Como aleación ligera crucial para los equipos 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 la aleación de aluminio, se puede alterar la microestructura de la aleación de aluminio y se pueden mejorar significativamente las propiedades mecánicas macroscópicas y otras propiedades (como la resistencia a la corrosión y el rendimiento de la soldadura) del material. Hasta ahora, la microaleación 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 de microaleación más eficaz conocido para las aleaciones de aluminio. La solubilidad del escandio en una matriz de aluminio es inferior al 0,35% en peso. Agregar trazas de elemento de escandio a las aleaciones de aluminio puede mejorar eficazmente su microestructura y mejorar de manera integral su resistencia, dureza, plasticidad, estabilidad térmica y resistencia a la corrosión. El escandio tiene múltiples efectos físicos en las aleaciones de aluminio, incluido el fortalecimiento de soluciones sólidas, 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 que contienen escandio en el campo de 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 los años 1960. En ese momento, la mayor parte del trabajo se realizaba en sistemas de aleaciones binarias de Al Sc y ternarias de AlMg Sc. En la década de 1970, el Instituto Baykov de Metalurgia y Ciencia de los Materiales de la Academia de Ciencias Soviética y el Instituto Panruso de Investigación de Aleaciones Ligeras llevaron a cabo un estudio sistemático sobre la forma y el mecanismo del escandio en las aleaciones de aluminio. Después de casi cuarenta años de esfuerzo, se han desarrollado 14 grados de aleaciones de aluminio y escandio en tres series principales (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc). La solubilidad de los átomos de escandio en el aluminio es baja y, mediante el uso de 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 distribución dispersa, y tiene una buena relación coherente con la matriz de aluminio, lo que puede mejorar en gran medida 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 400 ℃), lo que es extremadamente beneficioso para la fuerte resistencia al calor de la aleación. En las aleaciones de aluminio y escandio fabricadas en Rusia, la aleación 1570 ha atraído mucha atención debido a su mayor resistencia y su más amplia aplicación. Esta aleación exhibe un rendimiento excelente 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 soporte de carga en medio de oxígeno líquido, con un rendimiento significativamente mejorado. Además, Rusia también ha desarrollado aleaciones de aluminio, zinc, magnesio y escandio, presentadas en 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 escandio. En septiembre de 2020, la Unión Europea publicó una lista de 29 recursos minerales clave, incluido el escandio. La aleación de aluminio, magnesio y escandio 5024H116 desarrollada por Ale Aluminium en Alemania tiene una resistencia media a 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 las aleaciones de aluminio tradicionales de la serie 2xxx y se ha incluido en el libro de adquisición de materiales AIMS03-01-055 de Airbus. 5028 es un grado mejorado de 5024, adecuado para soldadura láser y soldadura por fricción y agitación. Puede lograr el proceso de formación de fluencia de paneles de pared integrales hiperbólicos, que es resistente a la corrosión y no requiere revestimiento 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 Aluminium Company se ha utilizado para fabricar componentes estructurales de fuselajes de aviones y naves espaciales. El espesor 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 la aleación 2524 como material del revestimiento del fuselaje. Actualmente, la lámina 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 publicó el “Catálogo guía 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 publicó el “Catálogo guía para el primer lote de aplicaciones de demostración de nuevos materiales clave (edición de 2019)”, que incluía “Sc que contiene materiales de procesamiento de aleaciones de aluminio y alambres de soldadura Al Si Sc”. en el catálogo de desarrollo de la industria de nuevos materiales. China Aluminium Group Northeast Light Alloy ha desarrollado una aleación Al Mg Sc Zr serie 5B70 que contiene escandio y circonio. En comparación con la aleación tradicional Al Mg serie 5083 sin escandio ni 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 a la corrosión comparable a la aleación 5083. En la actualidad, las principales empresas nacionales con grado industrialaleación de aluminio y escandiocapacidad de producción son Northeast Light Alloy Company y Southwest Aluminium Industry. La lámina de aleación de aluminio y escandio de gran tamaño 5B70 desarrollada por Northeast Light Alloy Co., Ltd. puede 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 láminas delgadas y productos de perfiles 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 Aluminium ha desarrollado de forma independiente el material 5K40 y ha logrado avances significativos en el desarrollo de placas delgadas. La aleación Al Zn Mg 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 del 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 bajo tensión de la aleación. El Centro de Investigación Langley de la NASA ha desarrollado una aleación ternaria de aluminio y escandio de grado C557, que está lista para ser aplicada en misiones modelo. La resistencia estática, la propagación de grietas y la tenacidad a la fractura de esta aleación a baja temperatura (-200 ℃), temperatura ambiente y alta temperatura (107 ℃) son iguales o mejores que las de la aleación 2524. La Universidad Northwestern en los Estados Unidos ha desarrollado la aleación de aluminio de ultra alta resistencia AlZn Mg Sc serie 7000, con una resistencia a la tracción de hasta 680 MPa. Se ha formado un patrón de desarrollo conjunto entre una aleación de aluminio y escandio de resistencia media alta y Al Zn Mg Sc de resistencia ultra alta. La aleación Al Zn Mg Cu Sc 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 desempeño de los principales grados dealeación 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.
Se han aplicado aleaciones de alta resistencia Al Zn Mg Cu Sc y Al CuLi Sc a componentes estructurales que soportan carga, incluidos los aviones de combate rusos MiG-21 y MiG-29. El salpicadero de la nave espacial rusa “Mars-1” está fabricado en aleación de aluminio y escandio 1570, con una reducción de peso total del 20%. Los componentes que soportan la carga del módulo de instrumentos de la nave espacial Mars-96 están hechos de una aleación de aluminio de 1970 que contiene escandio, lo que reduce el peso del módulo de instrumentos en un 10%. En el programa “Clean Sky” y el proyecto “2050 Flight Route” de la UE, Airbus llevó a cabo vuelos de prueba integrados de diseño, investigación y desarrollo, fabricación e instalación de puertas de bodega de carga para aviones A321 basados en la aleación de aluminio y escandio de grado sucesor AA5028-H116 de Aleación de aluminio y escandio 5024. Las aleaciones de aluminio y escandio representadas por AA5028 demostraron un excelente rendimiento de procesamiento y soldadura. Utilizamos técnicas de soldadura avanzadas, como la soldadura por fricción y agitación y la soldadura por láser, para lograr una conexión confiable de materiales de aleación de aluminio que contienen escandio. La implementación gradual de “soldadura en lugar de remachado” en estructuras de placas delgadas reforzadas para aviones no solo mantiene la consistencia de los materiales de los aviones y la integridad estructural, logrando una 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 de aluminio y escandio 5B70 realizada por el Instituto de Investigación de Materiales Especiales Aeroespaciales de China ha superado las tecnologías de hilado fuerte de componentes de espesor de pared variable, control de la resistencia a la corrosión y adaptación de resistencia, y control de la tensión residual de la soldadura. Ha preparado un alambre de soldadura adaptable de aleación de aluminio y escandio, y el coeficiente de resistencia de la junta de soldadura por fricción y agitación para placas gruesas de la aleación puede alcanzar 0,92. La Academia de Tecnología Espacial de China, la Universidad Central Sur y otros han llevado a cabo extensas pruebas de rendimiento mecánico y experimentos de proceso en el material 5B70, han actualizado e iterado el esquema de selección de materiales estructurales para 5A06 y han comenzado a aplicar la aleación de aluminio 5B70 a la estructura principal. de los paneles de pared reforzados en general de la cabina sellada y la cabina de retorno de la estación espacial. El panel de pared general 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 optimización del peso. Si bien mejora la rigidez y la resistencia generales, reduce la cantidad y la complejidad de los componentes conectados, lo que reduce aún más el peso y mantiene un alto rendimiento. Con la promoción de la aplicación de la ingeniería de materiales 5B70, el uso de material 5B70 aumentará gradualmente y superará 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 muchas propiedades de las aleaciones de aluminio se han mejorado mediante la microaleación de escandio, el alto precio y la escasez del escandio limitan el rango de aplicación de las aleaciones de aluminio y escandio. En comparación con los materiales de aleación de aluminio como Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, los materiales de aleación de aluminio que contienen escandio tienen buenas propiedades mecánicas integrales, resistencia a la corrosión y excelentes características de procesamiento, lo que los hace tener amplias perspectivas de aplicación en la fabricación de componentes estructurales principales en campos industriales como el aeroespacial. Con la profundización continua de la investigación sobre la tecnología de microaleaciones de escandio y la mejora de la combinación de la cadena de suministro y la cadena industrial, los factores de precio y costo que restringen la aplicación industrial a gran escala de las aleaciones de aluminio y escandio mejorarán gradualmente. Las buenas propiedades mecánicas integrales, la resistencia a la corrosión y las excelentes características de procesamiento de las aleaciones de aluminio y escandio hacen que tengan claras ventajas de reducción de peso estructural y un amplio potencial de aplicación en el campo de la fabricación de equipos de aviación.
Hora de publicación: 29 de octubre de 2024