl (Sc) es el elemento microaleante más eficaz conocido para las aleaciones de aluminio. La solubilidad del escandio en la matriz de aluminio es inferior al 0,35 % en peso. Añadir trazas de escandio a las aleaciones de aluminio puede mejorar eficazmente su microestructura, mejorando significativamente su resistencia, dureza, plasticidad, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión. El escandio tiene múltiples efectos físicos en las aleaciones de aluminio, como el fortalecimiento en solución sólida, el fortalecimiento de partículas y la inhibición de la recristalización. Este artículo presentará el desarrollo histórico, los últimos avances y las posibles aplicaciones de las aleaciones de aluminio con escandio en la fabricación de equipos de aviación.
Investigación y desarrollo de aleación de aluminio y escandio
La adición de escandio como elemento de aleación a las aleaciones de aluminio se remonta a la década de 1960. En aquel entonces, la mayor parte del trabajo se realizaba en sistemas de aleación binarios de Al₃Sc y ternarios de Al₃Mg₃Sc. En la década de 1970, el Instituto Baykov de Metalurgia y Ciencia de los Materiales de la Academia Soviética de Ciencias y el Instituto Panruso de Investigación de Aleaciones Ligeras llevaron a cabo un estudio sistemático sobre la forma y el mecanismo del escandio en aleaciones de aluminio. Tras casi cuarenta años de esfuerzo, se han desarrollado 14 grados de aleaciones de aluminio y escandio en tres series principales (Al₃Mg₃Sc, Al₃Li₃Sc, Al₃Zn₃Mg₃Sc). La solubilidad de los átomos de escandio en el aluminio es baja, y mediante procesos de tratamiento térmico adecuados, se pueden precipitar nanoprecipitados de Al₃Sc de alta densidad. Esta fase de precipitación es casi esférica, con partículas pequeñas y una distribución dispersa, y presenta una buena relación coherente con la matriz de aluminio, lo que puede mejorar considerablemente la resistencia a temperatura ambiente de las aleaciones de aluminio. Además, los nanoprecipitados de Al3Sc tienen buena estabilidad térmica y resistencia al engrosamiento a altas temperaturas (dentro de los 400 ℃), lo cual es extremadamente beneficioso para la fuerte resistencia al calor de la aleación. En las aleaciones de aluminio y escandio de fabricación rusa, la aleación 1570 ha atraído mucha atención debido a su mayor resistencia y aplicación más amplia. Esta aleación exhibe un excelente rendimiento en el rango de temperatura de trabajo de -196 ℃ a 70 ℃ y tiene superplasticidad natural, que puede reemplazar a la aleación de aluminio LF6 de fabricación rusa (una aleación de aluminio y magnesio compuesta principalmente de aluminio, magnesio, cobre, manganeso y silicio) para estructuras de soldadura de carga en medio de oxígeno líquido, con un rendimiento significativamente mejorado. Además, Rusia también ha desarrollado aleaciones de aluminio, zinc, magnesio y escandio, representadas por 1970, con una resistencia del material de más de 500 MPa.
El estado de industrialización deAleación de aluminio y escandio
En 2015, la Unión Europea publicó la “Hoja de ruta metalúrgica europea: perspectivas para fabricantes y usuarios finales”, proponiendo estudiar la soldabilidad del aluminio.aleaciones de magnesio y escandioEn septiembre de 2020, la Unión Europea publicó una lista de 29 recursos minerales clave, incluido el escandio. La aleación de aluminio y magnesio y escandio 5024H116, desarrollada por Ale Aluminum en Alemania, presenta una resistencia media-alta y una alta tolerancia al daño, lo que la convierte en un material muy prometedor para el revestimiento del fuselaje. Puede utilizarse para sustituir a las aleaciones de aluminio tradicionales de la serie 2xxx y se ha incluido en el libro de adquisiciones de materiales AIMS03-01-055 de Airbus. El 5028 es un grado mejorado del 5024, apto para soldadura láser y soldadura por fricción y agitación. Permite el proceso de conformado por 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 lámina de aleación de aluminio y escandio AA5024-H116, producida por Aili Aluminum Company, se ha utilizado para fabricar fuselajes de aeronaves y componentes estructurales de naves espaciales. El espesor típico de la lámina de aleación AA5024-H116 es de 1,6 mm a 8,0 mm y, gracias a su baja densidad, propiedades mecánicas moderadas, alta resistencia a la corrosión y una estricta desviación dimensional, puede sustituir a la aleación 2524 como material para el revestimiento del fuselaje. Actualmente, la lámina de aleación AA5024-H116 cuenta con la certificación AIMS03-04-055 de Airbus. En diciembre de 2018, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China publicó el "Catálogo Guía para el Primer Lote de Demostraciones de Aplicaciones Secundarias de Nuevos Materiales Clave (Edición 2018)", que incluyó el "óxido de escandio de alta pureza" en el catálogo de desarrollo de la industria de nuevos materiales. En 2019, el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información de China publicó el “Catálogo Guía para el Primer Lote de Aplicaciones Demostrativas de Nuevos Materiales Clave (Edición 2019)”, que incluyó “Materiales de procesamiento de aleaciones de aluminio con contenido de Sc y alambres de soldadura Al Si Sc” en el catálogo de desarrollo de la industria de nuevos materiales. China Aluminum Group Northeast Light Alloy desarrolló una aleación Al Mg Sc Zr serie 5B70 con escandio y circonio. En comparación con la aleación tradicional Al Mg serie 5083 sin escandio ni circonio, su rendimiento y resistencia a la tracción aumentaron en más de un 30 %. Además, la aleación Al Mg Sc Zr puede mantener una resistencia a la corrosión comparable a la de la aleación 5083. Actualmente, las principales empresas nacionales con grado industrialaleación de aluminio y escandioLa capacidad de producción la constituyen Northeast Light Alloy Company y Southwest Aluminum Industry. La lámina de aleación de aluminio y escandio 5B70 de gran tamaño, desarrollada por Northeast Light Alloy Co., Ltd., permite suministrar placas gruesas de aleación de aluminio de gran tamaño con un espesor máximo de 70 mm y un ancho máximo de 3500 mm. Los productos de lámina delgada y 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. Southwest Aluminum ha desarrollado de forma independiente el material 5K40 y ha logrado un progreso significativo en el desarrollo de placas delgadas. La aleación AlZnMg es una aleación de endurecimiento temporal con alta resistencia, buen rendimiento de procesamiento y excelente rendimiento de soldadura. Es un material estructural indispensable e importante en los vehículos de transporte actuales, como los aviones. Sobre la base de AlZnMg 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, lo que mejora significativamente las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión bajo tensión de la aleación. El Centro de Investigación Langley de la NASA ha desarrollado una aleación ternaria de aluminio y escandio con el grado C557, lista para su aplicación en misiones de modelismo. La resistencia estática, la propagación de grietas y la tenacidad a la fractura de esta aleación a baja temperatura (-200 °C), temperatura ambiente y alta temperatura (107 °C) son iguales o superiores a las de la aleación 2524. La Universidad Northwestern de Estados Unidos ha desarrollado la aleación de aluminio de ultraalta resistencia serie 7000 de AlZnMgSc, con una resistencia a la tracción de hasta 680 MPa. Se ha formado un patrón de desarrollo conjunto entre la aleación de aluminio y escandio de resistencia media-alta y la aleación de aluminio y escandio de ultraalta resistencia AlZnMgSc. La aleación AlZnMgCuSc es una aleación de aluminio de alta resistencia con una resistencia a la tracción superior a 800 MPa. Actualmente, se conocen la composición nominal y los parámetros básicos de rendimiento de los principales grados de...aleación de aluminio y escandioSe resumen a continuación, como se muestra en las Tablas 1 y 2.
Tabla 1 | Composición nominal de la aleación de aluminio y escandio
Tabla 2 | Microestructura y propiedades de tracción de la aleación de aluminio y escandio
Perspectivas de aplicación de la aleación de aluminio y escandio
Las aleaciones Al Zn Mg Cu Sc y Al CuLi Sc de alta resistencia se han aplicado a componentes estructurales portantes, incluidos los aviones de combate rusos MiG-21 y MiG-29. El tablero de instrumentos de la nave espacial rusa "Mars-1" está fabricado con una aleación de aluminio-escandio 1570, lo que supone una reducción de peso total del 20 %. Los componentes portantes del módulo de instrumentos de la nave espacial Mars-96 están fabricados con una aleación de aluminio 1970 con escandio, lo que reduce el peso del módulo en un 10 %. En el marco del programa "Clean Sky" y el proyecto "2050 Flight Route" de la UE, Airbus realizó vuelos de prueba de diseño, investigación y desarrollo, fabricación e instalación de puertas de bodega integradas para aviones A321, basados en la aleación de aluminio-escandio AA5028-H116, sucesora de la aleación de aluminio-escandio 5024. Las aleaciones de aluminio-escandio AA5028 demostraron un excelente rendimiento de procesamiento y soldadura. Se utilizan técnicas de soldadura avanzadas, como la soldadura por fricción-agitación y la soldadura láser, para lograr una conexión fiable de los materiales de aleación de aluminio con escandio. La implementación gradual de la "soldadura en lugar de remachado" en las estructuras de placas delgadas reforzadas para aeronaves no solo mantiene la consistencia de los materiales y la integridad estructural, sino que también logra una eficiencia y... Fabricación de bajo costo, que también ofrece reducción de peso y efectos de sellado. La investigación sobre la aplicación de la aleación de aluminio-escandio 5B70, realizada por el Instituto de Investigación de Materiales Especiales Aeroespaciales de China, ha avanzado en las tecnologías de hilado fuerte de componentes de espesor de pared variable, control de la resistencia a la corrosión y la adaptación de la resistencia, y control de la tensión residual de soldadura. Se ha preparado un alambre de soldadura adaptativo de aleación de aluminio-escandio, cuyo coeficiente de resistencia de unión por fricción-agitación para placas gruesas de la aleación puede alcanzar 0,92. La Academia China de Tecnología Espacial, la Universidad Central del Sur y otras entidades han realizado exhaustivas pruebas de rendimiento mecánico y experimentos de proceso con el material 5B70, han mejorado 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 cabina sellada y la cabina de retorno de la estación espacial. El panel de pared de la cabina presurizada con estructura de placa está diseñado con una combinación de revestimiento y nervaduras de refuerzo, logrando una mayor integración estructural y una optimización del peso. Al tiempo que mejora la rigidez y la resistencia generales, reduce el número y la complejidad de los componentes de conexión, reduciendo aún más el peso y manteniendo un alto rendimiento. Con... Gracias a la promoción de la aplicación de la ingeniería de materiales 5B70, su uso aumentará gradualmente y superará el umbral mínimo de suministro, lo que contribuirá a garantizar la producción continua y la calidad estable de las materias primas, además de reducir significativamente sus precios. Como se mencionó anteriormente, si bien muchas propiedades de las aleaciones de aluminio se han mejorado mediante la microaleación de escandio, su alto precio y escasez limitan su rango de aplicación. En comparación con materiales de aleación de aluminio como AlCu, AlZn y AlZnMg, los materiales de aleación de aluminio con escandio presentan buenas propiedades mecánicas integrales, resistencia a la corrosión y excelentes características de procesamiento, lo que les otorga amplias posibilidades de aplicación en la fabricación de componentes estructurales principales en sectores industriales como el aeroespacial. Con la continua profundización de la investigación sobre la tecnología de microaleación de escandio y la mejora de la compatibilidad entre las cadenas de suministro e industriales, los factores de precio y coste que limitan la aplicación industrial a gran escala de las aleaciones de aluminio con escandio mejorarán gradualmente. Las buenas propiedades mecánicas integrales, la resistencia a la corrosión y las excelentes características de procesamiento de las aleaciones de aluminio con escandio las convierten en claras ventajas en la reducción de peso estructural y un amplio potencial de aplicación en el campo de los equipos de aviación. fabricación.
Hora de publicación: 29 de octubre de 2024