eine neue generation von hochleistungs -aluminiumlegierungen - aluminium -scandium -legierung

【zusammenfassung】: aluminiumlegierung ist ein wichtiges technisches material für den nationalen wirtschaftsbau und die sicherheit. da sich die weltweit aluminiumlegierungsmaterialien in richtung hochleistungsrichtungen wie hoher stärke und hoher zähigkeit entwickeln, werden neben den bedürfnissen der militärindustrien wie luft- und raumfahrt und einigen speziellen industriesektoren auch eine reihe neuer ziviler aluminium-legierungsmaterialien mit verschiedenen eigenschaften und funktionen gedeckt, die auch unterschiedliche bedingungen erfüllen können. aluminium war seit langem ein wichtiges grundmaterial für die luft- und raumfahrttechnik aufgrund seiner geringen dichte und kosten. die leistung von reinem aluminium kann jedoch nicht die anforderungen von luft- und raumfahrtmaterialien für stärke, zähigkeit und korrosionsbeständigkeit bei vielen gelegenheiten erfüllen. daher versuchen die menschen, reine aluminium verschiedene legierungselemente zu fügen, um die leistung von aluminiummaterialien zu verbessern. bisher haben einige schlüsseltechnologien für die herstellung von hochleistungs-aluminiumlegierungen in china jedoch keine durchbrüche. die für viele schlüsselmodelle erforderlichen hochleistungs-aluminiumlegierungsmaterialien stützen sich weiterhin auf importe. die forschung und entwicklung von hochleistungs-aluminium-legierungen muss weiter verbessert werden, und die forschung zu aluminium-scandium-legierungen hat aluminiumlegierungen neue möglichkeiten gebracht!

1. overview der aluminium-scandium-legierung

scandium, elementsymbol sc, atomic number 21, ist das erste übergangselement in der vierten periodenzeit der periodenziele -tabelle und gehört zur gruppe iiib. aluminium, elementsymbol al, atomzahl 13 in der periodenzüchttabelle, ist ein metallelement in gruppe iiia mit einer relativen dichte von 2,7 g/cm³, einem schmelzpunkt von 660 ℃ und einem siedepunkt von 2327 ℃.

abbildung 1 einführung in skandium

china ist zum größten produzenten und verbraucher der aluminiumindustrie geworden, war aber immer noch am mittleren und unteren ende der aluminiumindustriekette. es gibt nur wenige high-end-legierungsmaterialien, die unabhängig entwickelt wurden, und high-end-produkte stützen sich stark auf importe. high-end-casting-aluminium-legierungen, die durch die al-cu- und al-zn-serie vertreten werden, weisen bemerkenswerte eigenschaften wie hohe stärke und gute gussleistung auf. die kosten für die verwendung seltener elemente sind jedoch bitter hoch und begrenzen die anwendung von aluminiumlegierungen. since the 1990s, russia has invested heavily in the development of aluminum-scandium alloys, currently in a leading position in the world aluminum-scandium alloy market, with 10 series and 40 grades of aluminum-scandium alloys, and has formed ai-mg-sc, ai-zn-mg-sc, ai-zn-mg-cu-sc, ai-mg-li-sc, and ai-cu-mg-sc die serien deformierte aluminiumlegierungen und der skandiumgehalt beträgt nur 0,18% bis 0,5%. china begann spät in der entwicklung von aluminium-scandium-legierungen und hat derzeit nur zwei klassen, was im vergleich zu russland eine große lücke darstellt.

im jahr 2020 sind die sc -reserven der welt etwa 2200 kt, von denen 90% bis 95% in bauxit, phosphor und ilmenit gefunden werden, die hauptsächlich in russland und china verteilt sind. pure sc ist silberweiß mit einer leichten gelben tönung und hat einen metallischen glanz. es ist ziemlich weich und kann in dünne blätter gerollt werden, ohne tempern zu trinken. obwohl die menge an sc und seinen verbindungen nicht groß ist, sind ihre anwendungsbereiche sehr breit und umfassen alle bereiche von materialien wie nichteisenmaterialien, elektrische lichtquellenmaterialien, präzisionskeramik, feste elektrolyte, katalytische materialien, materialien der kernindustrie, laserkristalle, halbleiter und überlastende materialien.

tabelle 1 verteilung der wichtigsten skandium-haltigen mineralien in china

quelle: überblick über chinas skandiumerzressourcen und vorschläge für die industrielle entwicklung

in bezug auf die forschungsentwicklung und anwendung von al-sc-legierungen stehen die ehemalige sowjetunion und russland an vorderster front und haben eine reihe von aluminium-scandium-legierungen mit hervorragender leistung entwickelt, wie die 1420-legierung, die in flugzeugstrukturen weit verbreitet ist. die 1421 legierung ist eine al-mg-li-zr-sc-legierung, die sc enthält, und die extrudierten profile wurden verwendet, um die längsstrahlen von transportflugzeugenrumpf herzustellen und gut aufgenommen wurden.

abbildung 2 aluminium-scandium-legierungsplatte

auswirkungen von skandium auf die aluminiumlegierung

laut der forschung von dg eskin, einem wissenschaftler an der brunel university in großbritannien, ist sc der beste raffiner für aluminium- und aluminiumlegierungen und hat den größten verfeinerungseffekt. sc und 15 elemente der y- und la -serie gehören zur iii -b -gruppe der elementperiode. die wichtigsten chemischen eigenschaften ähneln denen der elemente der y- und la -serien und haben den gleichen oxidationszustand. die gitterkonstante, die dichte und einige physikalische und mechanische eigenschaften von skandium liegen nahe an denen von aluminium, was es zu einem idealen legierungselement für aluminiumlegierungen macht. die skandiumdichte beträgt nur 2,99 g/cm³ und gehört zu demselben lichtmetall wie aluminium. darüber hinaus hat es eine viel stärkere stärkung auf aluminiumlegierungen als andere elemente. als übergangselement und seltenerdelement kann es nicht nur die gusslegierungskörner signifikant verfeinern, die rekristallisierungstemperatur erhöhen und somit die festigkeit und zähigkeit von aluminiumlegierungen verbessern, sondern auch die schweißbarkeit, wärmebeständigkeit, korrosionsbeständigkeit, thermische stabilität und widerstand gegen neutronstrahlungsschaden von aluminum -aluminum -legländern erheblich verbessern. daher gilt eine aluminium-scandium-legierung als neue generation von hochleistungs-aluminium-legierungsstrukturmaterial für luft- und raumfahrt und schiffe.

sc wirkt sich magisch auf die getreideverfeinerung von aluminium- und aluminiumlegierungen aus. wenn sie nur ein paar tausendstel sc hinzufügen, wird die intermetallische phase von al3sc produziert, die einen signifikanten kornverfeinerungs-effekt auf aluminium- und aluminiumlegierungen aufweist und die hochtemperaturstärke, die strukturelle stabilität, die schweißfähigkeit und die korrosionsresistenz der legierungsresistenz für die langzeitmischung, die bei der langzeitmischung, und die langzeitmischung, und die langzeitmischtemperaturverbesserung, erheblich verbessert werden können.

eine kleine menge skandium kann die eigenschaften von aluminiumlegierungen erheblich verändern. scandium hat einen guten dispersionseffekt auf aluminium und behält eine stabile nicht rekonkristallisierte struktur im zustand der heißen verarbeitung oder tempel bei. die inhibitorische wirkung von skandium auf die rekristallisation kann die rekristallisierte struktur in der wärmegeräten zone der schweißnaht beseitigen, so dass die geschweißte gelenk, die aluminium-scandium-legierung enthält, eine höhere festigkeit und korrosionsbeständigkeit aufweist. gleichzeitig ist die verbesserung der korrosionsresistenz der aluminiumlegierung durch skandium auch auf die verfeinerung von körnern und die hemmung des rekristallisationsprozesses durch skandium zurückzuführen. durch hinzufügen von skandium kann auch aluminiumlegierung eine gute superplastizität aufweisen. nach der superplastischen behandlung kann die dehnung der aluminiumlegierung mit etwa 0,5% skandium 1100% erreichen. beispielsweise ist die ertragsfestigkeit der aluminium-scandium-legierung 150% höher als die von aluminium-magnesium-legierung und kann gleichzeitig die dichte und korrosionsbeständigkeit aufrechterhalten. darüber hinaus erhöht skandium auch die qualität von legierungsschweißverbindungen, vermeidet das schweißnaht und erhöht die lebensdauer um 200%. daher wird erwartet, dass eine aluminium-scandium-legierung zu einer neuen generation leichter struktureller materialien für die luft- und raumfahrt-, luftfahrt- und schiffbauindustrie wird.

abbildung 3 aluminium-scandium-legierung geformte teile