항공 운송 장비에 필수적인 경합금인 알루미늄 합금의 거시적 기계적 성질은 미세 구조와 밀접한 관련이 있습니다. 알루미늄 합금 구조의 주요 합금 원소를 변경함으로써 알루미늄 합금의 미세 구조를 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 거시적 기계적 성질을 비롯한 재료의 다른 특성(내식성, 용접 성능 등)을 크게 향상시킬 수 있습니다. 현재까지 미세 합금화는 알루미늄 합금의 미세 구조를 최적화하고 알루미늄 합금 소재의 종합적인 특성을 향상시키는 가장 유망한 기술 개발 전략으로 자리 잡았습니다.스칸듐(Sc)는 알루미늄 합금에 가장 효과적인 미세 합금 원소 강화제로 알려져 있습니다. 알루미늄 기지에서 스칸듐의 용해도는 0.35 중량% 미만입니다. 알루미늄 합금에 미량의 스칸듐 원소를 첨가하면 미세 구조를 효과적으로 개선하고 강도, 경도, 가소성, 열 안정성 및 내식성을 전반적으로 향상시킬 수 있습니다. 스칸듐은 고용 강화, 입자 강화, 재결정 억제 등 알루미늄 합금에 다양한 물리적 효과를 제공합니다. 본 논문에서는 항공 장비 제조 분야에서 스칸듐 함유 알루미늄 합금의 역사적 발전, 최신 연구 결과, 그리고 잠재적 응용 분야를 소개합니다.
알루미늄 스칸듐 합금 연구 개발
알루미늄 합금에 합금 원소로 스칸듐을 첨가한 것은 1960년대로 거슬러 올라갑니다. 그 당시 대부분의 작업은 이원 Al Sc 및 삼원 AlMg Sc 합금 시스템에서 수행되었습니다. 1970년대에 소련 과학 아카데미의 바이코프 야금 및 재료 과학 연구소와 전 러시아 경합금 연구소는 알루미늄 합금에서 스칸듐의 형태와 메커니즘에 대한 체계적인 연구를 수행했습니다. 거의 40년의 노력 끝에 세 가지 주요 시리즈(Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc)로 14개 등급의 알루미늄 스칸듐 합금이 개발되었습니다. 알루미늄에서 스칸듐 원자의 용해도는 낮고 적절한 열처리 공정을 사용하여 고밀도 Al3Sc 나노 침전물을 침전시킬 수 있습니다. 이 침전상은 거의 구형이며 입자가 작고 분포가 분산되어 있으며 알루미늄 매트릭스와 좋은 응집 관계를 가지고 있어 알루미늄 합금의 실온 강도를 크게 향상시킬 수 있습니다. 또한, Al3Sc 나노 석출물은 고온(400℃ 이내)에서 우수한 열 안정성과 내조화성을 가지며, 이는 합금의 내열성에 매우 유익합니다. 러시아산 알루미늄 스칸듐 합금 중 1570 합금은 가장 높은 강도와 가장 광범위한 적용 범위로 많은 주목을 받고 있습니다. 이 합금은 -196℃에서 70℃의 작동 온도 범위에서 탁월한 성능을 나타내며, 천연 초소성 특성을 가지고 있어 액체 산소 매질에서 하중 지지 구조물 용접에 사용되는 러시아산 LF6 알루미늄 합금(알루미늄, 마그네슘, 구리, 망간, 실리콘을 주성분으로 하는 알루미늄 마그네슘 합금)을 크게 개선된 성능으로 대체할 수 있습니다. 또한, 러시아는 1970으로 대표되는 500MPa 이상의 재료 강도를 가진 알루미늄 아연 마그네슘 스칸듐 합금도 개발했습니다.
산업화 현황알루미늄 스칸듐 합금
2015년 유럽연합은 알루미늄 용접성 연구를 제안하는 "유럽 야금 로드맵: 제조업체 및 최종 사용자 전망"을 발표했습니다.마그네슘 스칸듐 합금2020년 9월, 유럽 연합은 스칸듐을 포함한 29개 핵심 광물 자원 목록을 발표했습니다. 독일 Ale Aluminum에서 개발한 5024H116 알루미늄 마그네슘 스칸듐 합금은 중간에서 높은 강도와 높은 손상 내성을 가지고 있어 동체 외피에 매우 유망한 소재입니다. 이 합금은 기존의 2xxx 시리즈 알루미늄 합금을 대체하는 데 사용될 수 있으며 Airbus의 AIMS03-01-055 자재 조달 책자에 포함되었습니다. 5028은 5024의 개량된 등급으로 레이저 용접 및 마찰 교반 용접에 적합합니다. 5028은 내식성이 뛰어나고 알루미늄 코팅이 필요 없는 하이퍼볼릭 일체형 벽 패널의 크리프 성형 공정을 구현할 수 있습니다. 2524 합금과 비교하여 동체의 전체 벽 패널 구조는 구조적 중량을 5% 감소시킬 수 있습니다. Aili Aluminum Company에서 생산한 AA5024-H116 알루미늄 스칸듐 합금 시트는 항공기 동체 및 우주선 구조 구성품을 제조하는 데 사용되었습니다. AA5024-H116 합금판의 일반적인 두께는 1.6mm에서 8.0mm이며, 낮은 밀도, 적절한 기계적 성질, 높은 내식성, 그리고 엄격한 치수 편차로 인해 동체 외피 재료로 2524 합금을 대체할 수 있습니다. 현재 AA5024-H116 합금판은 Airbus AIMS03-04-055 인증을 받았습니다. 2018년 12월, 중국 공업정보화부는 "중점 신소재 2차 응용 시범 1차 배치 지도 목록(2018년판)"을 발표했으며, 이 목록에 "고순도 산화 스칸듐"이 신소재 산업 발전 목록에 포함되었습니다. 2019년 중국 공업정보화부는 "중점 신소재 시범 응용 1차 지도 목록(2019년판)"을 발표했으며, 이 목록의 신소재 산업 발전 목록에 "Sc 함유 알루미늄 합금 가공 재료 및 Al-Si-Sc 용접 와이어"가 포함되었습니다. 중국 알루미늄 그룹 동북경합금(China Aluminum Group Northeast Light Alloy)은 스칸듐과 지르코늄을 함유한 Al-Mg-Sc-Zr 계열 5B70 합금을 개발했습니다. 스칸듐과 지르코늄을 함유하지 않은 기존 Al-Mg-5083 합금과 비교하여 항복 강도와 인장 강도가 30% 이상 향상되었습니다. 또한 Al-Mg-Sc-Zr 합금은 5083 합금과 동등한 내식성을 유지할 수 있습니다. 현재 산업용 등급을 갖춘 국내 주요 기업들은알루미늄 스칸듐 합금생산 능력은 Northeast Light Alloy Company와 Southwest Aluminum Industry입니다. Northeast Light Alloy Co., Ltd.에서 개발한 대형 5B70 알루미늄 스칸듐 합금 판재는 최대 두께 70mm, 최대 폭 3500mm의 대형 알루미늄 합금 후판을 공급할 수 있습니다. 박판 제품과 프로파일 제품은 두께 2mm~6mm, 최대 폭 1500mm의 맞춤 생산이 가능합니다. Southwest Aluminum은 5K40 소재를 독자적으로 개발하여 박판 개발에 상당한 진전을 이루었습니다. Al-Zn-Mg 합금은 고강도, 우수한 가공 성능, 우수한 용접 성능을 갖춘 시간 경화 합금입니다. 항공기와 같은 현대 운송 수단의 필수적이고 중요한 구조 재료입니다. 중간 강도의 용접 가능한 Al-Zn-Mg를 기반으로 스칸듐과 지르코늄 합금 원소를 첨가하면 미세 조직에 작고 분산된 Al-3(Sc, Zr) 나노입자를 형성하여 합금의 기계적 특성과 내응력 부식성을 크게 향상시킬 수 있습니다. NASA 랭글리 연구 센터는 C557 등급의 3원계 알루미늄 스칸듐 합금을 개발하여 모형 임무에 적용할 수 있도록 준비했습니다. 이 합금은 저온(-200℃), 상온, 고온(107℃)에서 정적 강도, 균열 전파, 파괴 인성이 모두 2524 합금과 동등하거나 더 우수합니다. 미국 노스웨스턴 대학교는 최대 인장 강도가 680MPa에 달하는 AlZnMgSc 합금 7000 시리즈 초고강도 알루미늄 합금을 개발했습니다. 중고강도 알루미늄 스칸듐 합금과 초고강도 AlZnMgSc 합금의 공동 개발 패턴이 형성되었습니다. AlZnMgCuSc 합금은 인장 강도가 800MPa를 초과하는 고강도 알루미늄 합금입니다. 현재 주요 등급의 공칭 조성 및 기본 성능 매개변수는 다음과 같습니다.알루미늄 스칸듐 합금표 1과 표 2에 나타난 바와 같이 요약하면 다음과 같다.
표 1 | 알루미늄 스칸듐 합금의 공칭 조성
표 2 | 알루미늄 스칸듐 합금의 미세조직 및 인장 특성
알루미늄 스칸듐 합금의 응용 전망
고강도 Al Zn Mg Cu Sc 및 Al CuLi Sc 합금은 러시아의 MiG-21 및 MiG-29 전투기를 포함한 하중을 지지하는 구조 부품에 적용되었습니다. 러시아 우주선 "Mars-1"의 대시보드는 1570 알루미늄 스칸듐 합금으로 제작되어 총 중량이 20% 감소했습니다. Mars-96 우주선 계기 모듈의 하중 지지 부품은 스칸듐을 함유한 1970 알루미늄 합금으로 제작되어 계기 모듈의 중량을 10% 줄였습니다. "클린 스카이(Clean Sky)" 프로그램과 EU의 "2050 비행 경로(2050 Flight Route)" 프로젝트에서 에어버스는 5024 알루미늄 스칸듐 합금의 후속 등급인 AA5028-H116 알루미늄 스칸듐 합금을 기반으로 A321 항공기의 통합 화물칸 도어 설계, 연구 개발, 제조 및 설치 시험 비행을 수행했습니다. AA5028로 대표되는 알루미늄 스칸듐 합금은 탁월한 가공 및 용접 성능을 보여주었습니다. 마찰 교반 용접 및 레이저 용접과 같은 첨단 용접 기술을 활용하여 스칸듐 함유 알루미늄 합금 소재의 안정적인 접합을 달성했습니다. 항공기 강화 박판 구조에 "리벳 대신 용접"을 점진적으로 적용함으로써 항공기 재료의 일관성과 구조적 안정성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 무결성을 확보하여 효율적이고 저렴한 제조를 달성할 뿐만 아니라, 경량화 및 밀봉 효과도 제공합니다. 중국항공우주특수재료연구원의 알루미늄 스칸듐 5B70 합금 응용 연구는 가변 두께 부품의 강스핀, 내식성 및 강도 매칭 제어, 용접 잔류 응력 제어 기술을 발전시켰습니다. 알루미늄 스칸듐 합금 적응 용접 와이어를 개발하여 후판 마찰 교반 용접 접합 강도 계수를 0.92까지 달성했습니다. 중국항천연구원, 중남대학교 등은 5B70 소재에 대한 광범위한 기계적 성능 시험 및 공정 실험을 수행하고, 5A06 구조 소재 선정 계획을 업그레이드 및 반복하여 우주 정거장 밀폐형 객실 및 귀환실의 전체 강화 벽 패널 주요 구조에 5B70 알루미늄 합금을 적용하기 시작했습니다. 판 구조 가압실의 전체 벽 패널은 외판과 보강 리브를 조합하여 설계하여 구조적 통합성을 높이고 중량을 최적화했습니다. 전반적인 강성과 강도를 향상시키는 동시에 연결 부품의 수와 복잡성을 줄여 고성능을 유지하면서도 중량을 더욱 감소시켰습니다. 5B70 소재 공학의 적용이 촉진됨에 따라 5B70 소재의 사용량이 점차 증가하여 최소 공급 한계치를 초과할 것으로 예상되며, 이는 원자재의 지속적인 생산과 안정적인 품질을 보장하고 원자재 가격을 크게 낮추는 데 도움이 될 것입니다. 앞서 언급했듯이, 스칸듐 미세 합금화를 통해 알루미늄 합금의 여러 특성이 향상되었지만, 스칸듐의 높은 가격과 희소성은 알루미늄 스칸듐 합금의 적용 범위를 제한합니다. Al2Cu, Al2Zn, Al2ZnMg와 같은 알루미늄 합금 소재와 비교할 때, 스칸듐을 함유한 알루미늄 합금 소재는 우수한 종합적인 기계적 특성, 내식성, 그리고 우수한 가공 특성을 갖추고 있어 항공우주 산업과 같은 산업 분야의 주요 구조 부품 제조에 폭넓은 적용 가능성을 가지고 있습니다. 스칸듐 미세 합금화 기술에 대한 연구가 지속적으로 심화되고 공급망 및 산업 체인 매칭이 개선됨에 따라, 스칸듐 알루미늄 합금의 대규모 산업 적용을 제한하는 가격 및 비용 요인이 점차 개선될 것입니다. 알루미늄 스칸듐 합금의 우수한 종합적인 기계적 특성, 내식성, 그리고 우수한 가공 특성은 구조적 중량 감소라는 명확한 이점과 항공 분야에서 폭넓은 적용 가능성을 제공합니다. 장비 제조.
게시 시간: 2024년 10월 29일