Sebagai paduan ringan yang sangat penting untuk peralatan transportasi penerbangan, sifat mekanik makroskopik paduan aluminium terkait erat dengan struktur mikronya. Dengan mengubah elemen paduan utama dalam struktur paduan aluminium, struktur mikro paduan aluminium dapat diubah, dan sifat mekanik makroskopik serta sifat lainnya (seperti ketahanan korosi dan kinerja pengelasan) material dapat ditingkatkan secara signifikan. Hingga saat ini, paduan mikro telah menjadi strategi pengembangan teknologi yang paling menjanjikan untuk mengoptimalkan struktur mikro paduan aluminium dan meningkatkan sifat komprehensif material paduan aluminium.Skandium(Sc) adalah penambah elemen mikropaduan yang paling efektif yang dikenal untuk paduan aluminium. Kelarutan skandium dalam matriks aluminium kurang dari 0,35 wt.%, Menambahkan sejumlah kecil elemen skandium ke paduan aluminium dapat secara efektif meningkatkan struktur mikronya, secara komprehensif meningkatkan kekuatan, kekerasan, plastisitas, stabilitas termal, dan ketahanan korosi. Skandium memiliki banyak efek fisik dalam paduan aluminium, termasuk penguatan larutan padat, penguatan partikel, dan penghambatan rekristalisasi. Artikel ini akan memperkenalkan perkembangan historis, kemajuan terbaru, dan aplikasi potensial paduan aluminium yang mengandung skandium di bidang manufaktur peralatan penerbangan.
Penelitian dan Pengembangan Paduan Aluminium Scandium
Penambahan skandium sebagai elemen paduan pada paduan aluminium dapat ditelusuri kembali ke tahun 1960-an. Pada saat itu, sebagian besar pekerjaan dilakukan dalam sistem paduan biner Al Sc dan terner AlMg Sc. Pada tahun 1970-an, Institut Metalurgi dan Ilmu Material Baykov dari Akademi Ilmu Pengetahuan Soviet dan Institut Penelitian Paduan Ringan Seluruh Rusia melakukan studi sistematis tentang bentuk dan mekanisme skandium dalam paduan aluminium. Setelah hampir empat puluh tahun upaya, 14 tingkatan paduan aluminium skandium telah dikembangkan dalam tiga seri utama (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc). Kelarutan atom skandium dalam aluminium rendah, dan dengan menggunakan proses perlakuan panas yang tepat, endapan nano Al3Sc dengan kepadatan tinggi dapat diendapkan. Fase presipitasi ini hampir berbentuk bulat, dengan partikel kecil dan distribusi terdispersi, dan memiliki hubungan koheren yang baik dengan matriks aluminium, yang dapat sangat meningkatkan kekuatan paduan aluminium pada suhu ruangan. Selain itu, endapan nano Al3Sc memiliki stabilitas termal dan ketahanan pengasaran yang baik pada suhu tinggi (dalam 400 ℃), yang sangat bermanfaat untuk ketahanan panas yang kuat dari paduan tersebut. Dalam paduan aluminium skandium buatan Rusia, paduan 1570 telah menarik banyak perhatian karena kekuatannya yang tertinggi dan aplikasi terluas. Paduan ini menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam kisaran suhu kerja -196 ℃ hingga 70 ℃ dan memiliki superplastisitas alami, yang dapat menggantikan paduan aluminium LF6 buatan Rusia (paduan aluminium magnesium yang sebagian besar terdiri dari aluminium, magnesium, tembaga, mangan, dan silikon) untuk struktur pengelasan penahan beban dalam media oksigen cair, dengan kinerja yang ditingkatkan secara signifikan. Selain itu, Rusia juga telah mengembangkan paduan aluminium seng magnesium skandium, yang diwakili oleh tahun 1970, dengan kekuatan material lebih dari 500MPa.
Status IndustrialisasiPaduan Aluminium Skandium
Pada tahun 2015, Uni Eropa merilis “Peta Jalan Metalurgi Eropa: Prospek bagi Produsen dan Pengguna Akhir”, yang mengusulkan untuk mempelajari kemampuan las aluminiumpaduan magnesium skandiumPada bulan September 2020, Uni Eropa merilis daftar 29 sumber daya mineral utama, termasuk skandium. Paduan aluminium magnesium skandium 5024H116 yang dikembangkan oleh Ale Aluminium di Jerman memiliki kekuatan sedang hingga tinggi dan toleransi kerusakan yang tinggi, menjadikannya bahan yang sangat menjanjikan untuk kulit badan pesawat. Ini dapat digunakan untuk menggantikan paduan aluminium seri 2xxx tradisional dan telah disertakan dalam buku pengadaan material AIMS03-01-055 Airbus. 5028 adalah tingkat perbaikan dari 5024, cocok untuk pengelasan laser dan pengelasan gesekan aduk. Ini dapat mencapai proses pembentukan creep panel dinding integral hiperbolik, yang tahan korosi dan tidak memerlukan lapisan aluminium. Dibandingkan dengan paduan 2524, keseluruhan struktur panel dinding badan pesawat dapat mencapai pengurangan berat struktural 5%. Lembaran paduan aluminium skandium AA5024-H116 yang diproduksi oleh Aili Aluminium Company telah digunakan untuk memproduksi badan pesawat dan komponen struktural pesawat ruang angkasa. Ketebalan khas lembaran paduan AA5024-H116 adalah 1,6 mm hingga 8,0 mm, dan karena kepadatannya yang rendah, sifat mekanis sedang, ketahanan korosi yang tinggi, dan deviasi dimensi yang ketat, ia dapat menggantikan paduan 2524 sebagai bahan kulit badan pesawat. Saat ini, lembaran paduan AA5024-H116 telah disertifikasi oleh Airbus AIMS03-04-055. Pada bulan Desember 2018, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi Tiongkok merilis “Katalog Panduan untuk Gelombang Pertama Demonstrasi Aplikasi Sekunder Material Baru Utama (Edisi 2018)”, yang menyertakan “skandium oksida dengan kemurnian tinggi” dalam katalog pengembangan industri material baru. Pada tahun 2019, Kementerian Perindustrian dan Teknologi Informasi Tiongkok merilis “Katalog Panduan untuk Gelombang Pertama Aplikasi Demonstrasi Material Baru Utama (Edisi 2019)”, yang mencakup “material pemrosesan paduan aluminium yang mengandung Sc dan kawat las Al Si Sc” dalam katalog pengembangan industri material baru. China Aluminium Group Northeast Light Alloy telah mengembangkan paduan Al Mg Sc Zr seri 5B70 yang mengandung skandium dan zirkonium. Dibandingkan dengan paduan Al Mg seri 5083 tradisional tanpa skandium dan zirkonium, hasil dan kekuatan tariknya telah meningkat lebih dari 30%. Selain itu, paduan Al Mg Sc Zr dapat mempertahankan ketahanan korosi yang sebanding dengan paduan 5083. Saat ini, perusahaan domestik utama dengan kelas industripaduan aluminium skandiumKapasitas produksi adalah Northeast Light Alloy Company dan Southwest Aluminium Industry. Lembaran paduan aluminium skandium 5B70 berukuran besar yang dikembangkan oleh Northeast Light Alloy Co., Ltd. dapat memasok pelat tebal paduan aluminium besar dengan ketebalan maksimum 70mm dan lebar maksimum 3500mm; Produk lembaran tipis dan produk profil dapat disesuaikan untuk produksi, dengan kisaran ketebalan 2mm hingga 6mm dan lebar maksimum 1500mm. Southwest Aluminium telah mengembangkan material 5K40 secara independen dan membuat kemajuan signifikan dalam pengembangan pelat tipis. Paduan Al Zn Mg adalah paduan pengerasan waktu dengan kekuatan tinggi, kinerja pemrosesan yang baik, dan kinerja pengelasan yang sangat baik. Ini adalah bahan struktural yang sangat diperlukan dan penting dalam kendaraan transportasi saat ini seperti pesawat terbang. Atas dasar AlZn Mg yang dapat dilas dengan kekuatan sedang, menambahkan elemen paduan skandium dan zirkonium dapat membentuk nanopartikel Al3 (Sc, Zr) yang kecil dan tersebar dalam struktur mikro, secara signifikan meningkatkan sifat mekanik dan ketahanan korosi tegangan dari paduan tersebut. Pusat Penelitian Langley NASA telah mengembangkan paduan aluminium skandium terner dengan mutu C557, yang siap diaplikasikan dalam misi model. Kekuatan statis, perambatan retak, dan ketangguhan patah paduan ini pada suhu rendah (-200 ℃), suhu ruangan, dan suhu tinggi (107 ℃) semuanya sama atau lebih baik daripada paduan 2524. Universitas Northwestern di Amerika Serikat telah mengembangkan paduan AlZn Mg Sc seri 7000 paduan aluminium kekuatan sangat tinggi, dengan kekuatan tarik hingga 680MPa. Pola pengembangan sambungan antara paduan aluminium skandium kekuatan sedang tinggi dan Al Zn Mg Sc kekuatan sangat tinggi telah terbentuk. Paduan Al Zn Mg Cu Sc adalah paduan aluminium kekuatan tinggi dengan kekuatan tarik melebihi 800 MPa. Saat ini, komposisi nominal dan parameter kinerja dasar dari mutu utamapaduan aluminium skandiumdirangkum sebagai berikut, seperti ditunjukkan pada Tabel 1 dan 2.
Tabel 1 | Komposisi Nominal Paduan Aluminium Scandium
Tabel 2 | Struktur Mikro dan Sifat Tarik Paduan Aluminium Scandium
Prospek aplikasi paduan aluminium skandium
Paduan Al Zn Mg Cu Sc dan Al CuLi Sc berkekuatan tinggi telah diaplikasikan pada komponen struktural penahan beban, termasuk jet tempur Rusia MiG-21 dan MiG-29. Dasbor pesawat ruang angkasa Rusia “Mars-1″ terbuat dari paduan aluminium skandium 1570, dengan pengurangan berat total sebesar 20%. Komponen penahan beban modul instrumen pesawat ruang angkasa Mars-96 terbuat dari paduan aluminium 1970 yang mengandung skandium, sehingga mengurangi berat modul instrumen sebesar 10%. Dalam program “Clean Sky” dan proyek “2050 Flight Route” Uni Eropa, Airbus melakukan desain pintu ruang kargo terpadu, penelitian dan pengembangan, manufaktur, dan uji terbang pemasangan untuk pesawat A321 berdasarkan paduan aluminium skandium AA5028-H116 kelas penerus dari paduan aluminium skandium 5024. Paduan aluminium skandium yang diwakili oleh AA5028 menunjukkan kinerja pemrosesan dan pengelasan yang sangat baik. Memanfaatkan teknik pengelasan canggih seperti pengelasan gesek aduk dan pengelasan laser untuk mencapai sambungan yang andal dari bahan paduan aluminium yang mengandung skandium. Penerapan bertahap “pengelasan alih-alih paku keling” dalam struktur pelat tipis yang diperkuat pesawat tidak hanya menjaga konsistensi bahan pesawat dan integritas struktural, mencapai manufaktur yang efisien dan berbiaya rendah, tetapi juga memiliki efek pengurangan berat dan penyegelan. Penelitian aplikasi paduan aluminium skandium 5B70 oleh Institut Penelitian Material Khusus Dirgantara Tiongkok telah menembus teknologi pemintalan kuat komponen ketebalan dinding variabel, kontrol ketahanan korosi dan pencocokan kekuatan, dan kontrol tegangan sisa pengelasan. Telah menyiapkan kawat las adaptif paduan aluminium skandium, dan koefisien kekuatan sambungan pengelasan gesekan aduk untuk pelat tebal dalam paduan dapat mencapai 0,92. Akademi Teknologi Luar Angkasa Tiongkok, Universitas Central South, dan lainnya telah melakukan pengujian kinerja mekanis dan eksperimen proses yang ekstensif pada material 5B70, meningkatkan dan mengulangi skema pemilihan material struktural untuk 5A06, dan telah mulai menerapkan paduan aluminium 5B70 ke struktur utama panel dinding yang diperkuat secara keseluruhan dari kabin tertutup stasiun ruang angkasa dan kabin kembali. Panel dinding keseluruhan kabin bertekanan struktur pelat dirancang dengan kombinasi kulit dan tulang rusuk penguat, mencapai integrasi struktural yang lebih tinggi dan pengoptimalan berat. Sambil meningkatkan kekakuan dan kekuatan keseluruhan, ini mengurangi jumlah dan kompleksitas komponen penghubung, sehingga semakin mengurangi berat sambil mempertahankan kinerja tinggi. Dengan promosi penerapan Rekayasa material 5B70, penggunaan material 5B70 akan meningkat secara bertahap dan melampaui ambang batas pasokan minimum, yang akan membantu memastikan produksi berkelanjutan dan kualitas bahan baku yang stabil, dan secara signifikan mengurangi harga bahan baku. Seperti yang disebutkan sebelumnya, meskipun banyak sifat paduan aluminium telah ditingkatkan melalui mikropaduan skandium, harga yang tinggi dan kelangkaan skandium membatasi rentang aplikasi paduan aluminium skandium. Dibandingkan dengan bahan paduan aluminium seperti Al Cu, Al Zn, Al ZnMg, bahan paduan aluminium yang mengandung skandium memiliki sifat mekanis komprehensif yang baik, ketahanan terhadap korosi, dan karakteristik pemrosesan yang sangat baik, yang membuatnya memiliki prospek aplikasi yang luas dalam pembuatan komponen struktural utama di bidang industri seperti kedirgantaraan. Dengan pendalaman penelitian yang berkelanjutan tentang teknologi mikropaduan skandium dan peningkatan rantai pasokan dan pencocokan rantai industri, faktor harga dan biaya yang membatasi aplikasi industri skala besar paduan aluminium skandium akan secara bertahap membaik. Sifat mekanis komprehensif yang baik, ketahanan terhadap korosi, dan karakteristik pemrosesan yang sangat baik dari paduan aluminium skandium membuatnya memiliki keunggulan pengurangan berat struktural yang jelas dan potensi aplikasi yang luas di bidang manufaktur peralatan penerbangan.
Waktu posting: 29-Okt-2024