En tant qu'alliage léger qui est crucial pour l'équipement de transport de l'aviation, les propriétés mécaniques macroscopiques de l'alliage d'aluminium sont étroitement liées à sa microstructure. En modifiant les principaux éléments d'alliage dans la structure de l'alliage en aluminium, la microstructure de l'alliage en aluminium peut être modifiée et les propriétés mécaniques macroscopiques et d'autres propriétés (telles que la résistance à la corrosion et les performances de soudage) du matériau peuvent être considérablement améliorées. Jusqu'à présent, le microalloyage est devenu la stratégie de développement technologique la plus prometteuse pour optimiser la microstructure des alliages d'aluminium et améliorer les propriétés complètes des matériaux en alliage en aluminium.Scandium(SC) est l'amplificateur d'élément de micro-alliage le plus efficace connu pour les alliages d'aluminium. La solubilité du scandium dans la matrice en aluminium est inférieure à 0,35% en poids, l'ajout de traces d'élément de scandium aux alliages d'aluminium peut améliorer efficacement leur microstructure, améliorer de manière approfondie leur résistance, leur dureté, la plasticité, la stabilité thermique et la résistance à la corrosion. Le scandium a plusieurs effets physiques dans les alliages d'aluminium, y compris le renforcement solide de la solution, le renforcement des particules et l'inhibition de la recristallisation. Cet article présentera le développement historique, les dernières progrès et les applications potentielles de Scandium contenant des alliages en aluminium dans le domaine de la fabrication d'équipements d'aviation.
Recherche et développement de l'alliage de scandium en aluminium
L'ajout de scandium comme élément d'alliage aux alliages en aluminium peut être retracé dans les années 1960. À cette époque, la plupart des travaux ont été effectués dans des systèmes d'alliage binaire AL SC et Ternary ALMG SC. Dans les années 1970, l'Institut de métallurgie et les sciences des matériaux de la Baykov de l'Académie soviétique des sciences et de l'Institut de la Russie de la recherche en alliages légers ont mené une étude systématique sur la forme et le mécanisme du scandium dans les alliages d'aluminium. Après près de quarante ans d'efforts, 14 grades d'alliages de scandium en aluminium ont été développés en trois grandes séries (Al MG SC, Al Li SC, Al Zn MG SC). La solubilité des atomes de scandium en aluminium est faible et en utilisant des processus de traitement thermique appropriés, les nano précipités de l'AL3SC à haute densité peuvent être précipités. Cette phase de précipitation est presque sphérique, avec de petites particules et une distribution dispersée, et a une bonne relation cohérente avec la matrice d'aluminium, ce qui peut considérablement améliorer la résistance à la température ambiante des alliages d'aluminium. De plus, les précipités AL3SC Nano ont une bonne stabilité thermique et une résistance grossière à des températures élevées (dans les 400 ℃), ce qui est extrêmement bénéfique pour la forte résistance à la chaleur de l'alliage. Dans les alliages de scandium en aluminium russes, l'alliage 1570 a attiré beaucoup d'attention en raison de sa plus forte force et de sa plus grande application. Cet alliage présente d'excellentes performances dans la plage de températures de travail de -196 ℃ à 70 ℃ et a une superplasticité naturelle, qui peut remplacer l'alliage en aluminium LF6 fabriqué en Russie (un alliage de magnésium en aluminium principalement composé de structures de soudage en aluminium, de magnésium, d'oxygène de liquide, avec des performances significativement améliorées. De plus, la Russie a également développé des alliages de scandium de magnésium de zinc en aluminium, représentés par 1970, avec une résistance matérielle de plus de 500 MPa.
Le statut d'industrialisation deAlliage de scandium en aluminium
En 2015, l'Union européenne a publié la «feuille de route métallurgique européenne: perspectives pour les fabricants et les utilisateurs finaux», proposant d'étudier la soudabilité de l'aluminiumalliages de scandium de magnésium. En septembre 2020, l'Union européenne a publié une liste de 29 ressources minérales clés, dont Scandium. L'alliage de scandium de magnésium en aluminium 5024H116 développé par l'aluminium ALE en Allemagne a une résistance moyenne à élevée et une tolérance aux dommages élevées, ce qui en fait un matériau très prometteur pour la peau du fuselage. Il peut être utilisé pour remplacer les alliages d'aluminium traditionnels de la série 2xxx et a été inclus dans le livre d'approvisionnement en matériaux AIMS03-01-055 d'Airbus. 5028 est une note améliorée de 5024, adaptée au soudage au laser et au soudage des émous. Il peut réaliser le processus de formation de fluage des panneaux de paroi intégrale hyperboliques, qui est résistant à la corrosion et ne nécessite pas de revêtement en aluminium. Comparé à 2524 alliages, la structure globale du panneau mural du fuselage peut atteindre une réduction de poids structurelle de 5%. La feuille d'alliage de scandium en aluminium AA5024-H116 produite par Aili Aluminium Company a été utilisée pour fabriquer des composants structurels du fuselage et du vaisseau spatial. L'épaisseur typique de la feuille d'alliage AA5024-H116 est de 1,6 mm à 8,0 mm, et en raison de sa faible densité, de ses propriétés mécaniques modérées, de sa résistance à la corrosion élevée et de sa déviation dimensionnelle stricte, il peut remplacer 2524 alliage comme matériau de la peau de fuselage. Actuellement, la feuille d'alliage AA5024-H116 a été certifiée par Airbus AIMS03-04-055. En décembre 2018, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information de Chine a publié le «Catalogue directeur du premier lot de manifestations d'application secondaire de nouveaux matériaux clés (édition 2018)», qui comprenait «l'oxyde de scandium de haute pureté» dans le catalogue de développement de l'industrie des nouveaux matériaux. En 2019, le ministère de l'Industrie et des Technologies de l'information de Chine a publié le «Catalogue de guidage pour le premier lot d'applications de démonstration de nouveaux matériaux clés (édition 2019)», qui comprenait «SC contenant des matériaux de traitement en alliage en aluminium et des fils de soudage al si SC» dans le catalogue de développement de l'industrie des nouveaux matériaux. China Aluminium Group Northeast Light Alloy a développé un alliage Al Mg Sc Zr Série 5B70 contenant du scandium et du zirconium. Par rapport à l'alliage traditionnel de la série AL MG 5083 sans scandium et zirconium, son rendement et sa résistance à la traction ont augmenté de plus de 30%. De plus, l'alliage Al Mg Sc Zr peut maintenir une résistance à la corrosion comparable à l'alliage 5083. À l'heure actuelle, les principales entreprises nationales à qualité industriellealliage de scandium en aluminiumLa capacité de production est la Northeast Light Alloy Company et l'industrie du sud-ouest de l'aluminium. La feuille d'alliage de scandium en aluminium de grande taille 5B70 développée par Northeast Light Alloy Co., Ltd. peut fournir de grandes plaques épaisses en alliage en aluminium avec une épaisseur maximale de 70 mm et une largeur maximale de 3500 mm; Les produits à feuilles minces et les produits de profil peuvent être personnalisés pour la production, avec une plage d'épaisseur de 2 mm à 6 mm et une largeur maximale de 1500 mm. L'aluminium sud-ouest a développé indépendamment le matériau 5k40 et fait des progrès significatifs dans le développement de plaques minces. L'alliage Al Zn MG est un alliage de durcissement temporel avec une forte résistance, de bonnes performances de traitement et d'excellentes performances de soudage. Il s'agit d'un matériau structurel indispensable et important dans les véhicules de transport actuels tels que les avions. Sur la base de la résistance moyenne, Alzn Mg, ajoutant des éléments d'alliage de scandium et de zirconium peut former de petites nanoparticules d'Al3 (SC, Zr) dans la microstructure, améliorant considérablement les propriétés mécaniques et la résistance à la corrosion de contrainte de l'alliage. Le Langley Research Center de la NASA a développé un alliage de scandium en aluminium ternaire avec le grade C557, qui est prêt à être appliqué dans les missions modèles. La résistance statique, la propagation des fissures et la ténacité de fracture de cet alliage à basse température (-200 ℃), la température ambiante et la température élevée (107 ℃) sont toutes égales ou meilleures que celles de 2524 alliages. L'Université du Nord-Ouest aux États-Unis a développé l'alliage en aluminium Alzn MG SC ALLIAG 7000 Série Ultra-High Strength, avec une résistance à la traction allant jusqu'à 680 MPA. Un schéma de développement articulaire entre l'alliage de scandium en aluminium à haute résistance moyenne et la résistance ultra-élevée Al Zn Mg SC a été formé. L'alliage Al Zn Mg Cu SC est un alliage d'aluminium à haute résistance avec une résistance à la traction dépassant 800 MPa. À l'heure actuelle, la composition nominale et les paramètres de performance de base des principaux notes dealliage de scandium en aluminiumsont résumés comme suit, comme indiqué dans les tableaux 1 et 2.
Tableau 1 | Composition nominale d'alliage de scandium en aluminium
Tableau 2 | Microstructure et propriétés de traction de l'alliage de scandium en aluminium
Perspectives de demande d'alliage de scandium en aluminium
Les alliages à haute résistance Al Zn Mg Cu Sc et Al Culi SC ont été appliqués aux composants structurels porteurs de charge, y compris les avions de chasse russes MIG-21 et MIG-29. Le tableau de bord du vaisseau spatial russe «Mars-1» est composé de 1570 alliages de scandium en aluminium, avec une réduction totale de poids de 20%. Les composants porteurs de charge du module d'instrument du vaisseau spatial MaRS-96 sont fabriqués en alliage en aluminium 1970 contenant du scandium, réduisant le poids du module d'instrument de 10%. Dans le programme «Clean Sky» et le projet «2050 Flight Route» de l'UE, Airbus a mené des vols de conception de portes, de recherche et développement, de fabrication et d'installation intégrés pour les avions A321 basés sur le SCANDIUM SCANDIUM ALLIUM ALLODIUM ALLODIUM de grade AA502888. Les alliages de scandium en aluminium représentés par AA5028 ont démontré d'excellentes performances de traitement et de soudage. L'utilisation de techniques de soudage avancées telles que le soudage de la médaille de frottement et le soudage au laser pour obtenir une connexion fiable des matériaux en alliage en aluminium contenant du scandium. La mise en œuvre progressive de «soudage au lieu de riveter» dans les structures de plaques minces renforcées des avions maintient non seulement la consistance des matériaux d'avion et de l'intégrité structurelle, réalisant une fabrication efficace et à faible coût, mais a également des effets de réduction et d'étanchéité du poids. La recherche sur les applications de l'alliage d'alliage de scandium 5b70 en aluminium par China Aerospace Special Materials Research Institute a brisé les technologies de rotation forte des composants d'épaisseur de paroi variables, de contrôle de la résistance à la corrosion et de l'appariement de la résistance et du contrôle de la contrainte résiduelle de soudage. Il a préparé un fil de soudage adaptatif en alliage en alliage en alliage en aluminium, et le coefficient de résistance au joint de soudage de médaille de frottement pour les plaques épaisses dans l'alliage peut atteindre 0,92. La technologie de la Chine Academy of Space, Central South University et d'autres ont effectué de vastes expériences de tests de performances mécaniques et de processus sur le matériau 5B70, amélioré et itéré le schéma de sélection des matériaux structurels pour 5A06, et ont commencé à appliquer l'alliage en aluminium 5B70 sur la structure principale de la cabine de retour scellée de la station spatiale. Le panneau mural global de la cabine sous pression sur la structure de la plaque est conçu avec une combinaison de peau et de côtes de renforcement, atteignant une intégration structurelle et une optimisation de poids plus élevées. Tout en améliorant la rigidité et la résistance globales, il réduit le nombre et la complexité des composants de connexion, réduisant ainsi le poids tout en maintenant des performances élevées. Avec la promotion de l'application de l'ingénierie des matériaux 5B70, l'utilisation de matériaux 5B70 augmentera et dépassera progressivement le seuil d'offre minimum, ce qui contribuera à assurer la production continue et la qualité stable des matières premières, et réduira considérablement les prix des matières premières. Comme mentionné précédemment, bien que de nombreuses propriétés des alliages d'aluminium aient été améliorées par micro-alliage de scandium, le prix élevé et la rareté du scandium limitent la plage d'application des alliages de scandium en aluminium. Par rapport aux matériaux en alliage en aluminium tels que Al Cu, Al Zn, Al Znmg, le scandium contenant des matériaux en alliage en aluminium ont de bonnes propriétés mécaniques complètes, une résistance à la corrosion et d'excellentes caractéristiques de traitement, qui les font avoir des perspectives d'application larges dans la fabrication de composants structurels principaux dans des champs industriels tels que l'aérospace. Avec l'approfondissement continu des recherches sur la technologie de micro-alliage de scandium et l'amélioration de l'appariement de la chaîne d'approvisionnement et de la chaîne industrielle, les facteurs de prix et de coût qui restreignent l'application industrielle à grande échelle des alliages d'aluminium de scandium s'amélioreront progressivement. Les bonnes propriétés mécaniques complètes, la résistance à la corrosion et les excellentes caractéristiques de traitement des alliages de scandium en aluminium font que les avantages de réduction du poids structurel sont clairs et un large potentiel d'application dans le domaine de la fabrication d'équipements d'aviation.
Heure du poste: oct-29-2024