Havacılık ulaşım ekipmanları için hayati önem taşıyan hafif bir alaşım olarak alüminyum alaşımının makroskobik mekanik özellikleri mikro yapısıyla yakından ilişkilidir. Alüminyum alaşım yapısındaki ana alaşım elementlerini değiştirerek alüminyum alaşımının mikro yapısı değiştirilebilir ve malzemenin makroskobik mekanik özellikleri ve diğer özellikleri (korozyon direnci ve kaynak performansı gibi) önemli ölçüde iyileştirilebilir. Şimdiye kadar mikro alaşımlama, alüminyum alaşımlarının mikro yapısını optimize etmek ve alüminyum alaşımlı malzemelerin kapsamlı özelliklerini iyileştirmek için en umut verici teknolojik geliştirme stratejisi haline gelmiştir.İskandiyum(Sc), alüminyum alaşımları için bilinen en etkili mikro alaşım element güçlendiricidir. Skandiyumun alüminyum matrisindeki çözünürlüğü %0,35 ağırlıktan azdır. Alüminyum alaşımlarına eser miktarda skandiyum elementi eklemek, mikro yapılarını etkili bir şekilde iyileştirebilir, mukavemetlerini, sertliklerini, plastisitelerini, termal kararlılıklarını ve korozyon dirençlerini kapsamlı bir şekilde artırabilir. Skandiyumun alüminyum alaşımlarında katı çözelti güçlendirme, parçacık güçlendirme ve yeniden kristalleşmenin engellenmesi gibi birden fazla fiziksel etkisi vardır. Bu makale, havacılık ekipmanı üretimi alanında skandiyum içeren alüminyum alaşımlarının tarihsel gelişimini, son ilerlemesini ve potansiyel uygulamalarını tanıtacaktır.
Alüminyum Skandiyum Alaşımının Araştırma ve Geliştirmesi
Alüminyum alaşımlarına alaşım elementi olarak skandiyum eklenmesi 1960'lara kadar uzanmaktadır. O zamanlar, çalışmaların çoğu ikili Al Sc ve üçlü Al Mg Sc alaşım sistemlerinde gerçekleştiriliyordu. 1970'lerde, Sovyet Bilimler Akademisi Baykov Metalurji ve Malzeme Bilimi Enstitüsü ve Tüm Rusya Hafif Alaşım Araştırma Enstitüsü, alüminyum alaşımlarındaki skandiyumun formu ve mekanizması üzerine sistematik bir çalışma yürüttü. Yaklaşık kırk yıllık çabanın ardından, üç ana seride (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc) 14 derece alüminyum skandiyum alaşımı geliştirildi. Skandiyum atomlarının alüminyumdaki çözünürlüğü düşüktür ve uygun ısıl işlem süreçleri kullanılarak yüksek yoğunluklu Al3Sc nano çökeltileri çökeltilebilir. Bu çökelme fazı, küçük parçacıklar ve dağılmış dağılım ile neredeyse küreseldir ve alüminyum matris ile iyi bir tutarlı ilişkiye sahiptir, bu da alüminyum alaşımlarının oda sıcaklığı mukavemetini büyük ölçüde artırabilir. Ek olarak, Al3Sc nano çökeltileri, alaşımın güçlü ısı direnci için son derece yararlı olan yüksek sıcaklıklarda (400 ℃ içinde) iyi termal kararlılığa ve kabalaşma direncine sahiptir. Rus yapımı alüminyum skandiyum alaşımlarında, 1570 alaşımı en yüksek mukavemeti ve en geniş uygulaması nedeniyle çok ilgi çekmiştir. Bu alaşım, -196 ℃ ila 70 ℃ çalışma sıcaklığı aralığında mükemmel performans gösterir ve sıvı oksijen ortamında yük taşıyan kaynak yapıları için Rus yapımı LF6 alüminyum alaşımının (çoğunlukla alüminyum, magnezyum, bakır, manganez ve silikondan oluşan bir alüminyum magnezyum alaşımı) yerini alabilecek doğal süperplastisiteye sahiptir ve önemli ölçüde iyileştirilmiş performansa sahiptir. Ek olarak, Rusya, 1970'te temsil edilen, 500 MPa'nın üzerinde bir malzeme mukavemetine sahip alüminyum çinko magnezyum skandiyum alaşımlarını da geliştirmiştir.
Sanayileşme DurumuAlüminyum İskandyum Alaşımı
Avrupa Birliği, 2015 yılında alüminyumun kaynaklanabilirliğini incelemeyi öneren “Avrupa Metalurji Yol Haritası: Üreticiler ve Son Kullanıcılar İçin Beklentiler” adlı raporu yayınladımagnezyum skandiyum alaşımları. Eylül 2020'de Avrupa Birliği, skandiyum da dahil olmak üzere 29 önemli mineral kaynağının bir listesini yayınladı. Almanya'da Ale Aluminium tarafından geliştirilen 5024H116 alüminyum magnezyum skandiyum alaşımı, orta ila yüksek mukavemete ve yüksek hasar toleransına sahiptir ve bu da onu gövde kaplaması için çok umut verici bir malzeme haline getirir. Geleneksel 2xxx serisi alüminyum alaşımlarının yerine kullanılabilir ve Airbus'ın AIMS03-01-055 malzeme tedarik defterine dahil edilmiştir. 5028, lazer kaynağı ve sürtünme karıştırma kaynağı için uygun olan 5024'ün geliştirilmiş bir sınıfıdır. Korozyona dayanıklı ve alüminyum kaplaması gerektirmeyen hiperbolik integral duvar panellerinin sürünme şekillendirme sürecini gerçekleştirebilir. 2524 alaşımıyla karşılaştırıldığında, gövdenin genel duvar paneli yapısı %5 yapısal ağırlık azaltımı sağlayabilir. Aili Aluminium Company tarafından üretilen AA5024-H116 alüminyum skandiyum alaşımlı sac, uçak gövdesi ve uzay aracı yapısal bileşenlerini üretmek için kullanılmıştır. AA5024-H116 alaşımlı sacın tipik kalınlığı 1,6 mm ile 8,0 mm arasındadır ve düşük yoğunluğu, orta mekanik özellikleri, yüksek korozyon direnci ve sıkı boyutsal sapması nedeniyle gövde kaplama malzemesi olarak 2524 alaşımının yerini alabilir. Şu anda AA5024-H116 alaşımlı sac Airbus AIMS03-04-055 tarafından onaylanmıştır. Aralık 2018'de Çin Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı, yeni malzeme endüstrisinin geliştirme kataloğuna “yüksek saflıkta skandiyum oksit”i de dahil eden “Anahtar Yeni Malzemelerin İlk İkincil Uygulama Gösterimleri İçin Rehber Kataloğu (2018 Baskısı)” yayınladı. 2019 yılında Çin Sanayi ve Bilgi Teknolojileri Bakanlığı, yeni malzeme endüstrisinin geliştirme kataloğunda “Alüminyum alaşımlı işleme malzemeleri ve Al Si Sc kaynak telleri içeren Sc”yi içeren “Ana Yeni Malzemelerin İlk Parti Gösterim Uygulamaları için Rehber Kataloğu (2019 Baskısı)” yayınladı. China Aluminium Group Northeast Light Alloy, skandiyum ve zirkonyum içeren bir Al Mg Sc Zr serisi 5B70 alaşımı geliştirdi. Skandiyum ve zirkonyum içermeyen geleneksel Al Mg serisi 5083 alaşımıyla karşılaştırıldığında, akma ve çekme dayanımı %30'dan fazla artmıştır. Dahası, Al Mg Sc Zr alaşımı, 5083 alaşımıyla karşılaştırılabilir korozyon direncini koruyabilir. Şu anda, endüstriyel sınıfalüminyum skandiyum alaşımıÜretim kapasitesi Northeast Light Alloy Company ve Southwest Aluminium Industry'dir. Northeast Light Alloy Co., Ltd. tarafından geliştirilen büyük boyutlu 5B70 alüminyum skandiyum alaşımlı sac, maksimum 70 mm kalınlığında ve maksimum 3500 mm genişliğinde büyük alüminyum alaşımlı kalın levhalar tedarik edebilir; İnce sac ürünleri ve profil ürünleri, 2 mm ila 6 mm kalınlık aralığında ve maksimum 1500 mm genişlikte üretim için özelleştirilebilir. Southwest Aluminium, 5K40 malzemesini bağımsız olarak geliştirdi ve ince levhaların geliştirilmesinde önemli ilerleme kaydetti. Al Zn Mg alaşımı, yüksek mukavemet, iyi işleme performansı ve mükemmel kaynak performansına sahip zamanla sertleşen bir alaşımdır. Uçaklar gibi günümüz ulaşım araçlarında vazgeçilmez ve önemli bir yapısal malzemedir. Orta mukavemetli kaynaklanabilir AlZn Mg temelinde, skandiyum ve zirkonyum alaşım elementlerinin eklenmesi, mikro yapıda küçük ve dağılmış Al3 (Sc, Zr) nanopartikülleri oluşturabilir ve alaşımın mekanik özelliklerini ve gerilim korozyon direncini önemli ölçüde iyileştirebilir. NASA'nın Langley Araştırma Merkezi, model görevlerde kullanılmaya hazır C557 sınıfında üçlü bir alüminyum skandiyum alaşımı geliştirdi. Bu alaşımın düşük sıcaklıkta (-200 ℃), oda sıcaklığında ve yüksek sıcaklıkta (107 ℃) statik mukavemeti, çatlak yayılımı ve kırılma tokluğu, 2524 alaşımınınkine eşit veya daha iyidir. ABD'deki Northwestern Üniversitesi, 680 MPa'ya kadar çekme mukavemetine sahip AlZn Mg Sc alaşımı 7000 serisi ultra yüksek mukavemetli alüminyum alaşımını geliştirdi. Orta yüksek mukavemetli alüminyum skandiyum alaşımı ve ultra yüksek mukavemetli Al Zn Mg Sc arasında ortak bir geliştirme modeli oluşturuldu. Al Zn Mg Cu Sc alaşımı, 800 MPa'yı aşan çekme mukavemetine sahip yüksek mukavemetli bir alüminyum alaşımıdır. Şu anda, ana sınıfların nominal bileşimi ve temel performans parametrelerialüminyum skandiyum alaşımıTablo 1 ve 2'de gösterildiği gibi özetlenmiştir.
Tablo 1 | Alüminyum İskandyum Alaşımının Nominal Bileşimi
Tablo 2 | Alüminyum İskandyum Alaşımının Mikro Yapısı ve Çekme Özellikleri
Alüminyum skandiyum alaşımının uygulama beklentileri
Yüksek mukavemetli Al Zn Mg Cu Sc ve Al CuLi Sc alaşımları, Rus MiG-21 ve MiG-29 savaş uçakları da dahil olmak üzere yük taşıyan yapısal bileşenlere uygulanmıştır. Rus uzay aracı “Mars-1″in gösterge paneli, toplam ağırlıkta %20 azalma sağlayan 1570 alüminyum skandiyum alaşımından yapılmıştır. Mars-96 uzay aracının alet modülünün yük taşıyan bileşenleri, skandiyum içeren 1970 alüminyum alaşımından yapılmıştır ve alet modülünün ağırlığını %10 oranında azaltmıştır. “Temiz Gökyüzü” programı ve AB'nin “2050 Uçuş Rotası” projesinde Airbus, 5024 alüminyum skandiyum alaşımının halefi olan AA5028-H116 alüminyum skandiyum alaşımına dayalı A321 uçağı için entegre kargo ambar kapısı tasarımı, araştırma ve geliştirme, üretim ve montaj test uçuşları gerçekleştirmiştir. AA5028 ile temsil edilen alüminyum skandiyum alaşımları mükemmel işleme ve kaynak performansı göstermiştir. Skandiyum içeren alüminyum alaşımlı malzemelerin güvenilir bir şekilde bağlanması için sürtünme karıştırma kaynağı ve lazer kaynağı gibi gelişmiş kaynak tekniklerinin kullanılması. Uçak takviyeli ince levha yapılarında “perçinleme yerine kaynak” uygulamasının kademeli olarak uygulanması yalnızca uçak malzemelerinin tutarlılığı ve yapısal bütünlük, verimli ve düşük maliyetli üretim elde etmek, ancak aynı zamanda ağırlık azaltma ve sızdırmazlık etkilerine de sahiptir. Çin Havacılık Özel Malzemeler Araştırma Enstitüsü tarafından alüminyum skandiyum 5B70 alaşımının uygulama araştırması, değişken duvar kalınlığı bileşenlerinin güçlü döndürülmesi, korozyon direncinin ve mukavemet eşleşmesinin kontrolü ve kaynak kalıntı geriliminin kontrolü teknolojilerinde çığır açmıştır. Alüminyum skandiyum alaşımlı adaptif kaynak teli hazırlamıştır ve alaşımdaki kalın plakalar için sürtünme karıştırma kaynağının birleşim mukavemet katsayısı 0,92'ye ulaşabilir. Çin Uzay Teknolojisi Akademisi, Orta Güney Üniversitesi ve diğerleri, 5B70 malzemesi üzerinde kapsamlı mekanik performans testi ve süreç deneyleri gerçekleştirmiş, 5A06 için yapısal malzeme seçim şemasını yükseltmiş ve yinelemiş ve 5B70 alüminyum alaşımını uzay istasyonunun kapalı kabininin ve dönüş kabininin genel takviyeli duvar panellerinin ana yapısına uygulamaya başlamıştır. Plaka yapı basınçlı kabinin genel duvar paneli, daha yüksek yapısal bütünleşme ve ağırlık optimizasyonu elde eden bir cilt ve takviye kaburga kombinasyonu ile tasarlanmıştır. Genel sertliği ve mukavemeti iyileştirirken, bağlantı bileşenlerinin sayısını ve karmaşıklığını azaltır, böylece Yüksek performansı korurken ağırlığı daha da azaltmak. 5B70 malzeme mühendisliğinin uygulanmasının teşvik edilmesiyle, 5B70 malzemesinin kullanımı kademeli olarak artacak ve minimum tedarik eşiğini aşacak, bu da hammaddelerin sürekli üretimini ve istikrarlı kalitesini sağlamaya yardımcı olacak ve hammadde fiyatlarını önemli ölçüde azaltacaktır. Daha önce belirtildiği gibi, alüminyum alaşımlarının birçok özelliği skandiyum mikro alaşımlama yoluyla iyileştirilmiş olsa da, skandiyumun yüksek fiyatı ve kıtlığı alüminyum skandiyum alaşımlarının uygulama aralığını sınırlar. Al Cu, Al Zn, Al ZnMg gibi alüminyum alaşımlı malzemelerle karşılaştırıldığında, skandiyum içeren alüminyum alaşımlı malzemeler iyi kapsamlı mekanik özelliklere, korozyon direncine ve mükemmel işleme özelliklerine sahiptir ve bu da onları havacılık gibi endüstriyel alanlarda ana yapısal bileşenlerin üretiminde geniş uygulama beklentilerine sahip kılar. Skandiyum mikro alaşımlama teknolojisi üzerine araştırmaların sürekli derinleşmesi ve tedarik zinciri ile endüstriyel zincir eşleşmesinin iyileştirilmesiyle, skandiyum alüminyum alaşımlarının büyük ölçekli endüstriyel uygulamasını kısıtlayan fiyat ve maliyet faktörleri kademeli olarak iyileşecektir. Alüminyum skandiyum alaşımlarının iyi kapsamlı mekanik özellikleri, korozyon direnci ve mükemmel işleme özellikleri, Bunların yapısal ağırlık azaltma avantajları belirgindir ve havacılık ekipmanları imalatı alanında geniş uygulama potansiyeline sahiptirler.
Gönderi zamanı: 29-Eki-2024