ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის მასალების შემუშავება და გამოყენება

როგორც მსუბუქი შენადნობი, რომელიც გადამწყვეტია საავიაციო სატრანსპორტო მოწყობილობებისთვის, ალუმინის შენადნობის მაკროსკოპული მექანიკური თვისებები მჭიდრო კავშირშია მის მიკროკონსტრუქციასთან. ალუმინის შენადნობის სტრუქტურაში ძირითადი შენადნობის ელემენტების შეცვლით, ალუმინის შენადნობის მიკროსტრუქტურა შეიძლება შეიცვალოს, ხოლო მასალის მაკროსკოპული მექანიკური თვისებები და სხვა თვისებები (მაგალითად, კოროზიის წინააღმდეგობა და შედუღების შესრულება) შეიძლება მნიშვნელოვნად გაუმჯობესდეს. ამ დრომდე, მიკროანოინგი გახდა ყველაზე პერსპექტიული ტექნოლოგიური განვითარების სტრატეგია ალუმინის შენადნობების მიკროსტრუქტურის ოპტიმიზაციისთვის და ალუმინის შენადნობის მასალების ყოვლისმომცველი თვისებების გასაუმჯობესებლად.სკანდიუმი(SC) არის ყველაზე ეფექტური მიკრო წყალგამტარი ელემენტის გამაძლიერებელი, რომელიც ცნობილია ალუმინის შენადნობებით. ალუმინის მატრიქსში სკანდიუმის ხსნადობა ნაკლებია 0.35 ვტ.%-ზე, რაც ალუმინის შენადნობებს სკანდიუმის ელემენტის კვალი ამატებს, შეუძლია ეფექტურად გააუმჯობესოს მათი მიკროსტრუქტურა, სრულყოფილად გააძლიეროს მათი სიძლიერე, სიმტკიცე, პლასტიურობა, თერმული სტაბილურობა და კოროზიის წინააღმდეგობა. სკანდიუმს აქვს მრავალჯერადი ფიზიკური მოქმედება ალუმინის შენადნობებში, მათ შორის მყარი ხსნარის გაძლიერება, ნაწილაკების გაძლიერება და რეკრისტალიზაციის ინჰიბირება. ამ სტატიაში მოცემულია ისტორიული განვითარება, უახლესი პროგრესი და სკანდიუმის პოტენციური გამოყენებები, რომლებიც შეიცავს ალუმინის შენადნობებს საავიაციო აღჭურვილობის წარმოების სფეროში.

ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის კვლევა და განვითარება

სკანდიუმის, როგორც ალუმინის შენადნობების შენადნობის ელემენტის დამატება, შეიძლება ნახოთ 1960 -იან წლებში. ამ დროს, სამუშაოს უმეტესი ნაწილი ჩატარდა ორობითი AL SC და Ternary Almg SC შენადნობის სისტემებში. 1970 -იან წლებში, ბაიკოვის მეტალურგიისა და მასალების მეცნიერებათა მეცნიერებათა მეცნიერებათა მეცნიერებათა ინსტიტუტმა და მსუბუქი შენადნობის ყველა რუსეთის ინსტიტუტმა ჩაატარა სისტემატური შესწავლა ალუმინის შენადნობებში სკანდიუმის ფორმისა და მექანიზმის შესახებ. თითქმის ორმოცი წლის ძალისხმევის შემდეგ, ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების 14 კლასის შემუშავებულია სამ მთავარ სერიაში (Al Mg SC, Al Li SC, Al Zn Mg SC). ალუმინში სკანდიუმის ატომების ხსნადობა დაბალია, ხოლო სათანადო სითბოს დამუშავების პროცესების გამოყენებით, მაღალი სიმკვრივე AL3SC ნანო ნალექები შეიძლება დაჩქარდეს. ნალექების ეს ეტაპი თითქმის სფერულია, მცირე ნაწილაკებითა და დაშლილი განაწილებით და აქვს კარგი თანმიმდევრული ურთიერთობა ალუმინის მატრიქსთან, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს ალუმინის შენადნობების ოთახის ტემპერატურის სიმტკიცე. გარდა ამისა, AL3SC ნანოს ნალექებს აქვთ კარგი თერმული სტაბილურობა და გამაძლიერებელი წინააღმდეგობა მაღალ ტემპერატურაზე (400 ℃ ფარგლებში), რაც უკიდურესად სასარგებლოა შენადნობის ძლიერი სითბოს წინააღმდეგობისთვის. რუსულ ენაზე ალუმინის სკანდიუმის შენადნობები, 1570 -მა შენადნობამ დიდი ყურადღება მიიპყრო მისი უმაღლესი სიძლიერის და ფართო გამოყენების გამო. ეს შენადნობი ავლენს მშვენიერ შესრულებას სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონში -196 ℃ დან 70 ℃ და აქვს ბუნებრივი სუპერპლასტიკა, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს რუსული დამზადებული LF6 ალუმინის შენადნობი (ალუმინის მაგნიუმის შენადნობი, რომელიც ძირითადად შედგება ალუმინის, მაგნიუმის, სპილენძის, მანგანისა და სილიკონისგან). გარდა ამისა, რუსეთმა ასევე შეიმუშავა ალუმინის თუთიის მაგნიუმის სკანდიუმის შენადნობები, რომლებიც წარმოდგენილია 1970 წლისთვის, მატერიალური სიძლიერე 500 მპა -ზე მეტი.

ინდუსტრიალიზაციის სტატუსიალუმინის სკანდიუმის შენადნობი

2015 წელს ევროკავშირმა გამოაქვეყნა "ევროპული მეტალურგიული საგზაო რუკა: მწარმოებლებისა და საბოლოო მომხმარებლების პერსპექტივები", რომელიც შესთავაზა შეისწავლოს ალუმინის შედუღებამაგნიუმის სკანდიუმის შენადნობები. 2020 წლის სექტემბერში ევროკავშირმა გამოაქვეყნა 29 ძირითადი მინერალური რესურსის სია, მათ შორის სკანდიუმი. 5024H116 ალუმინის მაგნიუმის სკანდიუმის შენადნობი, რომელიც ALE ალუმინის მიერ არის შემუშავებული გერმანიაში, აქვს საშუალო და მაღალი სიძლიერე და მაღალი დაზიანების ტოლერანტობა, რაც მას ძალზე პერსპექტიულ მასალად აქცევს. იგი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ტრადიციული 2xxx სერიის ალუმინის შენადნობების შესაცვლელად და იგი შედის Airbus- ის AIMS03-01-055 მასალების შესყიდვების წიგნში. 5028 არის გაუმჯობესებული კლასის 5024, შესაფერისი ლაზერული შედუღებისა და ხახუნის აურიეთ შედუღებისთვის. მას შეუძლია მიაღწიოს ჰიპერბოლური ინტეგრალური კედლის პანელების მცოცავი ფორმირების პროცესს, რომელიც კოროზიის მდგრადია და არ საჭიროებს ალუმინის საფარს. 2524 შენადნობთან შედარებით, ძრავის მთლიანი კედლის პანელის სტრუქტურას შეუძლია მიაღწიოს 5% სტრუქტურულ წონის შემცირებას. AI5024-H116 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ფურცელი, რომელიც წარმოებულია კომპანია AILI Aluminum- ის მიერ, გამოიყენება თვითმფრინავების ძაფისა და კოსმოსური ხომალდის სტრუქტურული კომპონენტების წარმოებისთვის. AA5024-H116 შენადნობის ფურცლის ტიპიური სისქეა 1.6 მმ-მდე 8.0 მმ-მდე, ხოლო მისი დაბალი სიმკვრივის, ზომიერი მექანიკური თვისებების, მაღალი კოროზიის წინააღმდეგობის და მკაცრი განზომილებიანი გადახრის გამო, მას შეუძლია შეცვალოს 2524 შენადნობი, როგორც ნაყინის კანის მასალა. ამჟამად, AA5024-H116 შენადნობის ფურცელი დამოწმებულია Airbus AIMS03-04-055. 2018 წლის დეკემბერში, ჩინეთის ინდუსტრიის და ინფორმაციული ტექნოლოგიების სამინისტრომ გამოაქვეყნა ”სახელმძღვანელო კატალოგი ძირითადი ახალი მასალების მეორადი განაცხადის დემონსტრაციებისთვის (2018 გამოცემა)”, რომელშიც შედიოდა ”მაღალი სიწმინდის სკანდიუმის ოქსიდი” ახალი მასალების ინდუსტრიის განვითარების კატალოგში. 2019 წელს, ჩინეთის ინდუსტრიის და ინფორმაციული ტექნოლოგიების სამინისტრომ გამოაქვეყნა ”სახელმძღვანელო კატალოგი ძირითადი ახალი მასალების სადემონსტრაციო პროგრამების პირველი ჯგუფისთვის (2019 გამოცემა)”, რომელშიც შედიოდა ”SC, რომელიც შეიცავს ალუმინის შენადნობის გადამამუშავებელ მასალებს და AL SI SC შედუღების მავთულს” ახალი მასალების ინდუსტრიის განვითარების კატალოგში. ჩინეთის ალუმინის ჯგუფმა Northeast Light Alloy- მა შეიმუშავა Al Mg SC Zr სერია 5B70 შენადნობი, რომელიც შეიცავს სკანდიუმს და ცირკონიუმს. შედარებით ტრადიციული AL MG სერიის 5083 შენადნობთან, სკანდიუმისა და ცირკონიუმის გარეშე, მისი მოსავლიანობა და დაძაბულობის ძალა გაიზარდა 30%-ზე მეტით. უფრო მეტიც, Al Mg SC Zr შენადნობას შეუძლია შეინარჩუნოს შედარებითი კოროზიის წინააღმდეგობა 5083 შენადნობის მიმართ. ამჟამად, სამრეწველო კლასის მთავარი შიდა საწარმოებიალუმინის სკანდიუმის შენადნობიწარმოების სიმძლავრე არის ჩრდილო - აღმოსავლეთის მსუბუქი შენადნობის კომპანია და სამხრეთ - დასავლეთის ალუმინის ინდუსტრია. დიდი ზომის 5B70 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ფურცელი, რომელიც შეიმუშავა Northeast Light Alloy Co., Ltd.– ს შეუძლია მიაწოდოს დიდი ალუმინის შენადნობის სქელი ფირფიტები მაქსიმალური სისქით 70 მმ და მაქსიმალური სიგანე 3500 მმ; თხელი ფურცლის პროდუქტები და პროფილის პროდუქტები შეიძლება მორგებული იყოს წარმოებისთვის, სისქის დიაპაზონი 2 მმ -დან 6 მმ -მდე და მაქსიმალური სიგანე 1500 მმ. სამხრეთ -დასავლეთის ალუმინმა დამოუკიდებლად შეიმუშავა 5K40 მასალა და მნიშვნელოვანი პროგრესი განიცადა თხელი ფირფიტების განვითარებაში. Al Zn Mg შენადნობი არის დროის გამკვრივება შენადნობის მაღალი სიმტკიცით, კარგი დამუშავების შესრულებით და შესანიშნავი შედუღების შესრულებით. ეს არის შეუცვლელი და მნიშვნელოვანი სტრუქტურული მასალა მიმდინარე სატრანსპორტო მანქანებში, როგორიცაა თვითმფრინავები. საშუალო სიძლიერის შედუღების ალზნის მგ, სკანდიუმისა და ცირკონიუმის შენადნობის ელემენტებს დამატებით შეუძლიათ შექმნან მცირე და დაშლილი AL3 (SC, ZR) ნანონაწილაკები მიკროსტრუქტურაში, მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს შენადნობის მექანიკურ თვისებებს და სტრესულ კოროზიას. NASA- ს ლენგლის სამეცნიერო ცენტრმა შეიმუშავა Ternary ალუმინის სკანდიუმის შენადნობი კლასის C557- ით, რომელიც მზად არის გამოყენებული იყოს სამოდელო მისიებში. ამ შენადნობის სტატიკური სიძლიერე, ბზარის გამრავლება და მოტეხილობის სიმკაცრე დაბალ ტემპერატურაზე (-200 ℃), ოთახის ტემპერატურა და მაღალი ტემპერატურა (107 ℃) ყველა ტოლია ან უკეთესია, ვიდრე 2524 შენადნობი. შეერთებულ შტატებში ჩრდილო-დასავლეთის უნივერსიტეტმა შეიმუშავა Alzn Mg SC Alloy 7000 სერიის ულტრა მაღალი სიმტკიცის ალუმინის შენადნობი, რომლის დაძაბულობის სიმტკიცე 680 მპა-მდეა. ჩამოყალიბდა ერთობლივი განვითარების ნიმუში საშუალო მაღალი სიძლიერის ალუმინის სკანდიუმის შენადნობსა და ულტრა მაღალი სიმტკიცის Al Zn Mg SC- ს შორის. Al Zn Mg Cu SC Alloy არის მაღალი სიმტკიცის ალუმინის შენადნობი, რომელსაც აქვს დაძაბული ძალა, რომელიც აღემატება 800 მპა. დღეისათვის, ძირითადი კლასების ნომინალური შემადგენლობა და ძირითადი შესრულების პარამეტრებიალუმინის სკანდიუმის შენადნობიშეჯამებულია შემდეგნაირად, როგორც ეს მოცემულია ცხრილებში 1 და 2.

ცხრილი 1 | ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ნომინალური შემადგენლობა

ცხრილი 2 | ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის მიკროსტრუქტურა და დაძაბულობის თვისებები

ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის განაცხადის პერსპექტივები

მაღალი სიძლიერე Al Zn Mg Cu SC და Al Culi SC შენადნობები იქნა გამოყენებული დატვირთვის სტრუქტურული კომპონენტებისთვის, მათ შორის რუსული MIG-21 და MIG-29 გამანადგურებელი თვითმფრინავები. რუსული კოსმოსური ხომალდის დაფა "MARS-1" დამზადებულია 1570 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობით, საერთო წონის შემცირებით 20%. MARS-96 კოსმოსური ხომალდის ინსტრუმენტის მოდულის დატვირთვის კომპონენტები დამზადებულია 1970 წლის ალუმინის შენადნობისგან, რომელიც შეიცავს სკანდიუმს, ამცირებს ინსტრუმენტის მოდულის წონას 10%-ით. "Clean Sky" პროგრამაში და ევროკავშირის "2050 ფრენის მარშრუტი" პროექტში, Airbus- მა ჩაატარა ტვირთის ინტეგრირებული კარების დიზაინი, კვლევები და განვითარება, წარმოება და ინსტალაციის ტესტის ფრენები A321 თვითმფრინავისთვის, რომელიც დაფუძნებულია მემკვიდრე AA5028-H116 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობზე 5024 ალუმინის სკანდუმის შენადნიდან. AA5028- ის მიერ წარმოდგენილი ალუმინის სკანდიუმის შენადნობები აჩვენებს შესანიშნავი დამუშავებისა და შედუღების შესრულებას. შედუღების მოწინავე ტექნიკის გამოყენებით, როგორიცაა ხახუნის აურიეთ შედუღება და ლაზერული შედუღება, ალუმინის შენადნობის მასალების შემცველი სკანდიუმის საიმედო კავშირის მისაღწევად. თვითმფრინავებში გამაგრებული თხელი ფირფიტების სტრუქტურებში "შედუღების ნაცვლად" შედუღების "თანდათანობითი განხორციელება არა მხოლოდ ინარჩუნებს თვითმფრინავების მასალების თანმიმდევრულობას და სტრუქტურულ მთლიანობას, მიაღწევს ეფექტურ და დაბალ ფასად წარმოებას, არამედ აქვს წონის შემცირება და დალუქვის ეფექტები. Aluminum Scandium 5B70 შენადნობის განაცხადის კვლევამ ჩინეთის საჰაერო კოსმოსური სპეციალური მასალების კვლევის ინსტიტუტმა დაარღვია ცვლადი კედლის სისქის კომპონენტების ძლიერი დატრიალების ტექნოლოგიები, კოროზიის წინააღმდეგობის კონტროლი და სიძლიერის შესატყვისი და ნარჩენი სტრესის შედუღების კონტროლი. მან მოამზადა ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ადაპტირებული შედუღების მავთული, ხოლო ხახუნის ერთობლივი სიძლიერის კოეფიციენტი აურიეთ შედუღება სქელი ფირფიტებისთვის შენადნობში, შეიძლება მიაღწიოს 0.92. ჩინეთის კოსმოსური ტექნოლოგიების აკადემიამ, ცენტრალურმა სამხრეთმა უნივერსიტეტმა და სხვებმა ჩაატარეს ფართო მექანიკური შესრულების ტესტირება და პროცესის ექსპერიმენტები 5B70 მასალაზე, განახლებული და განმეორებით გამოაქვეყნეს სტრუქტურული მასალების შერჩევის სქემა 5A06- სთვის და დაიწყეს 5B70 ალუმინის შენადნობის გამოყენება ძირითადი გამაგრებული კედლის პანელის ძირითადი სტრუქტურის და დაბრუნების კაბინით. ფირფიტის სტრუქტურის მთლიანი კედლის პანელი წნევის მქონე სალონში განკუთვნილია კანისა და გამაგრების ნეკნების კომბინაციით, რაც უფრო მაღალ სტრუქტურულ ინტეგრაციასა და წონის ოპტიმიზაციას მიაღწევს. საერთო სიმკაცრისა და სიმტკიცის გაუმჯობესებისას, იგი ამცირებს კომპონენტების დამაკავშირებელ რაოდენობას და სირთულეს, რითაც კიდევ უფრო ამცირებს წონას მაღალი ხარისხის შენარჩუნებისას. 5B70 მასალების ინჟინერიის გამოყენების ხელშეწყობით, 5B70 მასალის გამოყენება თანდათან გაიზრდება და აღემატება მიწოდების მინიმალურ ზღურბლს, რაც ხელს შეუწყობს ნედლეულის უწყვეტი წარმოებისა და სტაბილური ხარისხის უზრუნველყოფას და მნიშვნელოვნად შეამცირებს ნედლეულის ფასებს. როგორც უკვე აღვნიშნეთ, მიუხედავად იმისა, რომ ალუმინის შენადნობების მრავალი თვისება გაუმჯობესდა სკანდიუმის მიკრო წყალობით, სკანდიუმის მაღალი ფასი და სიმცირე ზღუდავს ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების გამოყენების დიაპაზონს. ალუმინის შენადნობის მასალებთან შედარებით, როგორიცაა Al Cu, Al Zn, Al ZnMG, Scandium, რომელიც შეიცავს ალუმინის შენადნობებს, აქვთ კარგი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები, კოროზიის წინააღმდეგობა და შესანიშნავი დამუშავების მახასიათებლები, რამაც მათ ფართო პროგრამის პერსპექტივები აქვთ ძირითადი სტრუქტურული კომპონენტების წარმოებაში, როგორიცაა საჰაერო სივრცე. Scandium მიკროანო ტექნოლოგიის შესახებ კვლევების მუდმივი გაღრმავებით და მიწოდების ქსელის და სამრეწველო ჯაჭვის შესატყვის გაუმჯობესებით, ფასები და ხარჯების ფაქტორები, რომლებიც ზღუდავს სკანდიუმის ალუმინის შენადნობების ფართომასშტაბიანი სამრეწველო გამოყენებას, თანდათანობით გაუმჯობესდება. კარგი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები, კოროზიის წინააღმდეგობა და ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების დამუშავების შესანიშნავი მახასიათებლები მათ აყენებს წონის შემცირების მკაფიო უპირატესობებს და ფართო გამოყენების პოტენციალს საავიაციო აღჭურვილობის წარმოების სფეროში.