알루미늄 스칸듐 합금 재료의 개발 및 적용

항공 운송 장비에 중요한 가벼운 합금으로서, 알루미늄 합금의 거시적 기계적 특성은 미세 구조와 밀접한 관련이있다. 알루미늄 합금 구조에서 주요 합금 요소를 변경함으로써, 알루미늄 합금의 미세 구조를 변경할 수 있으며, 재료의 대 세관 기계적 특성 (예 : 부식성 및 용접 성능)이 상당히 향상 될 수있다. 지금까지 미세 합금은 알루미늄 합금의 미세 구조를 최적화하고 알루미늄 합금 재료의 포괄적 인 특성을 개선하기위한 가장 유망한 기술 개발 전략이되었습니다.스칸듐(SC)는 알루미늄 합금으로 알려진 가장 효과적인 미세 합금 요소 인핸서이다. 알루미늄 매트릭스에서 스칸듐의 용해도는 0.35 wt.%미만이며, 알루미늄 합금에 미량의 스칸듐 요소를 추가하면 미세 구조를 효과적으로 향상시키고 강도, 경도, 소성, 열 안정성 및 부식성을 종합적으로 향상시킬 수 있습니다. Scandium은 고체 용액 강화, 입자 강화 및 재결정 화 억제를 포함하여 알루미늄 합금에서 다수의 물리적 효과를 갖는다. 이 기사는 항공 장비 제조 분야에서 알루미늄 합금을 함유 한 스칸듐의 역사적 개발, 최신 진행 및 잠재적 응용을 소개 할 것입니다.

알루미늄 스칸듐 합금의 연구 및 개발

알루미늄 합금에 합금 요소로서 스칸듐의 첨가는 1960 년대로 거슬러 올라갈 수있다. 당시 대부분의 작업은 Binary Al SC와 Ternary Almg SC 합금 시스템에서 수행되었습니다. 1970 년대, 소비에트 과학 아카데미의 Baykov Metallurgy and Materials Science Institute of Metallurgy and Materials Science와 All Russian Light Alloy Research는 알루미늄 합금의 스칸디움의 형태와 메커니즘에 대한 체계적인 연구를 수행했습니다. 거의 40 년 동안 노력한 후, 14 개의 등급의 알루미늄 스칸듐 합금이 3 가지 주요 시리즈 (Al MG SC, Al Li SC, Al Zn MG SC)로 개발되었습니다. 알루미늄에서 스칸듐 원자의 용해도는 낮으며, 적절한 열처리 공정을 사용함으로써 고밀도 AL3SC 나노 침전물이 침전 될 수있다. 이 침전 단계는 거의 구형이며, 작은 입자 및 분산 분포와 함께, 알루미늄 매트릭스와 우수한 일관성 관계가 있으며, 이는 알루미늄 합금의 실내 온도 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, Al3SC 나노 침전물은 고온에서 우수한 열 안정성 및 조심스러운 저항을 가지며 (400 ℃ 내), 이는 합금의 강한 내열성에 매우 유리하다. 러시아에서 만든 알루미늄 스칸듐 합금에서 1570 년 합금은 가장 높은 강도와 ​​가장 넓은 적용으로 인해 많은 관심을 끌었습니다. 이 합금은 -196 ~ 70 ℃의 작동 온도 범위에서 우수한 성능을 나타내며, 자연 초소성을 가지며, 이는 액체 산소 배지에서 하중 용접 구조물을 위해 하중 -부여 구조물을 위해 러시아 제작 된 LF6 알루미늄 합금 (주로 알루미늄, 마그네슘, 구리, 망간 및 실리콘으로 구성된 알루미늄 마그네슘 합금)을 대체 할 수 있습니다. 또한 러시아는 또한 1970 년에 대표되는 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금을 500mpa 이상의 재료 강도로 개발했습니다.

산업화 상태알루미늄 스칸듐 합금

2015 년 유럽 연합은“유럽 야금 로드맵 : 제조업체 및 최종 사용자를위한 전망”을 발표하여 알루미늄의 용접성을 연구 할 것을 제안했습니다.마그네슘 스칸듐 합금. 2020 년 9 월, 유럽 연합은 Scandium을 포함한 29 개의 주요 광물 자원 목록을 발표했습니다. 독일의 Ale Aluminum에서 개발 한 5024H116 알루미늄 마그네슘 스칸듐 합금은 중간에서 높은 강도와 ​​높은 손상 공차를 가지고있어 동체 피부에 매우 유망한 재료입니다. 전통적인 2xxx 시리즈 알루미늄 합금을 대체하는 데 사용할 수 있으며 Airbus의 AIMS03-01-055 재료 조달 책에 포함되었습니다. 5028은 5024의 개선 된 등급이며, 레이저 용접 및 마찰 교반 용접에 적합합니다. 부식성이며 알루미늄 코팅이 필요하지 않은 쌍곡선 적분 벽 패널의 크리프 형성 공정을 달성 할 수 있습니다. 2524 합금과 비교하여, 동체의 전체 벽 패널 구조는 5% 구조적 중량 감소를 달성 할 수있다. Aili Aluminum Company에서 생산 한 AA5024-H116 알루미늄 스칸듐 합금 시트는 항공기 동체 및 우주선 구조 구성 요소를 제조하는 데 사용되었습니다. AA5024-H116 합금 시트의 전형적인 두께는 1.6mm ~ 8.0mm이며, 저밀도, 중간 정도의 기계적 특성, 높은 부식성 및 엄격한 치수 편차로 인해 2524 합금을 동체 피부 재료로 대체 할 수 있습니다. 현재 AA5024-H116 합금 시트는 Airbus AIMS03-04-055의 인증을 받았습니다. 2018 년 12 월, 중국 산업 정보 기술부는 새로운 재료 산업의 개발 카탈로그에“고순도 스캔음 산화물”을 포함한“주요 새로운 재료의 2 차 응용 프로그램 시연 (2018 Edition)의 첫 번째 배치를위한 카탈로그를 가이 딩 카탈로그를 발표했습니다. 2019 년, 중국 산업 정보 기술부는 새로운 재료 산업의 개발 카탈로그에“알루미늄 합금 처리 재료를 포함하는 SC와 Al SC SC 용접 와이어를 포함하는 SC”를 포함한“주요 신규 재료의 시연 응용 프로그램 (2019 Edition)의 첫 번째 배치를위한 카탈로그를 안내하는 카탈로그를 발표했습니다. 중국 알루미늄 그룹 Northeast Light 합금은 Scandium 및 지르코늄을 함유 한 Al MG SC ZR 시리즈 5B70 합금을 개발했습니다. 스칸듐 및 지르코늄이없는 전통적인 AL MG 시리즈 5083 합금과 비교하여 수율과 인장 강도는 30%이상 증가했습니다. 또한, AL MG SC ZR 합금은 5083 합금에 대한 비슷한 내식성을 유지할 수있다. 현재 산업 등급의 주요 국내 기업알루미늄 스칸듐 합금생산 능력은 북동부 조명 합금 회사 및 남서 알루미늄 산업입니다. Northeast Light Alloy Co., Ltd.에서 개발 한 대형 5B70 알루미늄 스칸듐 합금 시트는 최대 두께가 70mm이고 최대 너비 3500mm의 큰 알루미늄 합금 두꺼운 플레이트를 공급할 수 있습니다. 얇은 시트 제품 및 프로파일 제품은 두께 범위가 2mm ~ 6mm이고 최대 너비는 1500mm 인 생산을 위해 사용자 정의 할 수 있습니다. 사우스 웨스트 알루미늄은 독립적으로 5K40 재료를 개발했으며 얇은 판의 개발에서 상당한 진전을 이루었습니다. Al Zn MG 합금은 강도, 우수한 가공 성능 및 우수한 용접 성능을 갖는 시간 경화 합금입니다. 비행기와 같은 현재 운송 차량에서 필수적이고 중요한 구조적 재료입니다. 중간 강도 용접 가능한 알츠 Mg에 기초하여, 스칸듐 및 지르코늄 합금 요소를 첨가하면 미세 구조에서 소형 및 분산 된 Al3 (SC, ZR) 나노 입자를 형성하여 합금의 기계적 특성 및 응력 차단 저항을 상당히 개선시킬 수있다. NASA의 Langley Research Center는 C557 등급의 3 배 알루미늄 스칸듐 합금을 개발했으며, 이는 모델 임무에 적용될 준비가되었습니다. 저온 (-200 ℃), 실온 및 고온 (107 ℃) 에서이 합금의 정적 강도, 균열 전파 및 골절 인성은 모두 2524 합금의 것보다 동일하다. 미국의 노스 웨스턴 대학교는 최대 680mpa의 인장 강도를 가진 Alzn MG SC 합금 7000 시리즈 초고 강도 알루미늄 합금을 개발했습니다. 중간 고강도 알루미늄 스칸디움 합금과 초고 강도 Al Zn Mg SC 사이의 관절 개발 패턴이 형성되었다. Al Zn MG Cu SC 합금은 800 MPa를 초과하는 인장 강도를 갖는 고강도 알루미늄 합금입니다. 현재 주요 성적의 공칭 구성 및 기본 성능 매개 변수알루미늄 스칸듐 합금표 1 및 2에 표시된대로 다음과 같이 요약됩니다.

표 1 | 알루미늄 스칸듐 합금의 공칭 조성

표 2 | 알루미늄 스칸듐 합금의 미세 구조 및 인장 특성

알루미늄 스칸듐 합금의 적용 전망

고강도 Al Zn Mg Cu SC 및 Al Culi SC 합금은 러시아 MIG-21 및 MIG-29 전투기 제트를 포함한 하중 구조 구성 요소에 적용되었습니다. 러시아 우주선 "MARS-1"의 대시 보드는 1570 년 알루미늄 스칸듐 합금으로 만들어졌으며 총 중량 감소는 20%입니다. MARS-96 우주선의 기기 모듈의 하중 구성 요소는 1970 년 알루미늄 합금을 함유 한 알루미늄 합금으로 만들어져 계측기 모듈의 무게를 10%감소시킵니다. "Clean Sky"프로그램과 EU의 "2050 Flight Route"프로젝트에서 Airbus는 5024 Aluminum Scandium Alloy의 후속 AA5028-H116 Aluminum Scandium Alloy를 기반으로 A321 항공기를 기반으로 A321 항공기의 통합화물 홀드 도어 디자인, 연구 및 개발, 제조 및 설치 테스트 비행을 수행했습니다. AA5028로 대표되는 알루미늄 스칸듐 합금은 우수한 가공 및 용접 성능을 보여 주었다. 마찰 교반 용접 및 레이저 용접과 같은 고급 용접 기술을 사용하여 알루미늄 합금 재료를 함유하는 스칸듐의 신뢰할 수있는 연결을 달성합니다. 항공기 강화 얇은 플레이트 구조에서 "리벳 팅 대신 용접"의 점진적인 구현은 항공기 재료와 구조적 무결성의 일관성을 유지할뿐만 아니라 효율적이고 저렴한 제조를 달성 할뿐만 아니라 체중 감소 및 밀봉 효과를 달성합니다. 중국 항공 우주 특수 재료 연구 연구소의 알루미늄 스칸듐 5B70 합금의 응용 연구는 가변 벽 두께 구성 요소의 강력한 회전, 부식 저항 및 강도 일치 제어, 용접 잔류 응력 제어 기술을 뚫고 나갔다. 그것은 알루미늄 스칸듐 합금 적응 용접 와이어를 준비했으며, 합금의 두꺼운 플레이트에 대한 조인트 강도 계수는 0.92에 도달 할 수 있습니다. 중국 우주 기술 아카데미, 센트럴 사우스 대학교 (Central South University) 등은 5B70 재료에 대한 광범위한 기계적 성능 테스트 및 프로세스 실험을 수행하고 5A06의 구조 재료 선택 체계를 업그레이드하고 반복했으며 우주 스테이션 봉인 캐빈 및 리턴 캐빈의 전체 강화 벽 패널의 주요 구조에 5B70 알루미늄 합금을 적용하기 시작했습니다. 플레이트 구조 가압 캐빈의 전체 벽면 패널은 피부와 강화 갈비의 조합으로 설계되어 구조적 적분 및 중량 최적화가 높아집니다. 전반적인 강성과 강도를 향상 시키지만 연결 구성 요소의 수와 복잡성이 줄어들어 고성능을 유지하면서 중량을 더욱 줄입니다. 5B70 자재 엔지니어링의 적용을 촉진함으로써 5B70 재료의 사용은 최소 공급 임계 값을 점차 증가하고 초과하여 지속적인 생산 및 안정적인 원료 품질을 보장하고 원자재 가격을 크게 줄이는 데 도움이됩니다. 앞에서 언급 한 바와 같이, 스칸듐 미세 합금을 통해 알루미늄 합금의 많은 특성이 개선되었지만, 스칸듐의 높은 가격과 부족은 알루미늄 스칸듐 합금의 적용 범위를 제한한다. Al Cu, Al Zn, Al ZnMG와 같은 알루미늄 합금 재료와 비교하여, 알루미늄 합금 재료를 함유하는 스칸듐은 우수한 포괄적 인 기계적 특성, 부식성 및 우수한 가공 특성을 가지므로, 항공 우주와 같은 산업 분야에서 주요 구조적 구성 요소를 제조하는 데 광범위한 응용 전망이 있습니다. Scandium Microalloying 기술에 대한 지속적인 연구와 공급망 및 산업 체인 매칭의 개선으로 Scandium 알루미늄 합금의 대규모 산업 적용을 제한하는 가격 및 비용 요인이 점차 개선 될 것입니다. 알루미늄 스칸듐 합금의 우수한 포괄적 인 기계적 특성, 부식 저항 및 우수한 처리 특성으로 인해 항공 장비 제조 분야에서 명확한 구조적 중량 감소 이점과 광범위한 응용 잠재력이 있습니다.