航空輸送機器にとって重要な光合金として、アルミニウム合金の巨視的な機械的特性は、その微細構造と密接に関連しています。アルミニウム合金構造の主要な合金要素を変更することにより、アルミニウム合金の微細構造を変更でき、材料の巨視的な機械的特性やその他の特性（腐食抵抗や溶接性能など）を大幅に改善できます。これまで、マイクロアロは、アルミニウム合金の微細構造を最適化し、アルミニウム合金材料の包括的な特性を改善す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（SC）は、アルミニウム合金で知られている最も効果的なマイクロアロイングエレンエンサーです。アルミニウムマトリックスへのスカンジウムの溶解度は0.35 wt。％未満であり、アルミニウム合金に微量のスカンジウム元素を追加すると、微細構造を効果的に改善し、強度、硬度、可塑性、熱安定性、耐食性を包括的に向上させることができます。スカンジウムは、固形溶液の強化、粒子の強化、再結晶の阻害など、アルミニウム合金に複数の物理的効果があります。この記事では、航空機器製造の分野におけるアルミニウム合金を含むスカンジウムの歴史的発展、最新の進歩、および潜在的な用途を紹介します。
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要素としてのスカンジウムの追加は、1960年代にまでさかのぼることができます。当時、ほとんどの作業は、バイナリAl SCおよび三元ALMG SC合金システムで実施されていました。 1970年代、ソビエト科学アカデミーの冶金材料科学のバイコフ科学とロシアの光合金研究所は、アルミニウム合金のスカンジウムの形態とメカニズムに関する体系的な研究を実施しました。ほぼ40年間の労力を費やした後、3つの主要なシリーズ（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により、高密度AL3SCナノ沈殿物を沈殿させることができます。この降水段階は、小さな粒子と分散分布を備えたほぼ球形であり、アルミニウムマトリックスと良好なコヒーレントな関係を持ち、アルミニウム合金の室温強度を大幅に改善できます。さらに、Al3Sc Nano沈殿物は、高温での熱安定性と粗耐性（400°以内）であり、これは合金の強い耐熱性に非常に有益です。ロシアで作られたアルミニウムスカンジウム合金では、1570合金が最高の強度と最も広い用途のために多くの注目を集めています。この合金は、-196から70の作業温度範囲で優れた性能を示し、自然の超塑性を持ち、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、およびシリコン）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ます。さらに、ロシアは、1970年までに代表され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ており、500MPAを超える材料強度があります。
の工業化ステータスアルミニウムスカンジウム合金
2015年、欧州連合は「欧州の冶金ロードマップ：メーカーとエンドユーザーの見通し」をリリースし、アルミニウムの溶接性を研究することを提案しました。マグネシウムスカンジウム合金。 2020年9月、欧州連合は、スカンジウムを含む29の主要な鉱物資源のリストをリリースしました。ドイツのエールアルミニウムによって開発された5024H116アルミニウムマグネシウムスカンジウム合金は、中程度から高強度と高い損傷耐性を持ち、胴体皮膚にとって非常に有望な材料になっています。従来の2XXXシリーズのアルミニウム合金を交換するために使用でき、AirbusのAIMS03-01-055マテリアル調達帳に含まれています。 5028は、レーザー溶接と摩擦攪拌溶接に適した5024の改善されたグレードです。耐性耐性でアルミニウムコーティングを必要としない双曲線積分壁パネルのクリープ形成プロセスを実現できます。 2524合金と比較して、胴体の全体的な壁パネル構造は、5％の構造体重減少を達成できます。 AILIアルミニウム会社が生産するAA5024-H116アルミニウムスカンジウム合金シートは、航空機の胴体と宇宙船構造成分の製造に使用されています。 AA5024-H116合金シートの典型的な厚さは1.6mmから8.0mmであり、その低密度、中程度の機械的特性、高耐食性、および厳密な寸法偏差により、胴体皮膚材料として2524合金を置き換えることができます。現在、AA5024-H116合金シートは、Airbus AIMS03-04-055によって認定されています。 2018年12月、中国の産業情報技術省は、新しい材料産業の開発カタログに「高純度のスカンジウム酸化物」を含む「主要な新しい材料の二次アプリケーションデモンストレーション（2018年版）の最初のバッチのガイドカタログ」をリリースしました。 2019年、中国の産業情報技術省は、新しい材料産業の開発カタログに「アルミニウム合金加工材料とAl Si SC溶接ワイヤを含むSCを含む、主要な新しい材料のデモアプリケーションの最初のバッチのガイドカタログ（2019年版）」をリリースしました。中国アルミニウム群北東光合金は、スカンジウムとジルコニウムを含むAl Mg SC ZRシリーズ5B70合金を開発しました。スカンジウムとジルコニウムのない従来のAL MGシリーズ5083合金と比較して、その収量と引張強度は30％以上増加しています。さらに、Al Mg Sc Zr合金は、5083合金に匹敵する腐食抵抗を維持できます。現在、産業グレードの主要な国内企業アルミニウムスカンジウム合金生産能力は、北東光合金会社と南西アルミニウム産業です。 Northeast Light Alloy Co.、Ltd。によって開発された大規模5B70アルミニウムスカンジウム合金シートは、最大厚さ70mm、最大幅3500mmの大きなアルミニウム合金厚いプレートを供給できます。薄いシート製品とプロファイル製品は、2mmから6mmの厚さ範囲、最大幅1500mmで生産用にカスタマイズできます。 Southwest Aluminumは、独立して5K40材料を開発し、薄いプレートの開発を大幅に進歩させました。 Al Zn Mg合金は、高強度、優れた加工性能、優れた溶接性能を備えた時間硬化合金です。これは、飛行機などの現在の輸送車両に不可欠で重要な構造材料です。媒体強度の溶接可能なアルズンmgに基づいて、スカンジウムおよびジルコニウム合金要素を添加すると、微細構造に小さく分散したAL3（SC、ZR）ナノ粒子を形成し、合金の機械的特性と応力耐食性を大幅に改善することができます。 NASAのLangley Research Centerは、モデルミッションに適用する準備ができているグレードC557を備えた三元アルミニウムスカンジウム合金を開発しました。低温（-200℃）、室温、および高温（107℃）でのこの合金の静的強度、亀裂伝播、および骨折の靭性はすべて、2524合金の合金よりも等しいまたはそれ以上です。米国のノースウェスタン大学は、Alzn Mg SC Alloy 7000シリーズ超高強度アルミニウム合金を開発し、最大680MPaの引張強度を備えています。中程度の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の間の共同発達のパターンが形成されています。 Al Zn Mg Cu SC合金は、800 MPaを超える引張強度を持つ高強度アルミニウム合金です。現在、の主要なグレードの公称構成と基本的なパフォーマンスパラメーターアルミニウムスカンジウム合金表1および2に示すように、次のように要約されています。
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アプリケーションの見通し
ロシアのMIG-21やMig-29戦闘機を含む、高強度Al Zn Mg Cu SCおよびAl Culi SC合金が荷重含有構造成分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％減少しています。 MARS-96宇宙船の機器モジュールの荷重含有成分は、スカンジウムを含む1970年のアルミニウム合金で作られており、機器モジュールの重量を10％減らします。 「Clean Sky」プログラムとEUの「2050 Flight Route」プロジェクトでは、エアバスは、5024アルミニウムスカンジウム合金の後継者グレードAA5028-H116アルミニウムスカンジウム合金に基づいて、A321航空機の統合ドアの設計、研究開発、製造、および設置試験飛行を実施しました。 AA5028に代表されるアルミニウムスカンジウム合金は、優れた処理と溶接性能を示しました。摩擦攪拌溶接やレーザー溶接などの高度な溶接技術を利用して、アルミニウム合金材料を含むスカンジウムの信頼できる接続を実現します。航空機の補強薄板構造における「リベットの代わりに溶接」の段階的な実装は、航空機の材料と構造の完全性の一貫性を維持し、効率的で低コストの製造を達成するだけでなく、重量削減とシーリング効果も備えています。中国航空宇宙特別材料研究所によるアルミニウムスカンジウム5B70合金のアプリケーション研究は、可変壁厚成分の強力な回転、耐食性の制御と強度マッチングの制御、および溶接残留応力の制御の技術を通して突破しました。アルミニウムスカンジウム合金適応溶接ワイヤを調製し、合金の厚いプレートの摩擦攪拌溶接の関節強度係数は0.92に達する可能性があります。中国宇宙技術アカデミー、セントラルサウス大学などは、5B70材料で広範な機械的パフォーマンステストとプロセス実験を実施し、5A06の構造材料選択スキームをアップグレードおよび反復し、5B70アルミニウム合金を宇宙のシールされたキャビンおよびリターンキャビンの全体的な鉄筋壁パネルの主要な構造に適用し始めました。プレート構造の加圧されたキャビンの全体的な壁パネルは、皮膚と補強リブの組み合わせで設計されており、より高い構造統合と体重の最適化を実現します。全体的な剛性と強度を改善しながら、接続するコンポーネントの数と複雑さを減らし、それにより、高性能を維持しながら重量をさらに減らします。 5B70材料エンジニアリングの適用を促進することで、5B70材料の使用は徐々に増加し、最小供給のしきい値を超え、原材料の継続的な生産と安定した品質を確保し、原材料価格を大幅に削減します。前述のように、アルミニウム合金の多くの特性は、スカンジウム微小積立により改善されていますが、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応用範囲が制限されています。 Al Cu、Al Zn、Al Znmgなどのアルミニウム合金材料と比較して、アルミニウム合金を含むスカンジウムは、良好な包括的な機械的特性、腐食抵抗、優れた処理特性を備えており、航空宇宙などの産業分野での主要な構造成分の製造に幅広い用途の見通しを持っています。スカンジウムマイクロアロイング技術に関する研究の継続的な深化と、サプライチェーンと産業チェーンのマッチングの改善により、スカンジウムアルミニウム合金の大規模な産業用途を制限する価格とコスト要因が徐々に改善されます。アルミニウムスカンジウム合金の優れた包括的な機械的特性、腐食抵抗、および優れた処理特性により、航空機器の製造の分野における明確な構造体重減少の利点と幅広い用途の可能性があります。
投稿時間：10月29日 - 2024年