航空輸送機器に不可欠な軽合金であるアルミニウム合金のマクロ的な機械的特性は、そのミクロ組織と密接に関連しています。アルミニウム合金組織における主要な合金元素を変更することで、アルミニウム合金のミクロ組織を変化させ、マクロ的な機械的特性やその他の特性（耐食性や溶接性など）を大幅に向上させることができます。現在、マイクロアロイングは、アルミニウム合金のミクロ組織を最適化し、アルミニウム合金材料の総合的な特性を向上させるための最も有望な技術開発戦略となっています。スカンジウムスカンジウム（Sc）は、アルミニウム合金において最も効果的なマイクロアロイング元素強化剤として知られています。アルミニウムマトリックスにおけるスカンジウムの溶解度は0.35重量%未満です。微量のスカンジウム元素をアルミニウム合金に添加することで、ミクロ組織を効果的に改善し、強度、硬度、可塑性、熱安定性、耐食性を総合的に向上させることができます。スカンジウムは、アルミニウム合金において、固溶強化、粒子強化、再結晶抑制など、様々な物理的効果をもたらします。本稿では、航空機器製造分野におけるスカンジウム含有アルミニウム合金の歴史的発展、最新の進歩、そして潜在的な用途について紹介します。
アルミニウムスカンジウム合金の研究開発
アルミニウム合金への合金元素としてのスカンジウムの添加は、1960年代にまで遡ります。当時、研究のほとんどは2元Al Scおよび3元AlMg Sc合金系で行われました。1970年代には、ソビエト科学アカデミーのバイコフ冶金・材料科学研究所と全ロシア軽合金研究所が、アルミニウム合金中のスカンジウムの形態とメカニズムについて体系的な研究を行いました。約40年間の努力を経て、3つの主要シリーズ（Al Mg Sc、Al Li Sc、Al Zn Mg Sc）で14グレードのアルミニウムスカンジウム合金が開発されました。アルミニウム中のスカンジウム原子の溶解度は低く、適切な熱処理プロセスを使用することで、高密度のAl3Scナノ析出物を析出させることができます。この析出相はほぼ球形で、粒子が小さく分散して分布しており、アルミニウムマトリックスと良好な整合性を持ち、アルミニウム合金の室温強度を大幅に向上させることができます。さらに、Al3Scナノ析出物は高温（400℃以内）で優れた熱安定性と粗大化耐性を備えており、合金の強力な耐熱性に非常に有利です。ロシア製のアルミニウムスカンジウム合金の中で、1570合金は最高の強度と最も広い用途で多くの注目を集めています。この合金は、-196℃〜70℃の使用温度範囲で優れた性能を発揮し、自然な超塑性を備えているため、液体酸素媒体での荷重支持溶接構造用のロシア製のLF6アルミニウム合金（主にアルミニウム、マグネシウム、銅、マンガン、シリコンで構成されるアルミニウムマグネシウム合金）を置き換えることができ、性能が大幅に向上します。さらに、ロシアは1970に代表される材料強度が500MPaを超えるアルミニウム亜鉛マグネシウムスカンジウム合金も開発しました。
工業化の状況アルミニウムスカンジウム合金
2015年、欧州連合は「欧州冶金ロードマップ：製造業者とエンドユーザーの展望」を発表し、アルミニウムの溶接性を研究することを提案した。マグネシウム・スカンジウム合金2020年9月、欧州連合（EU）はスカンジウムを含む29の主要鉱物資源リストを発表しました。ドイツのAle Aluminumが開発した5024H116アルミニウムマグネシウムスカンジウム合金は、中〜高強度と高い損傷許容度を備えており、機体外板に非常に有望な材料です。従来の2xxxシリーズアルミニウム合金の代替として使用でき、エアバスのAIMS03-01-055材料調達ブックに掲載されています。5028は5024の改良グレードで、レーザー溶接と摩擦攪拌接合に適しています。双曲面一体型壁パネルのクリープ成形プロセスを実現でき、耐腐食性があり、アルミニウムコーティングを必要としません。2524合金と比較して、機体全体の壁パネル構造は5％の構造軽量化を実現できます。Aili Aluminum Companyが製造したAA5024-H116アルミニウムスカンジウム合金板は、航空機の胴体や宇宙船の構造部品の製造に使用されています。 AA5024-H116合金板の標準的な厚さは1.6mm～8.0mmで、低密度、適度な機械的特性、高い耐腐食性、そして厳格な寸法偏差といった特性から、機体外板材として2524合金の代替として活用されています。現在、AA5024-H116合金板はエアバスAIMS03-04-055の認証を取得しています。2018年12月、中国工業情報化部は「重点新材料二次応用実証第一陣指導目録（2018年版）」を発表し、「高純度スカンジウム酸化物」を新材料産業発展目録に含めました。 2019年、中国工業情報化部は「重点新材料第一回実証応用指導目録（2019年版）」を発表し、新材料産業の発展目録に「Sc含有アルミニウム合金加工材料とAl Si Sc溶接線」を収録した。中国アルミグループ東北軽合金は、スカンジウムとジルコニウムを含有するAl Mg Sc Zr系5B70合金を開発した。スカンジウムとジルコニウムを含まない従来のAl Mg系5083合金と比較して、降伏強度と引張強度が30%以上向上した。さらに、Al Mg Sc Zr合金は5083合金と同等の耐食性を維持できる。現在、工業用グレードのAl Mg Sc Zr合金を開発している国内の主要企業は、この合金を開発している。アルミニウムスカンジウム合金生産能力は、東北軽合金公司と西南アルミ工業の2社です。東北軽合金公司が開発した大型5B70アルミスカンジウム合金板は、最大厚さ70mm、最大幅3500mmの大型アルミ合金厚板を供給できます。薄板製品とプロファイル製品はカスタマイズして生産でき、厚さは2mmから6mm、最大幅は1500mmです。西南アルミは5K40材を自主開発し、薄板開発において大きな進歩を遂げました。Al Zn Mg合金は、高強度、良好な加工性、優れた溶接性を備えた時間硬化型合金で、現在の飛行機などの輸送車両に欠かせない重要な構造材料です。中強度で溶接可能なAlZn Mgをベースに、スカンジウムとジルコニウムの合金元素を添加することで、微細組織中に小さく分散したAl3（Sc、Zr）ナノ粒子を形成でき、合金の機械的性質と耐応力腐食性が大幅に向上します。 NASAラングレー研究センターは、モデルミッションに適用可能なグレードC557の三元アルミニウムスカンジウム合金を開発しました。この合金の低温（-200℃）、室温、高温（107℃）における静的強度、亀裂伝播、破壊靭性は、いずれも2524合金と同等かそれ以上です。米国ノースウェスタン大学は、最大680MPaの引張強度を持つ7000シリーズの超高強度アルミニウム合金AlZn Mg Scを開発しました。中高強度アルミニウムスカンジウム合金と超高強度Al Zn Mg Scの共同開発のパターンが形成されています。Al Zn Mg Cu Sc合金は、引張強度が800MPaを超える高強度アルミニウム合金です。現在、主要グレードの公称組成と基本性能パラメータは、アルミニウムスカンジウム合金表1および表2に示すように、以下のようにまとめられます。
表1 | アルミニウムスカンジウム合金の公称組成
表2 | アルミニウムスカンジウム合金の微細構造と引張特性
アルミニウムスカンジウム合金の応用展望
高強度 Al Zn Mg Cu Sc および Al CuLi Sc 合金は、ロシアの MiG-21 および MiG-29 戦闘機を含む荷重支持構造部品に適用されています。ロシアの宇宙船「Mars-1」のダッシュボードは1570アルミニウムスカンジウム合金で作られており、総重量が20%削減されています。Mars-96宇宙船の計器モジュールの荷重支持部品は、スカンジウムを含む1970アルミニウム合金で作られており、計器モジュールの重量が10%削減されています。「クリーンスカイ」プログラムとEUの「2050フライトルート」プロジェクトにおいて、エアバスは5024アルミニウムスカンジウム合金の後継グレードAA5028-H116アルミニウムスカンジウム合金をベースに、A321機の貨物室ドアの設計、研究開発、製造、設置試験飛行を統合的に実施しました。AA5028に代表されるアルミニウムスカンジウム合金は、優れた加工性と溶接性を示しました。摩擦攪拌接合やレーザー溶接などの高度な溶接技術を活用することで、スカンジウムを含むアルミニウム合金材料の信頼性の高い接合を実現しています。航空機の補強薄板構造における「リベット接合に代わる溶接」の段階的な導入は、強度を維持するだけでなく、航空機材料の一貫性と構造的完全性を維持し、効率的で低コストの製造を実現するだけでなく、軽量化と密閉効果も実現しています。中国航天特殊材料研究所によるアルミニウム・スカンジウム5B70合金の応用研究では、可変壁厚部品の強スピニング、耐食性と強度マッチングの制御、溶接残留応力の制御といった技術革新を実現しました。同研究所はアルミニウム・スカンジウム合金のアダプティブ溶接ワイヤを開発し、厚板の摩擦攪拌接合における接合強度係数は0.92に達しています。中国宇宙技術研究院、中南大学などは、5B70材の広範な機械性能試験とプロセス実験を実施し、5A06の構造材料選定スキームをアップグレード・反復し、宇宙ステーションの密閉キャビンと帰還キャビンの全体補強壁パネルの主要構造に5B70アルミニウム合金の適用を開始しました。板構造与圧キャビンの全体壁パネルは、外板と補強リブを組み合わせて設計されており、構造の一体化と重量の最適化を実現しています。全体の剛性と強度を向上させると同時に、リブの数と厚さを削減しています。接続部品の複雑さを緩和し、高性能を維持しながら軽量化をさらに進めることができます。5B70材料工学の応用推進に伴い、5B70材の使用量は徐々に増加し、最小供給閾値を超える見込みです。これにより、原材料の継続的な生産と安定した品質が確保され、原材料価格が大幅に低下します。前述のように、アルミニウム合金の多くの特性はスカンジウムマイクロアロイングによって向上してきましたが、スカンジウムの高価格と希少性により、アルミニウム・スカンジウム合金の適用範囲は限られています。Al Cu、Al Zn、Al ZnMgなどのアルミニウム合金材料と比較して、スカンジウム含有アルミニウム合金材料は、優れた総合的な機械的特性、耐食性、優れた加工性を備えており、航空宇宙などの産業分野の主要構造部品の製造において幅広い応用が期待されています。スカンジウムマイクロアロイング技術の研究が継続的に深まり、サプライチェーンと産業チェーンのマッチングが改善されるにつれて、スカンジウムアルミニウム合金の大規模な産業応用を制限する価格とコスト要因は徐々に改善されるでしょう。アルミニウムの優れた総合的な機械的特性、耐食性、優れた加工性は、スカンジウム合金は、構造上の重量軽減という明らかな利点があり、航空機器製造の分野で幅広い応用の可能性を秘めています。
投稿日時: 2024年10月29日