ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის მასალების შემუშავება და გამოყენება

როგორც მსუბუქი შენადნობი, რომელიც საავიაციო ტრანსპორტირების აღჭურვილობისთვის უმნიშვნელოვანესია, ალუმინის შენადნობის მაკროსკოპული მექანიკური თვისებები მჭიდრო კავშირშია მის მიკროსტრუქტურასთან. ალუმინის შენადნობის სტრუქტურაში ძირითადი შენადნობის ელემენტების შეცვლით, შესაძლებელია ალუმინის შენადნობის მიკროსტრუქტურის შეცვლა და მასალის მაკროსკოპული მექანიკური თვისებების და სხვა თვისებების (როგორიცაა კოროზიისადმი მდგრადობა და შედუღების მახასიათებლები) მნიშვნელოვნად გაუმჯობესება. დღემდე, მიკროშენადნობა ალუმინის შენადნობების მიკროსტრუქტურის ოპტიმიზაციისა და ალუმინის შენადნობის მასალების ყოვლისმომცველი თვისებების გაუმჯობესების ყველაზე პერსპექტიულ ტექნოლოგიურ განვითარების სტრატეგიად იქცა.სკანდიუმი(Sc) არის ალუმინის შენადნობების ყველაზე ეფექტური მიკროშენადნობის ელემენტის გამაძლიერებელი. სკანდიუმის ხსნადობა ალუმინის მატრიცაში 0.35 წონით%-ზე ნაკლებია. ალუმინის შენადნობებში სკანდიუმის ელემენტის კვალის დამატება ეფექტურად აუმჯობესებს მათ მიკროსტრუქტურას, ყოვლისმომცველად ზრდის მათ სიმტკიცეს, სიმტკიცეს, პლასტიურობას, თერმულ სტაბილურობას და კოროზიისადმი მდგრადობას. სკანდიუმს ალუმინის შენადნობებში მრავალი ფიზიკური ეფექტი აქვს, მათ შორის მყარი ხსნარის გამყარება, ნაწილაკების გამყარება და რეკრისტალიზაციის ინჰიბირება. ეს სტატია წარმოგვიდგენს სკანდიუმის შემცველი ალუმინის შენადნობების ისტორიულ განვითარებას, უახლეს პროგრესს და პოტენციურ გამოყენებას საავიაციო აღჭურვილობის წარმოების სფეროში.

ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის კვლევა და განვითარება

სკანდიუმის, როგორც შენადნობის ელემენტის, ალუმინის შენადნობებში დამატება 1960-იან წლებს უკავშირდება. იმ დროს, სამუშაოების უმეტესობა ბინარულ AlSc და სამმაგ AlMgSc შენადნობის სისტემებში ტარდებოდა. 1970-იან წლებში საბჭოთა მეცნიერებათა აკადემიის ბაიკოვის მეტალურგიისა და მასალათმცოდნეობის ინსტიტუტმა და მსუბუქი შენადნობების კვლევის სრულიად რუსეთის ინსტიტუტმა ჩაატარეს სისტემატური კვლევა ალუმინის შენადნობებში სკანდიუმის ფორმისა და მექანიზმის შესახებ. თითქმის ორმოცი წლის ძალისხმევის შემდეგ, შემუშავდა ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების 14 კლასი სამ ძირითად სერიაში (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). სკანდიუმის ატომების ხსნადობა ალუმინში დაბალია და შესაბამისი თერმული დამუშავების პროცესების გამოყენებით შესაძლებელია მაღალი სიმკვრივის Al3Sc ნანონალექების დალექვა. ეს დალექვის ფაზა თითქმის სფერულია, მცირე ნაწილაკებით და გაფანტული განაწილებით და აქვს კარგი კოჰერენტული ურთიერთობა ალუმინის მატრიცასთან, რამაც შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს ალუმინის შენადნობების სიმტკიცე ოთახის ტემპერატურაზე. გარდა ამისა, Al3Sc ნანო ნალექებს აქვთ კარგი თერმული სტაბილურობა და გახეხვისადმი მდგრადობა მაღალ ტემპერატურაზე (400 ℃-ის ფარგლებში), რაც უაღრესად სასარგებლოა შენადნობის ძლიერი თბომდგრადობისთვის. რუსეთში წარმოებულ ალუმინის სკანდიუმის შენადნობებში, 1570 შენადნობმა დიდი ყურადღება მიიპყრო მისი უმაღლესი სიმტკიცისა და ფართო გამოყენების გამო. ეს შენადნობი ავლენს შესანიშნავ მუშაობას -196 ℃-დან 70 ℃-მდე სამუშაო ტემპერატურის დიაპაზონში და აქვს ბუნებრივი სუპერპლასტიურობა, რომელსაც შეუძლია ჩაანაცვლოს რუსეთში წარმოებული LF6 ალუმინის შენადნობი (ალუმინის მაგნიუმის შენადნობი, რომელიც ძირითადად შედგება ალუმინის, მაგნიუმის, სპილენძის, მანგანუმის და სილიციუმისგან) დატვირთვის მქონე სტრუქტურების შედუღებისთვის თხევად ჟანგბადის გარემოში, მნიშვნელოვნად გაუმჯობესებული შესრულებით. გარდა ამისა, რუსეთში ასევე შემუშავებულია ალუმინის, თუთიის, მაგნიუმის სკანდიუმის შენადნობები, რომლებიც წარმოდგენილია 1970 წლიდან, 500 მპა-ზე მეტი მასალის სიმტკიცით.

ინდუსტრიალიზაციის სტატუსიალუმინის სკანდიუმის შენადნობი

2015 წელს ევროკავშირმა გამოაქვეყნა „ევროპის მეტალურგიული გზამკვლევი: პერსპექტივები მწარმოებლებისა და საბოლოო მომხმარებლებისთვის“, რომელშიც შემოთავაზებული იყო ალუმინის შედუღებადობის შესწავლა.მაგნიუმის სკანდიუმის შენადნობები2020 წლის სექტემბერში ევროკავშირმა გამოაქვეყნა 29 ძირითადი მინერალური რესურსის სია, მათ შორის სკანდიუმის. გერმანიაში Ale Aluminum-ის მიერ შემუშავებულ 5024H116 ალუმინის-მაგნიუმის-სკანდიუმის შენადნობს აქვს საშუალო და მაღალი სიმტკიცე და დაზიანებისადმი მაღალი ტოლერანტობა, რაც მას ფიუზელაჟის საფარისთვის ძალიან პერსპექტიულ მასალად აქცევს. მისი გამოყენება შესაძლებელია ტრადიციული 2xxx სერიის ალუმინის შენადნობების ჩასანაცვლებლად და შეტანილია Airbus-ის AIMS03-01-055 მასალების შესყიდვის წიგნში. 5028 არის 5024-ის გაუმჯობესებული კლასი, შესაფერისი ლაზერული შედუღებისა და ხახუნის შერევის შედუღებისთვის. მას შეუძლია ჰიპერბოლური ინტეგრალური კედლის პანელების ცოცვადი ფორმირების პროცესის მიღწევა, რომელიც კოროზიისადმი მდგრადია და არ საჭიროებს ალუმინის საფარს. 2524 შენადნობთან შედარებით, ფიუზელაჟის კედლის პანელის საერთო სტრუქტურას შეუძლია სტრუქტურული წონის 5%-ით შემცირება. Aili Aluminum Company-ის მიერ წარმოებული AA5024-H116 ალუმინის-სკანდიუმის შენადნობის ფურცელი გამოყენებულია თვითმფრინავის ფიუზელაჟისა და კოსმოსური ხომალდის სტრუქტურული კომპონენტების დასამზადებლად. AA5024-H116 შენადნობის ფურცლის ტიპიური სისქე 1.6 მმ-დან 8.0 მმ-მდეა და დაბალი სიმკვრივის, ზომიერი მექანიკური თვისებების, მაღალი კოროზიისადმი მდგრადობისა და მკაცრი განზომილებიანი გადახრის გამო, მას შეუძლია ჩაანაცვლოს 2524 შენადნობი, როგორც ფიუზელაჟის კანის მასალა. ამჟამად, AA5024-H116 შენადნობის ფურცელი სერტიფიცირებულია Airbus AIMS03-04-055-ის მიერ. 2018 წლის დეკემბერში ჩინეთის ინდუსტრიისა და ინფორმაციული ტექნოლოგიების სამინისტრომ გამოსცა „ძირითადი ახალი მასალების მეორადი გამოყენების დემონსტრაციების პირველი პარტიის სახელმძღვანელო კატალოგი (2018 წლის გამოცემა)“, რომელშიც ახალი მასალების ინდუსტრიის განვითარების კატალოგში შედიოდა „მაღალი სისუფთავის სკანდიუმის ოქსიდი“. 2019 წელს ჩინეთის ინდუსტრიისა და ინფორმაციული ტექნოლოგიების სამინისტრომ გამოსცა „ძირითადი ახალი მასალების დემონსტრაციული გამოყენების პირველი პარტიის სახელმძღვანელო კატალოგი (2019 წლის გამოცემა)“, რომელშიც ახალი მასალების ინდუსტრიის განვითარების კატალოგში შედიოდა „Sc შემცველი ალუმინის შენადნობის დამუშავების მასალები და AlSi-Sc შედუღების მავთულები“. China Aluminum Group Northeast Light Alloy-მ შეიმუშავა AlMgSc Zr სერიის 5B70 შენადნობი, რომელიც შეიცავს სკანდიუმს და ცირკონიუმის შემცველობას. სკანდიუმისა და ცირკონიუმის გარეშე არსებულ ტრადიციულ AlMg სერიის 5083 შენადნობთან შედარებით, მისი დენადობა და დაჭიმვის სიმტკიცე 30%-ზე მეტით გაიზარდა. გარდა ამისა, AlMgScZr შენადნობს შეუძლია შეინარჩუნოს 5083 შენადნობის კოროზიისადმი შედარებითი წინააღმდეგობა. ამჟამად, სამრეწველო კლასის ძირითადი შიდა საწარმოები...ალუმინის სკანდიუმის შენადნობიწარმოების სიმძლავრეებს Northeast Light Alloy Company და Southwest Aluminum Industry წარმოადგენენ. Northeast Light Alloy Co., Ltd.-ის მიერ შემუშავებული დიდი ზომის 5B70 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ფურცელი უზრუნველყოფს დიდი ზომის ალუმინის შენადნობის სქელ ფირფიტებს მაქსიმალური სისქით 70 მმ და მაქსიმალური სიგანით 3500 მმ; თხელი ფურცლოვანი პროდუქტები და პროფილური პროდუქტები შეიძლება მორგებული იყოს წარმოებაზე, სისქის დიაპაზონით 2 მმ-დან 6 მმ-მდე და მაქსიმალური სიგანით 1500 მმ. Southwest Aluminum-მა დამოუკიდებლად შეიმუშავა 5K40 მასალა და მნიშვნელოვანი პროგრესი განიცადა თხელი ფირფიტების შემუშავებაში. AlZnMg შენადნობი არის დროში გამაგრებადი შენადნობი მაღალი სიმტკიცით, კარგი დამუშავების მახასიათებლებით და შესანიშნავი შედუღების მახასიათებლებით. ის შეუცვლელი და მნიშვნელოვანი სტრუქტურული მასალაა თანამედროვე სატრანსპორტო საშუალებებში, როგორიცაა თვითმფრინავები. საშუალო სიმტკიცის შედუღებადი AlZnMg-ის საფუძველზე, სკანდიუმის და ცირკონიუმის შენადნობის ელემენტების დამატებამ შეიძლება წარმოქმნას მცირე და გაფანტული Al3 (Sc, Zr) ნანონაწილაკები მიკროსტრუქტურაში, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს შენადნობის მექანიკურ თვისებებს და კოროზიისადმი მდგრადობას სტრესის მიმართ. NASA-ს ლენგლის კვლევითმა ცენტრმა შეიმუშავა C557 კლასის სამმაგი ალუმინის სკანდიუმის შენადნობი, რომელიც მზადაა სამოდელო მისიებში გამოსაყენებლად. ამ შენადნობის სტატიკური სიმტკიცე, ბზარის გავრცელებისა და მოტეხილობისადმი სიმტკიცე დაბალ ტემპერატურაზე (-200 ℃), ოთახის ტემპერატურაზე და მაღალ ტემპერატურაზე (107 ℃) ტოლია ან უკეთესია 2524 შენადნობისა. ამერიკის შეერთებულ შტატებში, ჩრდილო-დასავლეთის უნივერსიტეტმა შეიმუშავა AlZnMgSc შენადნობი 7000 სერიის ულტრამაღალი სიმტკიცის ალუმინის შენადნობი, რომლის დაჭიმვის სიმტკიცე 680 მპა-მდეა. ჩამოყალიბდა შეერთების განვითარების ნიმუში საშუალო მაღალი სიმტკიცის ალუმინის სკანდიუმის შენადნობასა და ულტრამაღალი სიმტკიცის AlZnMgSc-ს შორის. AlZnMgCuSc შენადნობი არის მაღალი სიმტკიცის ალუმინის შენადნობი, რომლის დაჭიმვის სიმტკიცე 800 მპა-ზე მეტია. ამჟამად, ძირითადი კლასის ნომინალური შემადგენლობა და ძირითადი მახასიათებლები...ალუმინის სკანდიუმის შენადნობიშეჯამებულია შემდეგნაირად, როგორც ეს ნაჩვენებია ცხრილებში 1 და 2.

ცხრილი 1 | ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ნომინალური შემადგენლობა

ცხრილი 2 | ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის მიკროსტრუქტურა და დაჭიმვის თვისებები

ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის გამოყენების პერსპექტივები

მაღალი სიმტკიცის Al-Zn, Mg, Cu-Sc და Al-CuLi-Sc შენადნობები გამოიყენება დატვირთვის მზიდ სტრუქტურულ კომპონენტებზე, მათ შორის რუსულ MiG-21 და MiG-29 გამანადგურებლებზე. რუსული კოსმოსური ხომალდის „მარს-1“-ის დაფა დამზადებულია 1570 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობისგან, რაც საერთო წონას 20%-ით ამცირებს. Mars-96 კოსმოსური ხომალდის ინსტრუმენტული მოდულის დატვირთვის შემცველი კომპონენტები დამზადებულია 1970 ალუმინის შენადნობისგან, რომელიც შეიცავს სკანდიუმს, რაც ინსტრუმენტული მოდულის წონას 10%-ით ამცირებს. „სუფთა ცის“ პროგრამისა და ევროკავშირის „2050 ფრენის მარშრუტის“ პროექტის ფარგლებში, Airbus-მა ჩაატარა ინტეგრირებული სატვირთო სადგომის კარის დიზაინის, კვლევისა და განვითარების, წარმოებისა და მონტაჟის სატესტო ფრენები A321 თვითმფრინავისთვის, რომელიც დაფუძნებულია 5024 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის მემკვიდრე AA5028-H116 ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის საფუძველზე. AA5028-ით წარმოდგენილმა ალუმინის სკანდიუმის შენადნობებმა აჩვენეს შესანიშნავი დამუშავების და შედუღების მახასიათებლები. სკანდიუმის შემცველი ალუმინის შენადნობის მასალების საიმედო შეერთების მისაღწევად გამოიყენება შედუღების მოწინავე ტექნიკა, როგორიცაა ხახუნით შერევის შედუღება და ლაზერული შედუღება. თვითმფრინავის გამაგრებულ თხელფირფიტოვან სტრუქტურებში „შედუღების ნაცვლად მოქლონების“ თანდათანობითი დანერგვა არა მხოლოდ ინარჩუნებს თვითმფრინავის მასალების თანმიმდევრულობას და სტრუქტურულ მთლიანობას, რაც უზრუნველყოფს ეფექტურ და დაბალფასიან წარმოებას, არამედ... წონის შემცირება და დალუქვის ეფექტები. ჩინეთის აერონავტიკის სპეციალური მასალების კვლევის ინსტიტუტის მიერ ალუმინის სკანდიუმის 5B70 შენადნობის გამოყენების კვლევამ გაარღვია ცვლადი კედლის სისქის კომპონენტების ძლიერი დატრიალების, კოროზიისადმი წინააღმდეგობის და სიმტკიცის შესაბამისობის კონტროლის, ასევე შედუღების ნარჩენი დაძაბულობის კონტროლის ტექნოლოგიები. მათ მოამზადეს ალუმინის სკანდიუმის შენადნობის ადაპტური შედუღების მავთული, რომლის შენადნობში სქელი ფირფიტებისთვის ხახუნის შერევის შედუღების შეერთების სიმტკიცის კოეფიციენტი შეიძლება 0.92-ს მიაღწიოს. ჩინეთის კოსმოსური ტექნოლოგიების აკადემიამ, ცენტრალური სამხრეთ უნივერსიტეტმა და სხვებმა ჩაატარეს ვრცელი მექანიკური შესრულების ტესტირება და დამუშავების ექსპერიმენტები 5B70 მასალაზე, განაახლეს და გაიმეორეს 5A06-ის სტრუქტურული მასალის შერჩევის სქემა და დაიწყეს 5B70 ალუმინის შენადნობის გამოყენება კოსმოსური სადგურის დალუქული კაბინის და დაბრუნების კაბინის გამაგრებული კედლის პანელების მთავარ სტრუქტურაზე. ფირფიტის სტრუქტურის წნევით აღჭურვილი კაბინის კედლის პანელი შექმნილია კანისა და გამაგრების ნეკნების კომბინაციით, რაც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ სტრუქტურულ ინტეგრაციას და წონის ოპტიმიზაციას. საერთო სიმტკიცისა და სიმტკიცის გაუმჯობესების პარალელურად, მცირდება შემაერთებელი კომპონენტების რაოდენობა და სირთულე, რითაც კიდევ უფრო მცირდება წონა მაღალი შესრულების შენარჩუნებით. 5B70 მასალის ინჟინერიის გამოყენების ხელშეწყობით, გამოყენება... 5B70 მასალის რაოდენობა თანდათან გაიზრდება და გადააჭარბებს მინიმალური მიწოდების ზღვარს, რაც ხელს შეუწყობს ნედლეულის უწყვეტი წარმოებისა და სტაბილური ხარისხის უზრუნველყოფას და მნიშვნელოვნად შეამცირებს ნედლეულის ფასებს. როგორც ადრე აღვნიშნეთ, მიუხედავად იმისა, რომ სკანდიუმის მიკროშენადნობის გზით გაუმჯობესდა ალუმინის შენადნობების მრავალი თვისება, სკანდიუმის მაღალი ფასი და სიმცირე ზღუდავს ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების გამოყენების დიაპაზონს. ალუმინის შენადნობის მასალებთან შედარებით, როგორიცაა AlCu, AlZn, AlZnMg, სკანდიუმის შემცველ ალუმინის შენადნობის მასალებს აქვთ კარგი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები, კოროზიისადმი მდგრადობა და შესანიშნავი დამუშავების მახასიათებლები, რაც მათ ფართო გამოყენების პერსპექტივებს აძლევს სამრეწველო სფეროებში, როგორიცაა აერონავტიკა, ძირითადი სტრუქტურული კომპონენტების წარმოებაში. სკანდიუმის მიკროშენადნობის ტექნოლოგიის კვლევის უწყვეტი გაღრმავებით და მიწოდების ჯაჭვისა და სამრეწველო ჯაჭვის შესაბამისობის გაუმჯობესებით, ფასისა და ღირებულების ფაქტორები, რომლებიც ზღუდავენ სკანდიუმის ალუმინის შენადნობების ფართომასშტაბიან სამრეწველო გამოყენებას, თანდათან გაუმჯობესდება. ალუმინის სკანდიუმის შენადნობების კარგი ყოვლისმომცველი მექანიკური თვისებები, კოროზიისადმი მდგრადობა და შესანიშნავი დამუშავების მახასიათებლები მათ მკაფიო სტრუქტურულ წონის შემცირების უპირატესობებს და ფართო გამოყენების პოტენციალს აძლევს საავიაციო აღჭურვილობის წარმოების სფეროში.