تطوير وتطبيق مواد سبائك الألومنيوم والسكانديوم

نظرًا لكونها سبيكة خفيفة ذات أهمية حيوية في معدات النقل الجوي، ترتبط خصائصها الميكانيكية العيانية ارتباطًا وثيقًا ببنيتها المجهرية. بتغيير عناصر السبائك الرئيسية في هيكل سبيكة الألومنيوم، يمكن تعديل بنيتها المجهرية، مما يُحسّن بشكل كبير خصائصها الميكانيكية العيانية وخصائص أخرى (مثل مقاومة التآكل وأداء اللحام). حتى الآن، تُعدّ السبائك الدقيقة استراتيجية التطوير التكنولوجي الواعدة لتحسين البنية المجهرية لسبائك الألومنيوم وتحسين الخصائص الشاملة لموادها.سكانديوميُعدّ عنصر السكانديوم (Sc) أكثر مُحسِّنات السبائك الدقيقة فعاليةً في سبائك الألومنيوم. تقلّ ذائبية السكانديوم في مصفوفة الألومنيوم عن 0.35% وزناً. ويمكن لإضافة كميات ضئيلة من عنصر السكانديوم إلى سبائك الألومنيوم أن تُحسّن بنيتها الدقيقة بفعالية، وتُعزّز قوتها وصلابتها ومرونتها واستقرارها الحراري ومقاومتها للتآكل بشكل شامل. وللسكانديوم تأثيرات فيزيائية متعددة في سبائك الألومنيوم، بما في ذلك تقوية المحلول الصلب، وتقوية الجسيمات، ومنع إعادة التبلور. ستُقدّم هذه المقالة التطور التاريخي، وآخر التطورات، والتطبيقات المُحتملة لسبائك الألومنيوم المحتوية على السكانديوم في مجال تصنيع معدات الطيران.

البحث والتطوير لسبائك الألومنيوم سكانديوم

يعود تاريخ إضافة السكانديوم كعنصر سبائك إلى سبائك الألومنيوم إلى ستينيات القرن الماضي. في ذلك الوقت، نُفِّذت معظم الأعمال في أنظمة سبائك Al Sc الثنائية و AlMg Sc الثلاثية. في سبعينيات القرن الماضي، أجرى معهد بايكوف لعلم المعادن وعلوم المواد التابع للأكاديمية السوفيتية للعلوم، ومعهد عموم روسيا لأبحاث السبائك الخفيفة، دراسة منهجية حول شكل السكانديوم وآلية عمله في سبائك الألومنيوم. بعد ما يقرب من أربعين عامًا من الجهود، طُوِّرت 14 درجة من سبائك سكانديوم الألومنيوم في ثلاث سلاسل رئيسية (Al Mg Sc، Al Li Sc، Al Zn Mg Sc). تتميز ذوبانية ذرات السكانديوم في الألومنيوم بانخفاضها، ويمكن ترسيب رواسب نانوية عالية الكثافة من Al3Sc باستخدام عمليات المعالجة الحرارية المناسبة. تتميز هذه المرحلة الترسيبية بشكل كروي تقريبًا، مع جزيئات صغيرة وتوزيع متفرق، وتتمتع بعلاقة جيدة مع مصفوفة الألومنيوم، مما يُحسّن بشكل كبير من متانة سبائك الألومنيوم في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، تتميز رواسب Al3Sc النانوية بثبات حراري جيد ومقاومة جيدة للخشونة في درجات الحرارة العالية (في حدود 400 درجة مئوية)، مما يُعزز بشكل كبير من مقاومة السبيكة للحرارة. في سبائك الألومنيوم سكانديوم المصنوعة في روسيا، حظيت سبيكة 1570 باهتمام كبير نظرًا لقوتها العالية وتطبيقاتها الواسعة. تتميز هذه السبيكة بأداء ممتاز في نطاق درجة حرارة التشغيل من -196 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية، وتتميز بلدونة فائقة طبيعية، مما يُمكّنها من استبدال سبيكة الألومنيوم LF6 الروسية الصنع (سبائك ألومنيوم ومغنيسيوم تتكون أساسًا من الألومنيوم والمغنيسيوم والنحاس والمنغنيز والسيليكون) في هياكل اللحام الحاملة للأحمال في وسط الأكسجين السائل، مع تحسين كبير في الأداء. بالإضافة إلى ذلك، طورت روسيا أيضًا سبائك ألومنيوم وزنك ومغنيسيوم سكانديوم، ممثلةً في عام 1970، بمتانة مادية تزيد عن 500 ميجا باسكال.

حالة التصنيع فيسبائك الألومنيوم سكانديوم

في عام 2015، أصدر الاتحاد الأوروبي "خريطة الطريق المعدنية الأوروبية: آفاق الشركات المصنعة والمستخدمين النهائيين"، واقترح دراسة قابلية اللحام للألمنيومسبائك المغنيسيوم والسكانديومفي سبتمبر 2020، أصدر الاتحاد الأوروبي قائمة تضم 29 موردًا معدنيًا رئيسيًا، بما في ذلك سكانديوم. تتميز سبيكة 5024H116 المصنوعة من الألومنيوم والمغنيسيوم سكانديوم، والتي طورتها شركة Ale Aluminum في ألمانيا، بقوة تتراوح بين متوسطة وعالية وتحمل عالٍ للتلف، مما يجعلها مادة واعدة جدًا لهيكل جسم الطائرة. يمكن استخدامها لتحل محل سبائك الألومنيوم التقليدية من سلسلة 2xxx، وقد أُدرجت في دليل مشتريات المواد AIMS03-01-055 لشركة Airbus. 5028 هي درجة مُحسّنة من 5024، مناسبة للحام بالليزر واللحام بالتحريك الاحتكاكي. يمكنها تحقيق عملية التشكيل الزاحف لألواح الجدران المتكاملة الزائدية، وهي مقاومة للتآكل ولا تتطلب طلاءً من الألومنيوم. بالمقارنة مع سبيكة 2524، يمكن للهيكل الكلي لألواح الجدران لجسم الطائرة أن يحقق انخفاضًا في الوزن الهيكلي بنسبة 5%. استُخدمت صفائح سبيكة الألومنيوم سكانديوم AA5024-H116 التي تنتجها شركة Aili Aluminum في تصنيع المكونات الهيكلية لجسم الطائرة والمركبات الفضائية. يتراوح سمك صفائح سبيكة AA5024-H116 النموذجي بين 1.6 مم و8.0 مم، وبفضل كثافتها المنخفضة وخواصها الميكانيكية المعتدلة ومقاومتها العالية للتآكل وانحرافها البعدي الدقيق، يُمكن استخدامها كبديل لسبائك 2524 كمادة لهيكل الطائرة. حصلت صفائح سبيكة AA5024-H116 حاليًا على شهادة Airbus AIMS03-04-055. في ديسمبر 2018، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية "الدليل الإرشادي للدفعة الأولى من عروض التطبيقات الثانوية للمواد الجديدة الرئيسية (إصدار 2018)"، والذي تضمن "أكسيد الإسكنديوم عالي النقاء" في دليل تطوير صناعة المواد الجديدة. في عام 2019، أصدرت وزارة الصناعة وتكنولوجيا المعلومات الصينية "الكتالوج الإرشادي للدفعة الأولى من تطبيقات العرض التوضيحي للمواد الجديدة الرئيسية (طبعة 2019)"، والذي تضمن "مواد معالجة سبائك الألومنيوم المحتوية على Sc وأسلاك لحام Al Si Sc" في كتالوج تطوير صناعة المواد الجديدة. طورت مجموعة China Aluminum Group Northeast Light Alloy سبيكة 5B70 من Al Mg Sc Zr تحتوي على سكانديوم وزركونيوم. وبالمقارنة مع سبيكة 5083 التقليدية من سلسلة Al Mg بدون سكانديوم وزركونيوم، فقد زادت خضوعها وقوة شدها بأكثر من 30%. علاوة على ذلك، يمكن لسبائك Al Mg Sc Zr الحفاظ على مقاومة تآكل مماثلة لسبائك 5083. في الوقت الحاضر، الشركات المحلية الرئيسية ذات الدرجة الصناعيةسبيكة ألومنيوم سكانديومالطاقة الإنتاجية لشركة Northeast Light Alloy Company وشركة Southwest Aluminum Industry هما شركتا Northeast Light Alloy Company وSouthwest Aluminum Industry. يمكن لصفائح سبائك الألومنيوم سكانديوم 5B70 كبيرة الحجم، التي طورتها شركة Northeast Light Alloy Co., Ltd.، توفير صفائح سميكة من سبائك الألومنيوم بسمك أقصى يبلغ 70 مم وعرض أقصى يبلغ 3500 مم؛ كما يمكن تخصيص منتجات الصفائح الرقيقة ومنتجات المقاطع للإنتاج، بسمك يتراوح بين 2 مم و6 مم وعرض أقصى يبلغ 1500 مم. طورت شركة Southwest Aluminum بشكل مستقل مادة 5K40 وحققت تقدمًا كبيرًا في تطوير الصفائح الرقيقة. سبائك Al Zn Mg هي سبائك صلبة بمرور الوقت تتميز بقوة عالية وأداء معالجة جيد وأداء لحام ممتاز. إنها مادة هيكلية أساسية ومهمة في مركبات النقل الحالية مثل الطائرات. بناءً على AlZn Mg متوسط ​​القوة القابل للحام، يمكن إضافة عناصر سبائك سكانديوم وزركونيوم لتشكيل جسيمات نانوية صغيرة ومشتتة من Al3 (Sc, Zr) في البنية المجهرية، مما يحسن بشكل كبير من الخصائص الميكانيكية ومقاومة التآكل الإجهادي للسبائك. طوّر مركز لانغلي للأبحاث التابع لوكالة ناسا سبيكة ألومنيوم سكانديوم ثلاثية من الدرجة C557، وهي جاهزة للاستخدام في البعثات النموذجية. إن قوة الثبات، وانتشار الشقوق، ومتانة الكسر لهذه السبيكة عند درجات حرارة منخفضة (-200 درجة مئوية)، ودرجة حرارة الغرفة، ودرجة حرارة عالية (107 درجة مئوية) جميعها مساوية أو أفضل من تلك الموجودة في سبيكة 2524. طورت جامعة نورث وسترن في الولايات المتحدة سبيكة ألومنيوم فائقة القوة من سلسلة 7000 من AlZn Mg Sc، بقوة شد تصل إلى 680 ميجا باسكال. تم تشكيل نمط من تطوير المفاصل بين سبيكة ألومنيوم سكانديوم متوسطة وعالية القوة وسبائك Al Zn Mg Sc فائقة القوة. سبيكة Al Zn Mg Cu Sc هي سبيكة ألومنيوم عالية القوة بقوة شد تتجاوز 800 ميجا باسكال. في الوقت الحاضر، التركيب الاسمي ومعايير الأداء الأساسية للدرجات الرئيسية منسبيكة ألومنيوم سكانديومويتم تلخيصها على النحو التالي، كما هو موضح في الجدولين 1 و2.

الجدول 1 | التركيب الاسمي لسبائك الألومنيوم سكانديوم

الجدول 2 | البنية الدقيقة وخصائص الشد لسبائك الألومنيوم سكانديوم

آفاق تطبيق سبائك الألومنيوم سكانديوم

تم تطبيق سبائك Al Zn Mg Cu Sc و Al Cu Li Sc عالية القوة على المكونات الهيكلية الحاملة للأحمال، بما في ذلك الطائرات المقاتلة الروسية MiG-21 و MiG-29. صُنعت لوحة قيادة المركبة الفضائية الروسية "مارس-1" من سبيكة ألومنيوم سكانديوم 1570، مما أدى إلى انخفاض إجمالي في الوزن بنسبة 20%. صُنعت المكونات الحاملة لوحدة أجهزة المركبة الفضائية "مارس-96" من سبيكة ألومنيوم 1970 المحتوية على سكانديوم، مما أدى إلى انخفاض وزن وحدة الأجهزة بنسبة 10%. في إطار برنامج "السماء النظيفة" ومشروع الاتحاد الأوروبي "مسار الطيران 2050"، أجرت شركة إيرباص رحلات تجريبية لتصميم أبواب الشحن المتكاملة، والبحث والتطوير، والتصنيع، والتركيب لطائرات A321 استنادًا إلى سبيكة ألومنيوم سكانديوم AA5028-H116 من الدرجة الخلف من سبيكة ألومنيوم سكانديوم 5024. أظهرت سبائك ألومنيوم سكانديوم، ممثلةً بـ AA5028، أداءً ممتازًا في المعالجة واللحام. باستخدام تقنيات اللحام المتقدمة، مثل اللحام بالاحتكاك واللحام بالليزر، لتحقيق اتصال موثوق لمواد سبائك الألومنيوم المحتوية على سكانديوم. إن التطبيق التدريجي لـ"اللحام بدلاً من التثبيت" في هياكل الصفائح الرقيقة المقواة للطائرات لا يحافظ فقط على الاتساق مواد الطائرات والسلامة الهيكلية، مما يحقق تصنيعًا فعالًا ومنخفض التكلفة، بالإضافة إلى خفض الوزن وتأثيرات الختم. وقد أحدثت أبحاث تطبيق سبيكة الألومنيوم سكانديوم 5B70 التي أجراها معهد أبحاث المواد الخاصة في مجال الفضاء الصيني ثورةً في تقنيات الدوران القوي للمكونات ذات سماكة الجدار المتغيرة، والتحكم في مقاومة التآكل ومطابقة القوة، والتحكم في إجهاد اللحام المتبقي. وقد تم إعداد سلك لحام متكيف من سبيكة الألومنيوم سكانديوم، ويمكن أن يصل معامل قوة وصلة لحام التحريك الاحتكاكي للصفائح السميكة في السبيكة إلى 0.92. أجرت أكاديمية الصين لتكنولوجيا الفضاء، وجامعة سنترال ساوث، وجهات أخرى اختبارات أداء ميكانيكية وتجارب عملية مكثفة على مادة 5B70، وقامت بتحديث وتكرار مخطط اختيار المواد الهيكلية لـ 5A06، وبدأت في تطبيق سبيكة الألومنيوم 5B70 على الهيكل الرئيسي لألواح الجدران المقواة الكلية لمقصورة محطة الفضاء المغلقة ومقصورة العودة. صُممت لوحة الجدار الكلية للمقصورة المضغوطة ذات الهيكل اللوحي بمزيج من أضلاع الجلد والتسليح، مما يحقق تكاملًا هيكليًا أعلى وتحسينًا في الوزن. مع تحسين الصلابة والقوة الكلية، يقلل من عدد وتعقيد مكونات التوصيل، مما يقلل الوزن بشكل أكبر مع الحفاظ على الأداء العالي. مع تعزيز تطبيق هندسة مواد 5B70، سيزداد استخدام مادة 5B70 تدريجيًا ويتجاوز الحد الأدنى للعرض، مما سيساعد على ضمان استمرار الإنتاج واستقرار جودة المواد الخام، ويخفض أسعارها بشكل كبير. كما ذكرنا سابقًا، على الرغم من تحسين العديد من خصائص سبائك الألومنيوم من خلال السبائك الدقيقة للسكانديوم، إلا أن ارتفاع سعره وندرة سكانديوم يحدان من نطاق استخدام سبائك سكانديوم الألومنيوم. بالمقارنة مع مواد سبائك الألومنيوم مثل Al Cu وAl Zn وAl ZnMg، تتميز سبائك الألومنيوم المحتوية على سكانديوم بخصائص ميكانيكية شاملة جيدة، ومقاومة للتآكل، وخصائص معالجة ممتازة، مما يجعلها ذات آفاق تطبيق واسعة في تصنيع المكونات الهيكلية الرئيسية في المجالات الصناعية مثل صناعة الطيران. مع التعمق المستمر في البحث في تكنولوجيا السبائك الدقيقة للسكانديوم وتحسين سلسلة التوريد والتوافق بين السلاسل الصناعية، ستتحسن تدريجيًا عوامل السعر والتكلفة التي تحد من الاستخدام الصناعي واسع النطاق لسبائك ألومنيوم سكانديوم. الخصائص الميكانيكية الشاملة الجيدة، ومقاومة التآكل، و... إن خصائص المعالجة الممتازة لسبائك الألومنيوم سكانديوم تجعلها تتمتع بمزايا واضحة في تقليل الوزن الهيكلي وإمكانات تطبيق واسعة في مجال تصنيع معدات الطيران.