Cum'è una lega ligera cruciale per l'equipaggiu di trasportu aereu, e proprietà meccaniche macroscopiche di a lega d'aluminiu sò strettamente ligate à a so microstruttura. Cambiendu i principali elementi di lega in a struttura di a lega d'aluminiu, a microstruttura di a lega d'aluminiu pò esse alterata, è e proprietà meccaniche macroscopiche è altre proprietà (cum'è a resistenza à a corrosione è e prestazioni di saldatura) di u materiale ponu esse significativamente migliorate. Finu à avà, a microlega hè diventata a strategia di sviluppu tecnologicu più promettente per ottimizà a microstruttura di e leghe d'aluminiu è migliurà e proprietà cumplete di i materiali in lega d'aluminiu.Scandiu(Sc) hè l'elementu di microlegame u più efficace cunnisciutu per i miglioratori di leghe d'aluminiu. A solubilità di u scandiu in a matrice d'aluminiu hè menu di 0,35% in pesu. L'aghjunta di tracce di elementu di scandiu à e leghe d'aluminiu pò migliurà efficacemente a so microstruttura, migliurà cumpletamente a so forza, durezza, plasticità, stabilità termica è resistenza à a corrosione. U scandiu hà parechji effetti fisichi in e leghe d'aluminiu, cumpresi u rinfurzamentu di e soluzioni solide, u rinfurzamentu di e particelle è l'inibizione di a ricristallizazione. Questu articulu presenterà u sviluppu storicu, l'ultimi progressi è e potenziali applicazioni di e leghe d'aluminiu chì cuntenenu scandiu in u campu di a fabricazione di apparecchiature aeronautiche.
Ricerca è Sviluppu di Lega di Scandiu d'Aluminiu
L'aghjunta di scandiu cum'è elementu di lega à e leghe d'aluminiu pò esse tracciata finu à l'anni 1960. À quellu tempu, a maiò parte di u travagliu hè statu realizatu in sistemi di leghe binarie Al Sc è ternarie Al Mg Sc. In l'anni 1970, l'Istitutu Baykov di Metallurgia è Scienza di i Materiali di l'Accademia Sovietica di e Scienze è l'Istitutu Tutta Russu di Ricerca di Leghe Leggere anu realizatu un studiu sistematicu nantu à a forma è u mecanismu di u scandiu in e leghe d'aluminiu. Dopu à quasi quaranta anni di sforzi, 14 gradi di leghe di scandiu d'aluminiu sò stati sviluppati in trè serie principali (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc). A solubilità di l'atomi di scandiu in l'aluminiu hè bassa, è aduprendu prucessi di trattamentu termicu adatti, si ponu precipitare nanoprecipitati di Al3Sc d'alta densità. Questa fase di precipitazione hè quasi sferica, cù piccule particelle è distribuzione dispersa, è hà una bona relazione coerente cù a matrice d'aluminiu, chì pò migliurà assai a resistenza à temperatura ambiente di e leghe d'aluminiu. Inoltre, i nanoprecipitati di Al3Sc anu una bona stabilità termica è resistenza à l'ingrossamentu à alte temperature (in 400 ℃), ciò chì hè estremamente beneficu per a forte resistenza à u calore di a lega. In e leghe di scandiu d'aluminiu fabbricate in Russia, a lega 1570 hà attiratu molta attenzione per via di a so più alta resistenza è di a so più larga applicazione. Sta lega presenta prestazioni eccellenti in a gamma di temperature di travagliu da -196 ℃ à 70 ℃ è hà una superplasticità naturale, chì pò rimpiazzà a lega d'aluminiu LF6 fabbricata in Russia (una lega di magnesiu d'aluminiu cumposta principalmente da aluminiu, magnesiu, rame, manganese è siliciu) per strutture di saldatura portanti in mezu à ossigenu liquidu, cù prestazioni significativamente migliorate. Inoltre, a Russia hà ancu sviluppatu leghe di scandiu d'aluminiu zincu magnesiu, rapprisentate da u 1970, cù una resistenza di u materiale di più di 500 MPa.
U statu di l'industrializazione diLega di scandiu d'aluminiu
In u 2015, l'Unione Europea hà publicatu a "Carta stradale metallurgica europea: Prospettive per i fabricatori è l'utilizatori finali", chì prupone di studià a saldabilità di l'aluminiu.leghe di scandiu di magnesiuIn settembre 2020, l'Unione Europea hà publicatu una lista di 29 risorse minerali chjave, cumprese u scandiu. A lega di scandiu d'aluminiu-magnesiu 5024H116 sviluppata da Ale Aluminum in Germania hà una resistenza media à alta è una alta tolleranza à i danni, ciò chì ne face un materiale assai promettente per u rivestimentu di a fusoliera. Pò esse aduprata per rimpiazzà e leghe d'aluminiu tradiziunali di a serie 2xxx è hè stata inclusa in u libru di acquisti di materiali AIMS03-01-055 di Airbus. 5028 hè un gradu miglioratu di 5024, adattatu per a saldatura laser è a saldatura per attritu. Pò ottene u prucessu di furmazione à scorrimentu di pannelli murali integrali iperbolici, chì hè resistente à a corrosione è ùn richiede micca rivestimentu d'aluminiu. Rispetto à a lega 2524, a struttura generale di u pannellu murale di a fusoliera pò ottene una riduzione di u pesu strutturale di u 5%. A lamina di lega di scandiu d'aluminiu AA5024-H116 prodotta da Aili Aluminum Company hè stata aduprata per fabricà cumpunenti strutturali di fusoliera d'aerei è di navi spaziali. U spessore tipicu di a lamina di lega AA5024-H116 hè da 1,6 mm à 8,0 mm, è per via di a so bassa densità, proprietà meccaniche moderate, alta resistenza à a corrosione è deviazione dimensionale stretta, pò rimpiazzà a lega 2524 cum'è materiale di a pelle di a fusoliera. Attualmente, a lamina di lega AA5024-H116 hè stata certificata da Airbus AIMS03-04-055. In dicembre 2018, u Ministeru di l'Industria è di e Tecnulugie di l'Informazione di a Cina hà publicatu u "Catalogu Guida per u Primu Batch di Dimostrazioni di Applicazioni Secondarie di Novi Materiali Chjave (Edizione 2018)", chì includeva "ossidu di scandiu di alta purezza" in u catalogu di sviluppu di l'industria di i novi materiali. In u 2019, u Ministeru di l'Industria è di e Tecnulugie di l'Informazione di a Cina hà publicatu u "Catalogu Guida per u Primu Batch di Applicazioni Dimostrative di Novi Materiali Chjave (Edizione 2019)", chì includeva "materiali di trasfurmazione di lega d'aluminiu chì cuntenenu Sc è fili di saldatura Al Si Sc" in u catalogu di sviluppu di l'industria di i novi materiali. China Aluminum Group Northeast Light Alloy hà sviluppatu una lega Al Mg Sc Zr serie 5B70 chì cuntene scandiu è zirconiu. In paragone cù a lega tradiziunale Al Mg serie 5083 senza scandiu è zirconiu, u so rendimentu è a so resistenza à a trazione sò aumentati di più di u 30%. Inoltre, a lega Al Mg Sc Zr pò mantene una resistenza à a corrosione paragunabile à a lega 5083. Attualmente, e principali imprese domestiche cù qualità industrialelega d'aluminiu scandiuA capacità di pruduzzione hè Northeast Light Alloy Company è Southwest Aluminum Industry. A lamiera di lega di scandiu d'aluminiu 5B70 di grande dimensione sviluppata da Northeast Light Alloy Co., Ltd. pò furnisce piastre spesse di lega d'aluminiu di grande dimensione cù un spessore massimu di 70 mm è una larghezza massima di 3500 mm; I prudutti di lamiera sottile è i prudutti di prufilu ponu esse persunalizati per a pruduzzione, cù una gamma di spessore da 2 mm à 6 mm è una larghezza massima di 1500 mm. Southwest Aluminum hà sviluppatu indipindentamente u materiale 5K40 è hà fattu progressi significativi in u sviluppu di piastre sottili. A lega Al Zn Mg hè una lega di indurimentu di u tempu cù alta resistenza, bone prestazioni di trasfurmazione è eccellenti prestazioni di saldatura. Hè un materiale strutturale indispensabile è impurtante in i veiculi di trasportu attuali cum'è l'aerei. Nantu à a basa di AlZn Mg saldabile di media resistenza, l'aghjunta di elementi di lega di scandiu è zirconiu pò furmà nanoparticelle di Al3 (Sc, Zr) chjuche è disperse in a microstruttura, migliurendu significativamente e proprietà meccaniche è a resistenza à a corrosione da stress di a lega. U Centru di Ricerca Langley di a NASA hà sviluppatu una lega ternaria di scandiu d'aluminiu cù u gradu C557, chì hè pronta per esse applicata in missioni di mudellu. A resistenza statica, a propagazione di e crepe è a tenacità à a frattura di sta lega à bassa temperatura (-200 ℃), temperatura ambiente è alta temperatura (107 ℃) sò tutte uguali o megliu cà quelle di a lega 2524. L'Università Northwestern in i Stati Uniti hà sviluppatu a lega d'aluminiu ultra-alta resistenza di a serie 7000 AlZn Mg Sc, cù una resistenza à a trazione finu à 680 MPa. Hè statu furmatu un mudellu di sviluppu cumunu trà a lega di scandiu d'aluminiu di media alta resistenza è Al Zn Mg Sc ultra-alta resistenza. A lega Al Zn Mg Cu Sc hè una lega d'aluminiu ad alta resistenza cù una resistenza à a trazione superiore à 800 MPa. Attualmente, a cumpusizione nominale è i parametri di prestazione di basa di i principali gradi dilega d'aluminiu scandiusò riassunti cusì, cum'è mostratu in e Tabelle 1 è 2.
Tavula 1 | Cumposizione nominale di a lega di scandiu d'aluminiu
Tavula 2 | Microstruttura è Proprietà di Trazione di a Lega di Scandiu d'Alluminiu
Prospettive d'applicazione di a lega di scandiu d'aluminiu
E leghe Al Zn Mg Cu Sc è Al CuLi Sc d'alta resistenza sò state applicate à cumpunenti strutturali portanti, cumpresi i caccia russi MiG-21 è MiG-29. U cruscottu di a sonda spaziale russa "Mars-1" hè fattu di lega d'aluminiu scandiu 1570, cù una riduzione di pesu tutale di 20%. I cumpunenti portanti di u modulu di strumentu di a sonda spaziale Mars-96 sò fatti di lega d'aluminiu 1970 chì cuntene scandiu, riducendu u pesu di u modulu di strumentu di 10%. In u prugramma "Clean Sky" è u prughjettu "2050 Flight Route" di l'UE, Airbus hà realizatu voli di prova integrati di cuncepimentu di porte di stiva, ricerca è sviluppu, fabricazione è installazione per l'aeromobili A321 basati nantu à a lega d'aluminiu scandiu di qualità successore AA5028-H116 di lega d'aluminiu scandiu 5024. E leghe d'aluminiu scandiu rapprisentate da AA5028 anu dimustratu eccellenti prestazioni di trasfurmazione è saldatura. Utilizendu tecniche di saldatura avanzate cum'è a saldatura per attritu è a saldatura laser per ottene una cunnessione affidabile di materiali in lega d'aluminiu chì cuntenenu scandiu. L'implementazione graduale di a "saldatura invece di rivettatura" in strutture di piastre sottili rinforzate da l'aeromobili ùn solu mantene a consistenza di i materiali di l'aeromobili è l'integrità strutturale, ottenendu una fabricazione efficiente è à bassu costu, ma hà ancu effetti di riduzione di pesu è di sigillatura. A ricerca applicativa di a lega d'aluminiu scandiu 5B70 da l'Istitutu di Ricerca di Materiali Speciali Aerospaziali Cinese hà sfondatu e tecnulugie di filatura forte di cumpunenti di spessore di parete variabile, cuntrollu di a resistenza à a corrosione è di a currispundenza di forza, è cuntrollu di a tensione residuale di saldatura. Hà preparatu un filu di saldatura adattativu in lega d'aluminiu scandiu, è u coefficientu di forza di giunzione di a saldatura per attritu per piastre spesse in a lega pò ghjunghje à 0,92. L'Accademia Cinese di Tecnulugia Spaziale, l'Università Centrale Sud, è altri anu realizatu testi di prestazioni meccaniche approfonditi è esperimenti di prucessu nantu à u materiale 5B70, anu aggiornatu è iteratu u schema di selezzione di u materiale strutturale per 5A06, è anu cuminciatu à applicà a lega d'aluminiu 5B70 à a struttura principale di i pannelli di parete rinforzati generali di a cabina sigillata è di a cabina di ritornu di a stazione spaziale. U pannellu di parete generale di a cabina pressurizzata à struttura di piastre hè cuncipitu cù una cumminazione di pelle è nervature di rinforzu, ottenendu una maggiore integrazione strutturale è ottimizazione di u pesu. Mentre migliora a rigidità è a resistenza generale, riduce u numeru è a cumplessità di i cumpunenti di cunnessione, riducendu cusì ulteriormente u pesu mantenendu alte prestazioni. Cù a prumuzione di l'applicazione di l'ingegneria di i materiali 5B70, l'usu di u materiale 5B70 aumenterà... aumentà gradualmente è superà a soglia minima di furnitura, ciò chì aiuterà à assicurà a pruduzzione cuntinua è a qualità stabile di e materie prime, è riduce significativamente i prezzi di e materie prime. Cum'è digià dettu, ancu s'è parechje proprietà di e leghe d'aluminiu sò state migliurate per via di a microlega di scandiu, u prezzu altu è a scarsità di scandiu limitanu a gamma d'applicazione di e leghe d'aluminiu scandiu. In paragone cù i materiali in lega d'aluminiu cum'è Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, i materiali in lega d'aluminiu chì cuntenenu scandiu anu bone proprietà meccaniche cumplete, resistenza à a corrosione è eccellenti caratteristiche di trasfurmazione, chì li rendenu ampie prospettive d'applicazione in a fabricazione di i principali cumpunenti strutturali in campi industriali cum'è l'aerospaziale. Cù l'approfondimentu cuntinuu di a ricerca nantu à a tecnulugia di microlega di scandiu è u miglioramentu di a currispundenza di a catena di furnitura è di a catena industriale, i fattori di prezzu è di costu chì limitanu l'applicazione industriale à grande scala di e leghe d'aluminiu scandiu migliuraranu gradualmente. E bone proprietà meccaniche cumplete, a resistenza à a corrosione è l'eccellenti caratteristiche di trasfurmazione di e leghe d'aluminiu scandiu li rendenu avè chjari vantaghji di riduzione di u pesu strutturale è un largu putenziale d'applicazione in u campu di a fabricazione di l'equipaggiamenti aeronautici.
Data di publicazione: 29 d'ottobre di u 2024