تطوير وتطبيق مواد سبيكة سكانديوم الألومنيوم

بصفتها سبيكة خفيفة حاسمة بالنسبة لمعدات النقل للطيران ، ترتبط الخواص الميكانيكية العيانية لسبائك الألومنيوم ارتباطًا وثيقًا ببنية المجهرية. من خلال تغيير عناصر السبائك الرئيسية في بنية سبيكة الألومنيوم ، يمكن تغيير البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم ، ويمكن تحسين الخواص الميكانيكية العيانية والخصائص الأخرى (مثل مقاومة التآكل وأداء اللحام) للمادة بشكل كبير. حتى الآن ، أصبحت Microalloying أكثر استراتيجية التطوير التكنولوجي الواعدة لتحسين البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم وتحسين الخصائص الشاملة لمواد سبائك الألومنيوم.Scandium(SC) هو مُحسّن العناصر الأكثر فاعلية المعروفة لسبائك الألومنيوم. إن قابلية ذوبان السكانديوم في مصفوفة الألومنيوم أقل من 0.35 ٪ بالوزن ، مما يضيف كميات ضئيلة من عناصر النكانتيوم إلى سبائك الألومنيوم يمكن أن تحسن بفعالية بنية المجهرية ، وتعزيز قوتها ، صلابة ، اللدونة ، الاستقرار الحراري ، ومقاومة التآكل. له تأثيرات جسدية متعددة في سبائك الألومنيوم ، بما في ذلك تعزيز المحاليل الصلبة ، وتقوية الجسيمات ، وتثبيط إعادة التبلور. ستقدم هذه المقالة التطوير التاريخي ، وأحدث التقدم ، والتطبيقات المحتملة للسكانديوم التي تحتوي على سبائك الألومنيوم في مجال تصنيع معدات الطيران.

بحث وتطوير سبيكة سكانديوم الألمنيوم

يمكن إرجاع إضافة Scandium كعنصر صناعة السبائك إلى سبائك الألومنيوم إلى الستينيات. في ذلك الوقت ، تم تنفيذ معظم العمل في أنظمة Almg SC SC الثنائية الثنائية. في السبعينيات من القرن الماضي ، أجرى معهد بايكوف للمعادن وعلوم المواد في الأكاديمية السوفيتية للعلوم وجميع أبحاث المعهد الروسي لسبائك الضوء دراسة منهجية حول شكل وآلية سكانديوم في سبائك الألومنيوم. بعد ما يقرب من أربعين عامًا من الجهد ، تم تطوير 14 درجة من سبائك سكانديوم الألومنيوم في ثلاث سلسلة رئيسية (Al Mg SC ، Al Li SC ، Al Zn Mg SC). قابلية ذوبان ذرات Scandium في الألومنيوم منخفضة ، وباستخدام عمليات المعالجة الحرارية المناسبة ، يمكن ترسيب رواسب Nano عالية الكثافة. تعتبر مرحلة هطول الأمطار هذه كروية تقريبًا ، مع جزيئات صغيرة وتوزيع مشتت ، ولها علاقة جيدة متماسكة مع مصفوفة الألومنيوم ، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير من قوة درجة حرارة الغرفة لسبائك الألومنيوم. بالإضافة إلى ذلك ، فإن رواسب النانو AL3SC لها استقرار حراري جيد ومقاومة خشنة في درجات حرارة عالية (في غضون 400 ℃) ، وهو مفيد للغاية للمقاومة للحرارة القوية للسبائك. في روسيا صنعت سبائك سكانديوم من الألومنيوم ، اجتذبت سبائك 1570 الكثير من الاهتمام بسبب أعلى قوته وأوسع تطبيق. تعرض هذه السبائك أداءً ممتازًا في نطاق درجة حرارة العمل من -196 ℃ إلى 70 ℃ ولديه مرونة طبيعية ، والتي يمكن أن تحل محل سبيكة الألمنيوم الروسية المصنوعة من الألومنيوم (سبيكة من الألومنيوم المغنيسيوم تتكون بشكل رئيسي من الأداء من الألومنيوم ، مع الأداء المتوسطة في مجال الأوزان السوائل. بالإضافة إلى ذلك ، قامت روسيا أيضًا بتطوير سبائك سكانسيوم الزنك من الألومنيوم ، ممثلة في عام 1970 ، مع قوة مادية تزيد عن 500 ميجا باسكال.

حالة التصنيعسبيكة سكانديوم الألومنيوم

في عام 2015 ، أصدر الاتحاد الأوروبي "خارطة الطريق المعدنية الأوروبية: آفاق الشركات المصنعة والمستخدمين النهائيين" ، يقترح دراسة لحام الألومنيومسبائك سكانديوم المغنيسيوم. في سبتمبر 2020 ، أصدر الاتحاد الأوروبي قائمة تضم 29 موارد معدنية رئيسية ، بما في ذلك Scandium. إن سبيكة سكانديوم المغنيسيوم المصنوعة من الألومنيوم 5024H116 التي طورتها الألومنيوم في ألمانيا لها قوة متوسطة إلى عالية وتحمل أضرار عالية ، مما يجعلها مادة واعدة للغاية للجلد جسم الطائرة. يمكن استخدامه لاستبدال سبائك الألومنيوم التقليدية من سلسلة 2 xxx وقد تم تضمينه في كتاب شراء المواد Airbus '03-01-01-055. 5028 هو درجة محسنة من 5024 ، مناسبة للحام بالليزر واللحام تحريك الاحتكاك. يمكن أن تحقق عملية تكوين الزحف لألواح الجدار المتكاملة الزائنة ، والتي هي مقاومة للتآكل ولا تتطلب طلاء الألومنيوم. بالمقارنة مع 2524 سبيكة ، يمكن أن يحقق هيكل لوحة الجدار الإجمالي للجسم الطائرة تخفيض الوزن الهيكلي بنسبة 5 ٪. تم استخدام ورقة سبائك النكهة الألمنيوم AA5024-H116 التي تنتجها شركة Aili Aluminium لتصنيع جسم الطائرة والمكونات الهيكلية لمركبة الفضاء. يبلغ سمك سبيكة سبيكة AA5024-H116 النموذجي من 1.6 مم إلى 8.0 مم ، وبسبب انخفاض كثافة الخواص الميكانيكية المعتدلة ، ومقاومة التآكل العالية ، والانحراف الأبعاد الصارم ، يمكن أن تحل محل سبيكة 2524 كمواد جلدية من الجيور. حاليًا ، تم اعتماد ورقة سبائك AA5024-H116 من قبل Airbus AIMS03-04-055. في ديسمبر 2018 ، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في الصين "كتالوج توجيهية لأول مرة من مظاهرات التطبيق الثانوية للمواد الجديدة الرئيسية (2018)" ، والتي تضمنت "أكسيد سكانديوم عالي النقاء" في كتالوج تطوير صناعة المواد الجديدة. في عام 2019 ، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات في الصين "كتالوج التوجيه لأول دفعة من التطبيقات التوضيحية للمواد الجديدة الرئيسية (2019)" ، والتي شملت "SC التي تحتوي على مواد معالجة سبائك الألومنيوم وأسلاك اللحام SI SC" في كتالوج تطوير صناعة المواد الجديدة. طورت مجموعة الصين من الألومنيوم Northeast Light Alloy سبيكة AL MG SC ZR Series 5B70 التي تحتوي على Scandium و Zirconium. بالمقارنة مع سبيكة AL MG التقليدية 5083 بدون سكانديوم والزركونيوم ، زادت عائدها وقوته الشد بأكثر من 30 ٪. علاوة على ذلك ، يمكن لسبائك Al MG SC ZR الحفاظ على مقاومة تآكل قابلة للمقارنة لسبائك 5083. في الوقت الحاضر ، المؤسسات المحلية الرئيسية مع الصف الصناعيسبيكة سكانديوم الألومنيومالطاقة الإنتاجية هي شركة Northeast Light Alloy و Southwest Aluminium Industry. يمكن أن توفر ورقة سبلو الحجم ذات الألومنيوم ذات الحجم الكبير 5B70 من قبل شركة Northeast Light Alloy ، Ltd. ألواحًا سميكة سميكة من ألومنيوم كبيرة بسمك 70 مم وعرض أقصى قدرها 3500 مم ؛ يمكن تخصيص منتجات الألواح الرقيقة ومنتجات الملف الشخصي للإنتاج ، مع نطاق سمك يتراوح من 2 مم إلى 6 مم وعرض أقصى قدره 1500 ملم. طورت جنوب غرب الألمنيوم بشكل مستقل مادة 5K40 وحقق تقدمًا كبيرًا في تطوير لوحات رقيقة. Al Zn Mg سبيكة هي سبيكة تصلب الوقت مع قوة عالية ، وأداء معالجة جيد ، وأداء اللحام الممتاز. إنها مادة هيكلية لا غنى عنها وهامة في مركبات النقل الحالية مثل الطائرات. على أساس القوة المتوسطة القابلة لحام MG ، يمكن إضافة عناصر سبيكة Scandium و Zirconium يمكن أن تشكل الجسيمات النانوية AL3 (SC ، ZR) في البنية المجهرية ، مما يؤدي بشكل كبير إلى تحسين الخواص الميكانيكية ومقاومة تآكل الإجهاد للسبائك. طور مركز Langley Research Center في ناسا سبيكة سكانديوم الألمنيوم الثلاثية مع الصف C557 ، وهو جاهز للتطبيق في مهام النموذج. إن القوة الثابتة ، وانتشار الكراك ، وصياغة الكسر في هذه السبائك عند درجة حرارة منخفضة (-200 ℃) ، ودرجة حرارة الغرفة ، ودرجة حرارة عالية (107 ℃) كلها مساوية أو أفضل من تلك الموجودة في سبيكة 2524. طورت جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة سبيكة ألومنيوم Alzn MG SC SC SC 7000 فائقة القوة ، مع قوة شد تصل إلى 680 ميجا بايت. تم تشكيل نمط من تطور المفصل بين سبيكة سكانديوم الألمنيوم عالية القوة المتوسطة والقوة عالية الفائق AL ZN MG SC. Al Zn Mg Cu SC سبيكة هي سبيكة من الألومنيوم عالية القوة مع قوة شد تتجاوز 800 ميجا باسكال. في الوقت الحاضر ، التكوين الاسمي ومعلمات الأداء الأساسية للصفوف الرئيسية منسبيكة سكانديوم الألومنيوميتم تلخيصها على النحو التالي ، كما هو موضح في الجدولين 1 و 2.

الجدول 1 | التكوين الاسمي لسبائك سكانديوم الألومنيوم

الجدول 2 | البنية المجهرية وخصائص الشد من سبيكة سكانديوم الألومنيوم

آفاق تطبيق سبيكة سكونانوم الألومنيوم

تم تطبيق سبيكة عالية القوة Al Zn Mg Cu SC و Al Culi SC على المكونات الهيكلية الحاملة للحمل ، بما في ذلك الطائرات الروسية MIG-21 و MIG-29 المقاتلة. تتكون لوحة القيادة للمركبة الفضائية الروسية "MARS-1 ″ من سبيكة سكلفة من الألومنيوم 1570 ، مع تخفيض إجمالي للوزن بنسبة 20 ٪. تصنع مكونات الحمل الحاملة لوحدة الصك في مركبة الفضاء MARS-96 من سبيكة الألومنيوم عام 1970 التي تحتوي على سكانديوم ، مما يقلل من وزن وحدة الصك بنسبة 10 ٪. في برنامج "Clean Sky" ومشروع "طيران الطيران" لعام 2050 ، أجرى Airbus تصميمًا متكاملًا لتصميم الأبواب ، والبحث والتطوير ، والتصنيع ، واختبار الرحلات الجوية لألواس A321 استنادًا إلى أدوي من ألواس الألومنيوم AA55028-H116. أظهرت سبائك سكانديوم الألومنيوم التي يمثلها AA5028 أداءً ممتازًا معالجة ولحامًا. باستخدام تقنيات اللحام المتقدمة مثل اللحام بالاحتكاك ولحام الليزر لتحقيق اتصال موثوق به من Scandium التي تحتوي على مواد سبيكة الألومنيوم. إن التنفيذ التدريجي لـ "اللحام بدلاً من التثبيت" في هياكل الألواح الرقيقة المعززة بالطائرات لا يحافظ فقط على اتساق مواد الطائرات والسلامة الهيكلية ، وتحقيق تصنيع فعال ومنخفض التكلفة ، ولكن أيضًا له تأثيرات الحد من الوزن وختم. لقد اخترق أبحاث تطبيق سكوناندويوم 5B70 من قبل الصين معهد أبحاث المواد الخاصة الصين من خلال تقنيات الغزل القوي لمكونات سماكة الجدار المتغيرة ، والتحكم في مقاومة التآكل ومطابقة القوة ، والتحكم في الإجهاد المتبقي لحام. لقد أعدت سلك اللحام التكيفي من سبائك ألومنيوم من الألومنيوم ، ويمكن أن يصل معامل قوة المفاصل للحام للاحتكاك للألواح السميكة في السبائك إلى 0.92. أجرت أكاديمية الصين لتكنولوجيا الفضاء ، وجامعة ساوث سنترال ، وغيرها تجارب اختبار الأداء الميكانيكي وعملياتها على مواد 5B70 ، وتم ترقيتها وتكرارها مخطط اختيار المواد الهيكلية لـ 5A06 ، وبدأت في تطبيق سبيكة الألومنيوم 5B70 على الهيكل الرئيسي للبنية الرئيسية المعززة في المقصورة المحصنة للمسافة. تم تصميم لوحة الحائط الكلية لهيكل اللوحة المقصورة المضغوطة بمزيج من الأضلاع الجلدية والتعزيز ، مما يحقق تكاملًا هيكليًا أعلى وتحسين الوزن. مع تحسين الصلابة والقوة بشكل عام ، فإنه يقلل من عدد وتعقيد مكونات التوصيل ، وبالتالي تقليل الوزن مع الحفاظ على الأداء العالي. من خلال الترويج لتطبيق هندسة المواد 5B70 ، سيزيد استخدام مواد 5B70 تدريجياً ويتجاوز الحد الأدنى لحد العرض ، مما سيساعد على ضمان الإنتاج المستمر والجودة المستقرة للمواد الخام ، وخفض أسعار المواد الخام بشكل كبير. كما ذكرنا سابقًا ، على الرغم من أن العديد من خصائص سبائك الألومنيوم قد تم تحسينها من خلال التغلب على Scandium Microalloying ، فإن ارتفاع السعر وندرة الحد الأقصى لمجموعة التطبيقات من سبائك سكونانوم الألومنيوم. بالمقارنة مع مواد سبيكة الألومنيوم مثل AL Cu و Al Zn و Al ZnMG و Scandium التي تحتوي على مواد سبيكة الألومنيوم لها خصائص ميكانيكية شاملة جيدة ومقاومة للتآكل وخصائص المعالجة الممتازة ، مما يجعلها لديها آفاق واسعة في التطبيق في تصنيع المكونات الهيكلية الرئيسية في الحقول الصناعية مثل الطيران. مع التعميق المستمر للبحث في تقنية Scandium Microalloying وتحسين سلسلة التوريد ومطابقة السلسلة الصناعية ، فإن عوامل السعر والتكلفة التي تقيد التطبيق الصناعي على نطاق واسع لسبائك الألومنيوم Scandium سيتحسن تدريجياً. إن الخصائص الميكانيكية الشاملة الجيدة ، ومقاومة التآكل ، وخصائص المعالجة الممتازة لسبائك سكانديوم الألومنيوم تجعلها تتمتع بمزايا واضحة للحد من الوزن وإمكانات التطبيق الواسعة في مجال تصنيع معدات الطيران.