Sendo uma liga leve crucial para equipamentos de transporte aéreo, as propriedades mecânicas macroscópicas da liga de alumínio estão intimamente relacionadas à sua microestrutura. A alteração dos principais elementos de liga na estrutura da liga de alumínio permite alterar a microestrutura da liga, melhorando significativamente as propriedades mecânicas macroscópicas e outras propriedades (como resistência à corrosão e desempenho de soldagem) do material. Até o momento, a microligação tornou-se a estratégia de desenvolvimento tecnológico mais promissora para otimizar a microestrutura das ligas de alumínio e melhorar as propriedades abrangentes dos materiais de liga de alumínio.Escândio(Sc) é o intensificador de elementos de microliga mais eficaz conhecido para ligas de alumínio. A solubilidade do escândio na matriz de alumínio é inferior a 0,35% em peso. A adição de traços do elemento escândio às ligas de alumínio pode efetivamente melhorar sua microestrutura, aumentando significativamente sua resistência, dureza, plasticidade, estabilidade térmica e resistência à corrosão. O escândio possui múltiplos efeitos físicos em ligas de alumínio, incluindo o fortalecimento em solução sólida, o fortalecimento de partículas e a inibição da recristalização. Este artigo apresentará o desenvolvimento histórico, os progressos mais recentes e as potenciais aplicações das ligas de alumínio contendo escândio na área de fabricação de equipamentos de aviação.
Pesquisa e Desenvolvimento de Liga de Alumínio Escândio
A adição de escândio como elemento de liga em ligas de alumínio remonta à década de 1960. Naquela época, a maior parte do trabalho era realizada em sistemas de ligas binárias de AlSc e ternários de AlMgSc. Na década de 1970, o Instituto Baykov de Metalurgia e Ciência dos Materiais da Academia Soviética de Ciências e o Instituto Russo de Pesquisa de Ligas Leves conduziram um estudo sistemático sobre a forma e o mecanismo do escândio em ligas de alumínio. Após quase quarenta anos de esforços, 14 graus de ligas de alumínio-escândio foram desenvolvidos em três séries principais (AlMgSc, AlLiSc, AlZnMgSc). A solubilidade dos átomos de escândio no alumínio é baixa e, por meio de processos de tratamento térmico adequados, nanoprecipitados de Al3Sc de alta densidade podem ser precipitados. Essa fase de precipitação é quase esférica, com partículas pequenas e distribuição dispersa, e tem uma boa relação coerente com a matriz de alumínio, o que pode melhorar significativamente a resistência à temperatura ambiente das ligas de alumínio. Além disso, os nanoprecipitados de Al3Sc apresentam boa estabilidade térmica e resistência ao engrossamento em altas temperaturas (dentro de 400 °C), o que é extremamente benéfico para a forte resistência ao calor da liga. Nas ligas de alumínio e escândio de fabricação russa, a liga 1570 atraiu muita atenção devido à sua alta resistência e ampla aplicação. Esta liga apresenta excelente desempenho na faixa de temperatura de trabalho de -196 °C a 70 °C e possui superplasticidade natural, podendo substituir a liga de alumínio LF6 de fabricação russa (uma liga de alumínio e magnésio composta principalmente de alumínio, magnésio, cobre, manganês e silício) para estruturas de soldagem de suporte de carga em meio de oxigênio líquido, com desempenho significativamente melhorado. Além disso, a Rússia também desenvolveu ligas de alumínio, zinco, magnésio e escândio, representadas pela 1970, com uma resistência do material superior a 500 MPa.
O estado de industrialização deLiga de alumínio e escândio
Em 2015, a União Europeia lançou o “Roteiro Metalúrgico Europeu: Perspectivas para Fabricantes e Usuários Finais”, propondo estudar a soldabilidade do alumínioligas de magnésio e escândioEm setembro de 2020, a União Europeia divulgou uma lista de 29 recursos minerais importantes, incluindo escândio. A liga de alumínio, magnésio e escândio 5024H116, desenvolvida pela Ale Aluminum na Alemanha, apresenta resistência média a alta e alta tolerância a danos, tornando-se um material muito promissor para revestimento de fuselagem. Pode ser usada para substituir as ligas de alumínio tradicionais da série 2xxx e foi incluída no livro de aquisição de materiais AIMS03-01-055 da Airbus. 5028 é uma classe aprimorada de 5024, adequada para soldagem a laser e soldagem por fricção e mistura. Pode atingir o processo de conformação por fluência de painéis de parede integral hiperbólicos, que é resistente à corrosão e não requer revestimento de alumínio. Comparada à liga 2524, a estrutura geral do painel de parede da fuselagem pode atingir uma redução de 5% no peso estrutural. A chapa de liga de alumínio e escândio AA5024-H116 produzida pela Aili Aluminum Company tem sido usada para fabricar componentes estruturais de fuselagem de aeronaves e espaçonaves. A espessura típica da chapa de liga AA5024-H116 varia de 1,6 mm a 8,0 mm e, devido à sua baixa densidade, propriedades mecânicas moderadas, alta resistência à corrosão e rigoroso desvio dimensional, pode substituir a liga 2524 como material de revestimento da fuselagem. Atualmente, a chapa de liga AA5024-H116 foi certificada pela Airbus AIMS03-04-055. Em dezembro de 2018, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação da China lançou o "Catálogo de Orientações para o Primeiro Lote de Demonstrações de Aplicação Secundária de Novos Materiais Principais (Edição de 2018)", que incluiu o "óxido de escândio de alta pureza" no catálogo de desenvolvimento da indústria de novos materiais. Em 2019, o Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação da China lançou o "Catálogo de Orientações para o Primeiro Lote de Aplicações Demonstrativas de Novos Materiais Principais (Edição de 2019)", que incluiu "materiais de processamento de liga de alumínio contendo Sc e fios de solda Al Si Sc" no catálogo de desenvolvimento da indústria de novos materiais. O China Aluminum Group Northeast Light Alloy desenvolveu uma liga Al Mg Sc Zr série 5B70 contendo escândio e zircônio. Em comparação com a liga tradicional Al Mg série 5083 sem escândio e zircônio, seu escoamento e resistência à tração aumentaram em mais de 30%. Além disso, a liga Al Mg Sc Zr pode manter uma resistência à corrosão comparável à liga 5083. Atualmente, as principais empresas nacionais com grau industrialliga de alumínio e escândioA capacidade de produção é da Northeast Light Alloy Company e da Southwest Aluminum Industry. A chapa de liga de alumínio e escândio 5B70 de grande porte desenvolvida pela Northeast Light Alloy Co., Ltd. pode fornecer chapas grossas de liga de alumínio com espessura máxima de 70 mm e largura máxima de 3500 mm; produtos de chapa fina e produtos perfilados podem ser personalizados para produção, com uma faixa de espessura de 2 mm a 6 mm e largura máxima de 1500 mm. A Southwest Aluminum desenvolveu independentemente o material 5K40 e fez progressos significativos no desenvolvimento de chapas finas. A liga Al Zn Mg é uma liga de endurecimento por tempo com alta resistência, bom desempenho de processamento e excelente desempenho de soldagem. É um material estrutural indispensável e importante em veículos de transporte atuais, como aviões. Com base no AlZn Mg soldável de média resistência, a adição de elementos de liga de escândio e zircônio pode formar nanopartículas pequenas e dispersas de Al3 (Sc, Zr) na microestrutura, melhorando significativamente as propriedades mecânicas e a resistência à corrosão sob tensão da liga. O Centro de Pesquisa Langley da NASA desenvolveu uma liga ternária de alumínio e escândio com o grau C557, que está pronta para ser aplicada em missões modelo. A resistência estática, a propagação de trincas e a tenacidade à fratura desta liga em baixa temperatura (-200 °C), temperatura ambiente e alta temperatura (107 °C) são todas iguais ou superiores às da liga 2524. A Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, desenvolveu a liga de alumínio de ultra-alta resistência AlZn Mg Sc série 7000, com uma resistência à tração de até 680 MPa. Formou-se um padrão de desenvolvimento conjunto entre a liga de alumínio e escândio de média-alta resistência e o Al Zn Mg Sc de ultra-alta resistência. A liga Al Zn Mg Cu Sc é uma liga de alumínio de alta resistência com uma resistência à tração superior a 800 MPa. Atualmente, a composição nominal e os parâmetros básicos de desempenho das principais classes de ligas de alumínio e escândio de média-alta resistência foram estabelecidos.liga de alumínio e escândioestão resumidos a seguir, conforme demonstrado nas Tabelas 1 e 2.
Tabela 1 | Composição nominal da liga de alumínio e escândio
Tabela 2 | Microestrutura e propriedades de tração da liga de alumínio e escândio
Perspectivas de aplicação da liga de alumínio escândio
Ligas de alta resistência de Al Zn Mg Cu Sc e Al CuLi Sc foram aplicadas a componentes estruturais de suporte de carga, incluindo os caças russos MiG-21 e MiG-29. O painel da espaçonave russa "Marte-1" é feito de liga de alumínio escândio 1570, com uma redução total de peso de 20%. Os componentes de suporte de carga do módulo de instrumentos da espaçonave Marte-96 são feitos de liga de alumínio 1970 contendo escândio, reduzindo o peso do módulo de instrumentos em 10%. No programa "Céu Limpo" e no projeto "Rota de Voo 2050" da UE, a Airbus conduziu voos de teste integrados de projeto, pesquisa e desenvolvimento, fabricação e instalação de portas de porão de carga para aeronaves A321 com base na liga de alumínio escândio AA5028-H116 sucessora da liga de alumínio escândio 5024. As ligas de alumínio escândio representadas pela AA5028 demonstraram excelente desempenho de processamento e soldagem. Utilizando técnicas avançadas de soldagem, como soldagem por fricção e mistura e soldagem a laser para obter uma conexão confiável de materiais de liga de alumínio contendo escândio. A implementação gradual da "soldagem em vez de rebitagem" em estruturas de placas finas reforçadas de aeronaves não apenas mantém a consistência dos materiais da aeronave e a integridade estrutural, como também alcança eficiência e Baixo custo de fabricação, mas também com redução de peso e efeitos de vedação. A pesquisa de aplicação da liga de alumínio escândio 5B70 pelo Instituto de Pesquisa de Materiais Especiais Aeroespaciais da China (China Aerospace Special Materials Research Institute) inovou nas tecnologias de fiação forte de componentes de espessura de parede variável, controle da resistência à corrosão e correspondência de resistência, e controle da tensão residual de soldagem. A empresa preparou arame de solda adaptável de liga de alumínio escândio, e o coeficiente de resistência da junta de soldagem por fricção e mistura para chapas espessas na liga pode chegar a 0,92. A Academia Chinesa de Tecnologia Espacial, a Universidade Centro-Sul e outras instituições realizaram extensos testes de desempenho mecânico e experimentos de processo com o material 5B70, atualizaram e iteraram o esquema de seleção de material estrutural para o 5A06 e começaram a aplicar a liga de alumínio 5B70 à estrutura principal dos painéis de parede reforçados da cabine selada e da cabine de retorno da estação espacial. O painel de parede da cabine pressurizada com estrutura de placas é projetado com uma combinação de revestimento e nervuras de reforço, alcançando maior integração estrutural e otimização de peso. Ao mesmo tempo em que melhora a rigidez e a resistência gerais, reduz o número e a complexidade dos componentes de conexão, reduzindo ainda mais o peso e mantendo o alto desempenho. Com a promoção Com a aplicação da engenharia de materiais 5B70, o uso do material 5B70 aumentará gradualmente e excederá o limite mínimo de fornecimento, o que ajudará a garantir a produção contínua e a qualidade estável das matérias-primas, além de reduzir significativamente os preços das matérias-primas. Como mencionado anteriormente, embora muitas propriedades das ligas de alumínio tenham sido aprimoradas pela microliga de escândio, o alto preço e a escassez do escândio limitam a gama de aplicações das ligas de alumínio e escândio. Comparados a materiais de liga de alumínio como AlCu, AlZn, AlZnMg, os materiais de liga de alumínio contendo escândio apresentam boas propriedades mecânicas abrangentes, resistência à corrosão e excelentes características de processamento, o que os torna com amplas perspectivas de aplicação na fabricação de componentes estruturais importantes em setores industriais como o aeroespacial. Com o aprofundamento contínuo da pesquisa sobre a tecnologia de microliga de escândio e o aprimoramento da cadeia de suprimentos e da cadeia industrial, os fatores de preço e custo que restringem a aplicação industrial em larga escala das ligas de alumínio e escândio melhorarão gradualmente. As boas propriedades mecânicas abrangentes, a resistência à corrosão e as excelentes características de processamento das ligas de alumínio e escândio conferem a elas claras vantagens na redução de peso estrutural e amplo potencial de aplicação no campo de equipamentos de aviação. fabricação.
Horário da publicação: 29/10/2024