Ալյումինե-սկանդիումային համաձուլվածքների մշակում և կիրառում

Որպես թեթև համաձուլվածք, որը կարևոր է ավիացիոն տրանսպորտային սարքավորումների համար, ալյումինե համաձուլվածքի մակրոսկոպիկ մեխանիկական հատկությունները սերտորեն կապված են դրա միկրոկառուցվածքի հետ: Ալյումինե համաձուլվածքի կառուցվածքում հիմնական համաձուլվածքային տարրերը փոխելով՝ կարելի է փոխել ալյումինե համաձուլվածքի միկրոկառուցվածքը, և նյութի մակրոսկոպիկ մեխանիկական հատկությունները և այլ հատկություններ (օրինակ՝ կոռոզիայի դիմադրություն և եռակցման կատարողականություն) կարող են զգալիորեն բարելավվել: Մինչ օրս միկրոհամաձուլվածքացումը դարձել է ալյումինե համաձուլվածքների միկրոկառուցվածքի օպտիմալացման և ալյումինե համաձուլվածքային նյութերի համապարփակ հատկությունների բարելավման ամենախոստումնալից տեխնոլոգիական զարգացման ռազմավարությունը:Սկանդիում(Sc)-ը ալյումինե համաձուլվածքների համար հայտնի ամենաարդյունավետ միկրոհամաձուլվածքային տարրերի ուժեղացուցիչն է: Սկանդիումի լուծելիությունը ալյումինե մատրիցում կազմում է 0.35 զանգվածային%-ից պակաս: Ալյումինե համաձուլվածքներին սկանդիումի տարրի հետքային քանակություններ ավելացնելը կարող է արդյունավետորեն բարելավել դրանց միկրոկառուցվածքը, համապարփակ կերպով բարձրացնել դրանց ամրությունը, կարծրությունը, պլաստիկությունը, ջերմային կայունությունը և կոռոզիոն դիմադրությունը: Սկանդիումը ալյումինե համաձուլվածքներում ունի բազմաթիվ ֆիզիկական ազդեցություններ, այդ թվում՝ պինդ լուծույթում ամրացում, մասնիկների ամրացում և վերաբյուրեղացման արգելակում: Այս հոդվածը կներկայացնի սկանդիում պարունակող ալյումինե համաձուլվածքների պատմական զարգացումը, վերջին առաջընթացը և հնարավոր կիրառությունները ավիացիոն սարքավորումների արտադրության ոլորտում:

Ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի հետազոտություն և մշակում

Սկանդիումի՝ որպես համաձուլվածքային տարրի ավելացումը ալյումինե համաձուլվածքներին կարելի է հետագծել դեռևս 1960-ական թվականներին: Այդ ժամանակ աշխատանքների մեծ մասը կատարվում էր երկուական AlSc և եռակի AlMgSc համաձուլվածքային համակարգերում: 1970-ական թվականներին Խորհրդային Գիտությունների ակադեմիայի Բայկովի անվան մետալուրգիայի և նյութագիտության ինստիտուտը և թեթև համաձուլվածքների հետազոտությունների համառուսաստանյան ինստիտուտը համակարգված ուսումնասիրություն են անցկացրել ալյումինե համաձուլվածքներում սկանդիումի ձևի և մեխանիզմի վերաբերյալ: Գրեթե քառասուն տարվա ջանքերից հետո մշակվել են ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքների 14 տեսակ՝ երեք հիմնական շարքերով (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc): Սկանդիումի ատոմների լուծելիությունը ալյումինում ցածր է, և համապատասխան ջերմային մշակման գործընթացների կիրառմամբ կարող են նստեցվել բարձր խտության Al3Sc նանոնստվածքներ: Այս նստեցման փուլը գրեթե գնդաձև է, փոքր մասնիկներով և ցրված բաշխմամբ, և ունի լավ կոհերենտ կապ ալյումինե մատրիցի հետ, ինչը կարող է զգալիորեն բարելավել ալյումինե համաձուլվածքների սենյակային ջերմաստիճանային ամրությունը: Բացի այդ, Al3Sc նանո նստվածքները ունեն լավ ջերմային կայունություն և կոպտացման դիմադրություն բարձր ջերմաստիճաններում (400 ℃-ի սահմաններում), ինչը չափազանց օգտակար է համաձուլվածքի ուժեղ ջերմակայունության համար: Ռուսաստանում արտադրված ալյումինե-սկանդիումային համաձուլվածքներում 1570 համաձուլվածքը մեծ ուշադրություն է գրավել իր ամենաբարձր ամրության և լայն կիրառման շնորհիվ: Այս համաձուլվածքը ցուցաբերում է գերազանց կատարողականություն -196 ℃-ից մինչև 70 ℃ աշխատանքային ջերմաստիճանի տիրույթում և ունի բնական գերպլաստիկություն, որը կարող է փոխարինել Ռուսաստանում արտադրված LF6 ալյումինե համաձուլվածքին (ալյումինե-մագնեզիումային համաձուլվածք, որը հիմնականում կազմված է ալյումինից, մագնեզիումից, պղնձից, մանգանից և սիլիցիումից)՝ հեղուկ թթվածնային միջավայրում բեռ կրող կառուցվածքների եռակցման համար՝ զգալիորեն բարելավված կատարողականությամբ: Բացի այդ, Ռուսաստանում նաև մշակվել են ալյումին-ցինկ-մագնեզիում-սկանդիումային համաձուլվածքներ, որոնք ներկայացված են 1970 թվականին՝ 500 ՄՊա-ից ավելի նյութական ամրությամբ:

Արդյունաբերականացման կարգավիճակըԱլյումինե սկանդիումի համաձուլվածք

2015 թվականին Եվրամիությունը հրապարակեց «Եվրոպական մետալուրգիական ճանապարհային քարտեզ. հեռանկարներ արտադրողների և վերջնական օգտագործողների համար» փաստաթուղթը, որում առաջարկվում էր ուսումնասիրել ալյումինի եռակցելիությունը։մագնեզիում-սկանդիումի համաձուլվածքներ2020 թվականի սեպտեմբերին Եվրամիությունը հրապարակեց 29 հիմնական հանքային ռեսուրսների ցանկ, այդ թվում՝ սկանդիում: Գերմանիայում Ale Aluminum-ի կողմից մշակված 5024H116 ալյումինե-մագնեզիում-սկանդիումի համաձուլվածքը ունի միջինից մինչև բարձր ամրություն և բարձր վնասի նկատմամբ դիմադրողականություն, ինչը այն դարձնում է ֆյուզելյաժի կեղևի համար շատ խոստումնալից նյութ: Այն կարող է օգտագործվել ավանդական 2xxx շարքի ալյումինե համաձուլվածքները փոխարինելու համար և ներառվել է Airbus-ի AIMS03-01-055 նյութերի գնման գրքում: 5028-ը 5024-ի բարելավված տեսակ է, որը հարմար է լազերային եռակցման և շփման խառնիչ եռակցման համար: Այն կարող է իրականացնել հիպերբոլիկ ինտեգրալ պատի վահանակների սողացող ձևավորման գործընթաց, որը կոռոզիակայուն է և չի պահանջում ալյումինե ծածկույթ: 2524 համաձուլվածքի համեմատ, ֆյուզելյաժի ընդհանուր պատի վահանակի կառուցվածքը կարող է հասնել կառուցվածքային քաշի 5% կրճատման: Aili Aluminum Company-ի կողմից արտադրված AA5024-H116 ալյումինե-սկանդիումի համաձուլվածքի թերթը օգտագործվել է ինքնաթիռի ֆյուզելյաժի և տիեզերանավի կառուցվածքային բաղադրիչների արտադրության համար: AA5024-H116 համաձուլվածքի թերթի տիպիկ հաստությունը 1.6 մմ-ից մինչև 8.0 մմ է, և իր ցածր խտության, չափավոր մեխանիկական հատկությունների, բարձր կոռոզիոն դիմադրության և խիստ չափային շեղման շնորհիվ այն կարող է փոխարինել 2524 համաձուլվածքին որպես ֆյուզելյաժի կեղևի նյութ: Ներկայումս AA5024-H116 համաձուլվածքի թերթը հավաստագրված է Airbus AIMS03-04-055-ի կողմից: 2018 թվականի դեկտեմբերին Չինաստանի արդյունաբերության և տեղեկատվական տեխնոլոգիաների նախարարությունը հրապարակեց «Հիմնական նոր նյութերի երկրորդային կիրառման ցուցադրությունների առաջին խմբաքանակի ուղեցույց կատալոգը (2018 թվականի հրատարակություն)», որը նոր նյութերի արդյունաբերության մշակման կատալոգում ներառել է «բարձր մաքրության սկանդիումի օքսիդ»: 2019 թվականին Չինաստանի արդյունաբերության և տեղեկատվական տեխնոլոգիաների նախարարությունը հրապարակեց «Հիմնական նոր նյութերի ցուցադրական կիրառությունների առաջին խմբաքանակի ուղեցույց կատալոգը (2019 թվականի հրատարակություն)», որը նոր նյութերի արդյունաբերության մշակման կատալոգում ներառել է «Sc պարունակող ալյումինե համաձուլվածքի մշակման նյութեր և AlSiSc եռակցման լարեր»: Չինաստանի ալյումինե խմբի Northeast Light Alloy-ն մշակել է AlMgScZr շարքի 5B70 համաձուլվածք, որը պարունակում է սկանդիում և ցիրկոնիում: Համեմատած սկանդիում և ցիրկոնիում չպարունակող ավանդական AlMg շարքի 5083 համաձուլվածքի հետ, դրա հոսունությունը և ձգման ամրությունը աճել են ավելի քան 30%-ով: Ավելին, AlMgScZr համաձուլվածքը կարող է պահպանել 5083 համաձուլվածքի համեմատելի կոռոզիոն դիմադրություն: Ներկայումս արդյունաբերական կարգի հիմնական տեղական ձեռնարկությունները...ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքԱրտադրական հզորությունները Northeast Light Alloy Company-ն և Southwest Aluminum Industry-ն են: Northeast Light Alloy Co., Ltd.-ի կողմից մշակված մեծ չափի 5B70 ալյումինե սկանդիումային համաձուլվածքի թերթը կարող է մատակարարել մեծ ալյումինե համաձուլվածքի հաստ թիթեղներ՝ առավելագույնը 70 մմ հաստությամբ և առավելագույնը 3500 մմ լայնությամբ: Բարակ թերթիկներից և պրոֆիլներից պատրաստված արտադրանքը կարող է հարմարեցվել արտադրությանը՝ 2 մմ-ից մինչև 6 մմ հաստությամբ և առավելագույնը 1500 մմ լայնությամբ: Southwest Aluminum-ը անկախ մշակել է 5K40 նյութ և զգալի առաջընթաց է գրանցել բարակ թիթեղների մշակման գործում: AlZnMg համաձուլվածքը ժամանակի ընթացքում կարծրացող համաձուլվածք է՝ բարձր ամրությամբ, լավ մշակման կատարողականությամբ և գերազանց եռակցման կատարողականությամբ: Այն անփոխարինելի և կարևոր կառուցվածքային նյութ է ժամանակակից տրանսպորտային միջոցներում, ինչպիսիք են ինքնաթիռները: Միջին ամրության եռակցվող AlZnMg-ի հիման վրա, սկանդիումի և ցիրկոնիումի համաձուլվածքի տարրերի ավելացումը կարող է առաջացնել փոքր և ցրված Al3 (Sc, Zr) նանոմասնիկներ միկրոկառուցվածքում, զգալիորեն բարելավելով համաձուլվածքի մեխանիկական հատկությունները և լարվածության կոռոզիոն դիմադրությունը: ՆԱՍԱ-ի Լենգլիի հետազոտական ​​կենտրոնը մշակել է C557 դասի եռակի ալյումինե սկանդիումային համաձուլվածք, որը պատրաստ է կիրառվելու մոդելային առաքելություններում: Այս համաձուլվածքի ստատիկ ամրությունը, ճաքերի տարածումը և կոտրման դիմադրողականությունը ցածր ջերմաստիճանում (-200 ℃), սենյակային ջերմաստիճանում և բարձր ջերմաստիճանում (107 ℃) հավասար են կամ ավելի լավ, քան 2524 համաձուլվածքինը: ԱՄՆ-ի Հյուսիսարևմտյան համալսարանը մշակել է AlZnMgSc համաձուլվածքի 7000 շարքի գերբարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածքը՝ մինչև 680 ՄՊա ձգման ամրությամբ: Միջին բարձր ամրության ալյումինե սկանդիումային համաձուլվածքի և գերբարձր ամրության AlZnMgSc համաձուլվածքի միջև ձևավորվել է միացման զարգացման մոդել: AlZnMgCuSc համաձուլվածքը բարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածք է՝ 800 ՄՊա-ից ավելի ձգման ամրությամբ: Ներկայումս հիմնական դասերի անվանական կազմը և հիմնական աշխատանքային պարամետրերը...ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքամփոփված են հետևյալ կերպ, ինչպես ցույց է տրված աղյուսակ 1-ում և 2-ում։

Աղյուսակ 1 | Ալյումինե-սկանդիումային համաձուլվածքի անվանական կազմը

Աղյուսակ 2 | Ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի միկրոկառուցվածքը և ձգման հատկությունները

Ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի կիրառման հեռանկարները

Բարձր ամրության Al-Zn-Mg-Cu-Sc և Al-CuLi-Sc համաձուլվածքները կիրառվել են բեռ կրող կառուցվածքային բաղադրիչների վրա, այդ թվում՝ ռուսական ՄիԳ-21 և ՄիԳ-29 կործանիչների վրա։ Ռուսական «Մարս-1» տիեզերանավի վահանակը պատրաստված է 1570 ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքից, որի ընդհանուր քաշը կրճատվել է 20%-ով: «Մարս-96» տիեզերանավի գործիքային մոդուլի բեռնակիր բաղադրիչները պատրաստված են 1970 ալյումինե համաձուլվածքից, որը պարունակում է սկանդիում, ինչը գործիքային մոդուլի քաշը կրճատել է 10%-ով: «Մաքուր երկինք» ծրագրի և ԵՄ «2050 թռիչքի երթուղի» նախագծի շրջանակներում Airbus-ը իրականացրել է A321 ինքնաթիռի ինտեգրված բեռնախցիկի դռների նախագծման, հետազոտության և մշակման, արտադրության և տեղադրման փորձնական թռիչքներ, որոնք հիմնված են 5024 ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի AA5028-H116 հաջորդ դասի ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի վրա: AA5028-ով ներկայացված ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքները ցուցադրել են գերազանց մշակման և եռակցման կատարողականություն: Սկանդիում պարունակող ալյումինե համաձուլվածքի նյութերի հուսալի միացման համար օգտագործվել են առաջադեմ եռակցման տեխնիկաներ, ինչպիսիք են շփման միջոցով եռակցումը և լազերային եռակցումը: «Եռակցման փոխարեն գամելու» աստիճանական ներդրումը ինքնաթիռի ամրացված բարակ թիթեղային կառուցվածքներում ոչ միայն պահպանում է ինքնաթիռի նյութերի հետևողականությունը և կառուցվածքային ամբողջականությունը՝ ապահովելով արդյունավետ և ցածր գնով արտադրություն, այլև ունի: Քաշի նվազեցում և կնքման ազդեցություն: Չինաստանի Աէրոտիեզերական Հատուկ Նյութերի Հետազոտական ​​Ինստիտուտի կողմից ալյումինե սկանդիումի 5B70 համաձուլվածքի կիրառման հետազոտությունը բացահայտել է փոփոխական պատի հաստության բաղադրիչների ուժեղ պտտման, կոռոզիայի դիմադրության և ամրության համապատասխանության վերահսկման, ինչպես նաև եռակցման մնացորդային լարման վերահսկման տեխնոլոգիաները: Այն պատրաստել է ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքի ադապտիվ եռակցման մետաղալար, և համաձուլվածքում հաստ թիթեղների համար շփման խառնման եռակցման միացման ամրության գործակիցը կարող է հասնել 0.92-ի: Չինաստանի Տիեզերական Տեխնոլոգիաների Ակադեմիան, Կենտրոնական Հարավային Համալսարանը և այլք անցկացրել են 5B70 նյութի վրա լայնածավալ մեխանիկական կատարողականության փորձարկումներ և գործընթացային փորձեր, արդիականացրել և կրկնել են 5A06-ի համար կառուցվածքային նյութի ընտրության սխեման և սկսել են կիրառել 5B70 ալյումինե համաձուլվածքը տիեզերական կայանի կնքված խցիկի և վերադարձի խցիկի ընդհանուր ամրացված պատի վահանակների հիմնական կառուցվածքում: Թիթեղային կառուցվածքի ճնշումային խցիկի ընդհանուր պատի վահանակը նախագծված է մաշկի և ամրացման կողերի համադրությամբ, ինչը հանգեցնում է ավելի բարձր կառուցվածքային ինտեգրման և քաշի օպտիմալացման: Ընդհանուր կոշտությունն ու ամրությունը բարելավելով, այն նվազեցնում է միացնող բաղադրիչների քանակը և բարդությունը, դրանով իսկ ավելի նվազեցնելով քաշը՝ պահպանելով բարձր կատարողականությունը: 5B70 նյութական ճարտարագիտության կիրառման խթանմամբ, օգտագործումը... 5B70 նյութի քանակը աստիճանաբար կաճի և կգերազանցի մատակարարման նվազագույն շեմը, ինչը կնպաստի հումքի շարունակական արտադրությանը և կայուն որակի ապահովմանը, ինչպես նաև զգալիորեն կնվազեցնի հումքի գները: Ինչպես նշվեց ավելի վաղ, չնայած ալյումինե համաձուլվածքների շատ հատկություններ բարելավվել են սկանդիումի միկրոհամաձուլվածքների միջոցով, սկանդիումի բարձր գինը և սակավությունը սահմանափակում են ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքների կիրառման շրջանակը: Ալյումինե համաձուլվածքների նյութերի, ինչպիսիք են Al Cu-ն, Al Zn-ը, Al ZnMg-ն, համեմատած ալյումինե համաձուլվածքների նյութերի հետ, սկանդիում պարունակող ալյումինե համաձուլվածքների նյութերն ունեն լավ համապարփակ մեխանիկական հատկություններ, կոռոզիայի դիմադրություն և գերազանց մշակման բնութագրեր, ինչը դրանք լայն կիրառման հեռանկարներ է տալիս արդյունաբերական ոլորտներում, ինչպիսին է ավիատիեզերական արդյունաբերությունը, հիմնական կառուցվածքային բաղադրիչների արտադրության մեջ: Սկանդիումի միկրոհամաձուլվածքների տեխնոլոգիայի շարունակական խորացման և մատակարարման շղթայի ու արդյունաբերական շղթայի համապատասխանեցման կատարելագործման հետ մեկտեղ, սկանդիումի ալյումինե համաձուլվածքների լայնածավալ արդյունաբերական կիրառումը սահմանափակող գնի և արժեքի գործոնները աստիճանաբար կբարելավվեն: Ալյումինե սկանդիումի համաձուլվածքների լավ համապարփակ մեխանիկական հատկությունները, կոռոզիայի դիմադրությունը և գերազանց մշակման բնութագրերը դրանք դարձնում են հստակ կառուցվածքային քաշի նվազեցման առավելություններ և լայն կիրառման ներուժ ավիացիոն սարքավորումների արտադրության ոլորտում: