在展览会上展出了航空航天器用铝钪合金

2019-04-11 10:54:25 来源: 和平信息港

在展览会上,俄罗斯联合铝业公司(Rusal)与爱励铝业公司(Aleris)都展出了航空航天器用铝-钪合金,如果我们把2xxx系Al-Cu-Mg合金与7xxx系Al-Zn-Mg-Cu合金作为代航空航天器合金,那么铝-锂系合金就是第二代,铝-钪合金就是当前与未来的第三代了。早在上世纪50年代科学家发现钪(Sc)对铝的组织有强烈的细化作用,对晶粒的细化效果居任一其他元素之首。俄罗斯、乌克兰、美国、中国在含钪的铝合金研究与生产方面均取得了很大的成就,特别是俄罗斯,无论是在研究方面,还是在材料生产与应用方面均是领军的。中国的东北大学、中南工业大学等对含钪的铝合金进行了卓有成效的研究,但大都是跟踪型的,东北大学用连续铸挤法生产了少量小规格的Al-Mg-Sc合金材料,并获得少量应用,但未形成批量生产与较大规模应用。

过去,阻碍含Sc铝合金大批量应用的主要障碍是价格高昂与不易提取纯净的SC2O3,但是现在这些问题已不复存在。因为俄罗斯联合铝业公司生产的高纯SC2O3的价格已于2016年5月降至289美元/kg。

俄罗斯联合铝业公司的

铝-钪合金

所谓铝-钪合金是指含有微量钪的铝合金,钪含量不超过0.4%,同时与锆一同加入,由于Al-Sc合金有优异的综合性能,是继Al-Li合金之后新一代航空航天器、舰船等的轻质结构材料,现开发出5个系列17个牌号的工业含Sc铝合金。从展会上获知,它们是:

1.热处理不可强化的可焊性高的Al-Mg-Sc系合金,20多个,其牌号为01515、01523、01535、01545、01570等,它们的成分及力学性能见表1,该系合金的研究与应用为成功。

在这次展会上,俄罗斯联合铝业公司(RUSAL)推出的含小于0.14%Sc的Al-Mg系合金是这类合金的佼佼者,是新一代的Al-Mg-Sc合金,具有里程碑意义,它具有如下优点:

成本低较。它的Sc含量0.14%,有利于降低成本。

力学性能高。含微量Sc的Al-Mg系合金的抗拉强度(UTS)比5083合金的高30%以上,而其屈服强度则比5083合金的大一倍以上,焊缝抗拉强度也比5083的大25%左右,但其伸长率则比5083合金低4%左右。

良好的可焊性。Al-Mg-Sc合金的可焊性能与常规5xxx系合金的相当,热影响区与焊缝的力学性能几乎与基体材料的相当。钪可在合金内形成多边形化合物,有很强的晶粒细化作用,对提高力学性能极为有利。

高的抗腐蚀性能。Al-Mg-Sc合金的抗腐蚀性能几乎与5083合金的相当,其薄板试样在3%NaCl+1%HCl溶液中浸泡24h后仍完好如初,没有发生点腐蚀。

2. Al-Zn-Mg-Sc系合金,2个朱氏药业
,其牌号为01970及01975,其成分:4.5%Zn~5.5%Zn、2%Mg、Zn/Mg=2.6、0.3%Cu~1.0%Cu、0.30%(Sc+Zr)~0.35%(Sc+Zr)。它们有很高的力学性能,T6材料的抗拉强度Rm=530N/mm2,伸长率A=8%,有高的抗剥落腐蚀能力与良好的可焊性与超塑性。

3. Al-Mg-Li-Sc系合金,2个,牌号为01421及01423,是在Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr合金基础上形成的新合金,有高的力学性能和低的密度(2500kg/m3),在高强度铝合金中是密度的。01421合金的力学性能:抗拉强度Rm=530N/mm2,屈服强度Rp0.2=380N/mm2,伸长率A=6%。

4. Al-Cu-Li-Sc合金,2个,牌号为01460及01464。01460合金的成分:Al-3Cu-2Li-(0.2~0.3)(Sc+Zr),T4材料的力学性能:抗拉强度Rm=550N/mm2,屈服强度Rp0.2=490N/mm2,有良好的可焊性能和低温性能,在液氢温度下的上述力学性能分别上升到680N/mm2、560N/mm2、10%,俄罗斯已用它制造火箭低温燃料箱。

01464合金是01460合金的发展,经形变热处理后具有高的强度、塑性、抗蚀性、可焊性、抗冲击性和抗裂性,而且有良好的热稳定性,板材的抗拉强度Rm=560N/mm2,屈服强度Rp0.2=520N/mm2,伸长率A=9%,可用于制造在120℃长期工作的结构件。

5. Al-Zn-Mg-Cu-Sc系合金

该系合金是目前有商业价值的强度的合金,抗拉强度Rm可超过800N/mm2,俄罗斯、乌克兰和美国赖特-帕特森空军研究实验室的研究表明,向Al-Zn-Mg-Cu系合金添加少量Sc和Zr,Zn的含量可以超过一般不大于7%的上限,从而大幅度提高7xxx系合金的各项性能。

6. 中间合金的电解生产

含钪的铝合金都是通过添加Al-Sc中间合金法加入Sc,因此,制取中间合金成为生产铝-钪合金的关键技术之一。目前,可以生产Al-Sc中间合金的有中国、俄罗斯、美国和乌克兰等,但都是用传统工艺制取的,中国可以生产含2%、5%、10%Sc的中间合金,从展会上获悉,俄罗斯联合铝业公司独创的电解法提取高纯SC2O3的工艺已投入商业化生产,在乌拉尔铝厂(UAZ)建了一条中间实业生产线,并准备建正式的电解槽系列,以满足全球对非常有竞争力的高纯氧化钪的需求,2016年全球SC2O3的需求估计(10t~15t)/a。

高纯SC2O3电解法提取工艺的研制成功有着里程碑意义,可以提高铝-钪合金的品质中频治疗仪
,可以降低生产成本,对推广其材料应用,降低装备质量,减少能源消耗与保护环境都有着重要意义。

爱励铝业公司的

AA5024-H116铝-钪合金

爱励铝业公司德国科布伦茨轧制厂(Aleris Aluminium Koblenz GmbH)生产的AA铝-钪合金板材已用于制造飞机机身与航天器结构零件。所有的零件都可以用激光束焊接(LBW)或摩擦搅拌焊(FSW)法连接。机身零件不管是单式还是复式的(single or double)弯曲(curvature)都可以通过高温需变成形生产,用此法生产的工件不会产生歪曲也不会产生回弹,可以保证保持尺寸,同时有高的成本竞争力,同时还可以采用传统的铆连接。

1. 优点与应用

AA5024-H116合金板材的典型厚度为1水处理活性炭
.6mm~8.0mm,在O状态下交货,也可以生产其他规格的,由于合金的密度低,又有中等的力学强度,高的抗腐蚀性能,严格的尺寸偏差,可取代2xxx合金作为机身蒙皮材料即板材,它的优点有:低的密度,2650kg/m3;良好的可焊性;的损伤容限;良好的抗腐蚀性;不凡的蠕变成形性(creep-formable);相当高的热稳定性;可回收性好(easy-to-recucle)。

抗腐蚀试验结果:硝酸质量损失试验(NAMLT),按ASTM G,要求15mg/cm2,实测值6mg/cm2;按ASTM G试验做SCC试验时,在应力250N/mm作用下30d未见裂纹;做成层腐蚀试验时(ASSET),按ASTM G,要求等级优于或等于PC,实测典型值为PA。

AA5024-H116合金板材已通过AMS、MMPDS、空客公司AIMS 的认证。

2. 化学成分

按美国铝业协会的标准,5024合金的注册成分(质量%):Si0.25,Fe0.40,Cu0.20,Mn.20,Mg3.9~5.1,Cr0.1,Zn0.25,Ti0.2,Zr0.03~0.2,Sc0.10~0.40,其他杂质单个0.05、总计0.15,其余Al。

3. 力学性能

AA5024-H116合金的正弹性模量E=72GN/m2,压缩弹性模量G=74GN/m2,其他力学性能见表2。

含微量钪的铝合金除在航空航天器有着较大应用潜力外,并已在兵工器械与一些民用产品(运动器材、通用工业、交通运输装备等方面)上获得了应用。

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