เนื่องจากเป็นโลหะผสมที่มีน้ำหนักเบาและมีความสำคัญต่ออุปกรณ์ขนส่งทางอากาศ คุณสมบัติทางกลของโลหะผสมอลูมิเนียมจึงมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมอลูมิเนียม โดยการเปลี่ยนองค์ประกอบโลหะผสมหลักในโครงสร้างโลหะผสมอลูมิเนียม จะทำให้โครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมอลูมิเนียมเปลี่ยนแปลงไป และคุณสมบัติทางกลของโลหะผสมอลูมิเนียมและคุณสมบัติอื่นๆ (เช่น ความต้านทานการกัดกร่อนและประสิทธิภาพการเชื่อม) ของวัสดุสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นได้อย่างมาก จนถึงขณะนี้ การผสมโลหะผสมอลูมิเนียมแบบไมโครได้กลายเป็นกลยุทธ์การพัฒนาเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมอลูมิเนียมและปรับปรุงคุณสมบัติโดยรวมของวัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม(Sc) เป็นสารเพิ่มประสิทธิภาพของไมโครอัลลอยด์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับโลหะผสมอะลูมิเนียม ความสามารถในการละลายของสแกนเดียมในเมทริกซ์อะลูมิเนียมน้อยกว่า 0.35% โดยน้ำหนัก การเติมสแกนเดียมในปริมาณเล็กน้อยลงในโลหะผสมอะลูมิเนียมสามารถปรับปรุงโครงสร้างจุลภาคได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียว ความเสถียรทางความร้อน และความต้านทานการกัดกร่อนอย่างครอบคลุม สแกนเดียมมีผลทางกายภาพหลายประการในโลหะผสมอะลูมิเนียม รวมถึงการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง การเสริมความแข็งแรงด้วยอนุภาค และการยับยั้งการตกผลึกใหม่ บทความนี้จะแนะนำการพัฒนาในอดีต ความก้าวหน้าล่าสุด และการประยุกต์ใช้ที่เป็นไปได้ของโลหะผสมอะลูมิเนียมที่มีสแกนเดียมในด้านการผลิตอุปกรณ์การบิน
การวิจัยและพัฒนาโลหะผสมอะลูมิเนียมสแกนเดียม
การเติมสแกนเดียมเป็นองค์ประกอบโลหะผสมในโลหะผสมอะลูมิเนียมสามารถสืบย้อนไปได้ถึงช่วงทศวรรษ 1960 ในเวลานั้น งานส่วนใหญ่ดำเนินการในระบบโลหะผสม Al Sc แบบไบนารีและ AlMg Sc แบบเทอร์นารี ในช่วงทศวรรษ 1970 สถาบัน Baykov Institute of Metallurgy and Materials Science แห่ง Soviet Academy of Sciences และ All Russian Institute of Light Alloy Research ได้ทำการศึกษาวิจัยอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับรูปแบบและกลไกของสแกนเดียมในโลหะผสมอะลูมิเนียม หลังจากความพยายามเกือบสี่สิบปี โลหะผสมสแกนเดียมอะลูมิเนียม 14 เกรดจึงได้รับการพัฒนาเป็น 3 กลุ่มหลัก (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc) ความสามารถในการละลายของอะตอมสแกนเดียมในอะลูมิเนียมนั้นต่ำ และด้วยการใช้กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนที่เหมาะสม จึงสามารถตกตะกอนนาโน Al3Sc ที่มีความหนาแน่นสูงได้ เฟสการตกตะกอนนี้เกือบจะเป็นทรงกลม มีอนุภาคขนาดเล็กและกระจายตัว และมีความสัมพันธ์ที่ดีกับเมทริกซ์อลูมิเนียม ซึ่งสามารถปรับปรุงความแข็งแรงของโลหะผสมอลูมิเนียมที่อุณหภูมิห้องได้อย่างมาก นอกจากนี้ ตะกอนนาโน Al3Sc ยังมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีและทนต่อการหยาบที่อุณหภูมิสูง (ภายใน 400 ℃) ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งต่อการทนความร้อนของโลหะผสม ในโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมที่ผลิตในรัสเซีย โลหะผสม 1570 ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีความแข็งแรงสูงสุดและใช้งานได้หลากหลายที่สุด โลหะผสมนี้แสดงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมในช่วงอุณหภูมิการทำงาน -196 ℃ ถึง 70 ℃ และมีคุณสมบัติพิเศษตามธรรมชาติ ซึ่งสามารถแทนที่โลหะผสมอลูมิเนียม LF6 ที่ผลิตในรัสเซีย (โลหะผสมอลูมิเนียมแมกนีเซียมที่ประกอบด้วยอลูมิเนียม แมกนีเซียม ทองแดง แมงกานีส และซิลิกอนเป็นหลัก) สำหรับโครงสร้างเชื่อมรับน้ำหนักในตัวกลางออกซิเจนเหลว โดยมีประสิทธิภาพที่ดีขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ รัสเซียยังพัฒนาโลหะผสมอลูมิเนียมสังกะสีแมกนีเซียมสแกนเดียม ซึ่งแสดงตั้งแต่ปี 1970 โดยมีความแข็งแรงของวัสดุมากกว่า 500MPa
สถานะการพัฒนาอุตสาหกรรมของโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม
ในปี 2558 สหภาพยุโรปเผยแพร่ “แผนงานโลหะวิทยาของยุโรป: แนวโน้มสำหรับผู้ผลิตและผู้ใช้ปลายทาง” โดยเสนอให้ศึกษาความสามารถในการเชื่อมของอลูมิเนียมโลหะผสมแมกนีเซียมสแกนเดียมในเดือนกันยายน 2020 สหภาพยุโรปได้เผยแพร่รายชื่อแหล่งทรัพยากรแร่สำคัญ 29 รายการ รวมถึงสแกนเดียม โลหะผสมอลูมิเนียมแมกนีเซียมสแกนเดียม 5024H116 ที่พัฒนาโดย Ale Aluminum ในเยอรมนีมีความแข็งแรงปานกลางถึงสูงและทนต่อความเสียหายได้สูง ทำให้เป็นวัสดุที่มีแนวโน้มดีมากสำหรับผิวลำตัวเครื่องบิน สามารถใช้แทนโลหะผสมอลูมิเนียมซีรีส์ 2xxx แบบดั้งเดิมได้ และรวมอยู่ในหนังสือจัดซื้อวัสดุ AIMS03-01-055 ของ Airbus 5028 เป็นเกรด 5024 ที่ได้รับการปรับปรุง เหมาะสำหรับการเชื่อมด้วยเลเซอร์และการเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน สามารถบรรลุกระบวนการขึ้นรูปการคืบของแผงผนังไฮเปอร์โบลิกอินทิกรัล ซึ่งทนต่อการกัดกร่อนและไม่จำเป็นต้องเคลือบอลูมิเนียม เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสม 2524 โครงสร้างแผงผนังโดยรวมของลำตัวเครื่องบินสามารถลดน้ำหนักโครงสร้างได้ 5% แผ่นโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม AA5024-H116 ที่ผลิตโดย Aili Aluminum Company ถูกใช้ในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างลำตัวเครื่องบินและยานอวกาศ ความหนาทั่วไปของแผ่นโลหะผสม AA5024-H116 คือ 1.6 มม. ถึง 8.0 มม. และเนื่องจากความหนาแน่นต่ำ คุณสมบัติเชิงกลปานกลาง ทนต่อการกัดกร่อนสูง และค่าเบี่ยงเบนมิติที่เข้มงวด จึงสามารถใช้แทนโลหะผสม 2524 เป็นวัสดุผิวลำตัวเครื่องบินได้ ปัจจุบัน แผ่นโลหะผสม AA5024-H116 ได้รับการรับรองโดย Airbus AIMS03-04-055 ในเดือนธันวาคม 2018 กระทรวงอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีสารสนเทศของจีนเผยแพร่ "แคตตาล็อกแนวทางสำหรับการสาธิตการใช้งานรองชุดแรกของวัสดุใหม่ที่สำคัญ (ฉบับปี 2018)" ซึ่งรวมถึง "สแกนเดียมออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง" ในแคตตาล็อกการพัฒนาของอุตสาหกรรมวัสดุใหม่ ในปี 2019 กระทรวงอุตสาหกรรมและเทคโนโลยีสารสนเทศของจีนได้เผยแพร่ "แคตตาล็อกแนวทางสำหรับการใช้งานสาธิตชุดแรกของวัสดุใหม่ที่สำคัญ (ฉบับปี 2019)" ซึ่งรวมถึง "วัสดุแปรรูปโลหะผสมอลูมิเนียมที่มี Sc และลวดเชื่อม Al Si Sc" ในแคตตาล็อกการพัฒนาของอุตสาหกรรมวัสดุใหม่ China Aluminum Group Northeast Light Alloy ได้พัฒนาโลหะผสมซีรีส์ 5B70 ของ Al Mg Sc Zr ที่ประกอบด้วยสแกนเดียมและเซอร์โคเนียม เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมซีรีส์ 5083 ของ Al Mg แบบดั้งเดิมที่ไม่มีสแกนเดียมและเซอร์โคเนียม ผลผลิตและความแข็งแรงในการดึงจะเพิ่มขึ้นมากกว่า 30% นอกจากนี้ โลหะผสม Al Mg Sc Zr ยังสามารถรักษาความต้านทานการกัดกร่อนที่เทียบเคียงได้กับโลหะผสม 5083 ในปัจจุบัน บริษัทในประเทศหลักที่มีเกรดอุตสาหกรรมโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมกำลังการผลิตของบริษัท Northeast Light Alloy และ Southwest Aluminum Industry แผ่นโลหะผสมสแกนเดียมอลูมิเนียม 5B70 ขนาดใหญ่ที่พัฒนาโดย Northeast Light Alloy Co., Ltd. สามารถจัดหาแผ่นโลหะผสมอลูมิเนียมหนาขนาดใหญ่ที่มีความหนาสูงสุด 70 มม. และความกว้างสูงสุด 3,500 มม. ผลิตภัณฑ์แผ่นบางและผลิตภัณฑ์โปรไฟล์สามารถปรับแต่งสำหรับการผลิตได้ โดยมีช่วงความหนาตั้งแต่ 2 มม. ถึง 6 มม. และความกว้างสูงสุด 1,500 มม. Southwest Aluminum ได้พัฒนาวัสดุ 5K40 อย่างอิสระและมีความคืบหน้าอย่างมากในการพัฒนาแผ่นบาง โลหะผสม Al Zn Mg เป็นโลหะผสมที่ชุบแข็งตามเวลาที่มีความแข็งแรงสูง ประสิทธิภาพการประมวลผลที่ดี และประสิทธิภาพการเชื่อมที่ยอดเยี่ยม เป็นวัสดุโครงสร้างที่ขาดไม่ได้และสำคัญในยานพาหนะขนส่งในปัจจุบัน เช่น เครื่องบิน บนพื้นฐานของ AlZn Mg ที่สามารถเชื่อมได้ซึ่งมีความแข็งแรงปานกลาง การเติมองค์ประกอบโลหะผสมสแกนเดียมและเซอร์โคเนียมสามารถสร้างอนุภาคนาโน Al3 (Sc, Zr) ขนาดเล็กและกระจัดกระจายในโครงสร้างจุลภาค ซึ่งปรับปรุงคุณสมบัติเชิงกลและความต้านทานการกัดกร่อนจากความเค้นของโลหะผสมได้อย่างมีนัยสำคัญ ศูนย์วิจัยแลงลีย์ของ NASA ได้พัฒนาโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมสามองค์ประกอบเกรด C557 ซึ่งพร้อมสำหรับใช้ในภารกิจจำลอง ความแข็งแรงคงที่ การแพร่กระจายของรอยแตกร้าว และความเหนียวในการแตกหักของโลหะผสมนี้ที่อุณหภูมิต่ำ (-200 ℃) อุณหภูมิห้อง และอุณหภูมิสูง (107 ℃) ล้วนเท่าเทียมหรือดีกว่าโลหะผสม 2524 มหาวิทยาลัยนอร์ทเวสเทิร์นในสหรัฐอเมริกาได้พัฒนาโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษซีรีส์ 7000 AlZn Mg Sc ที่มีความแข็งแรงในการดึงสูงถึง 680MPa รูปแบบของการพัฒนาข้อต่อระหว่างโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมที่มีความแข็งแรงปานกลางและสูงกับ Al Zn Mg Sc ที่มีความแข็งแรงสูงพิเศษได้เกิดขึ้นแล้ว โลหะผสม Al Zn Mg Cu Sc เป็นโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงสูงที่มีความแข็งแรงในการดึงเกิน 800 MPa ในปัจจุบัน องค์ประกอบตามชื่อและพารามิเตอร์ประสิทธิภาพพื้นฐานของเกรดหลักของโลหะผสมเหล่านี้โลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมสรุปได้ดังนี้ ดังแสดงในตารางที่ 1 และ 2
ตารางที่ 1 | องค์ประกอบตามชื่อของโลหะผสมอะลูมิเนียมสแกนเดียม
ตารางที่ 2 | โครงสร้างจุลภาคและสมบัติแรงดึงของโลหะผสมอะลูมิเนียมสแกนเดียม
แนวโน้มการประยุกต์ใช้ของโลหะผสมอะลูมิเนียมสแกนเดียม
โลหะผสม Al Zn Mg Cu Sc และ Al CuLi Sc ที่มีความแข็งแรงสูงถูกนำมาประยุกต์ใช้กับส่วนประกอบโครงสร้างรับน้ำหนัก รวมถึงเครื่องบินขับไล่ MiG-21 และ MiG-29 ของรัสเซีย แผงหน้าปัดของยานอวกาศรัสเซีย “Mars-1″ ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์สแกนเดียม 1570 ซึ่งลดน้ำหนักได้ 20% ส่วนประกอบรับน้ำหนักของโมดูลเครื่องมือวัดของยานอวกาศ Mars-96 ทำจากอลูมิเนียมอัลลอยด์ 1970 ที่มีสแกนเดียม ทำให้โมดูลเครื่องมือวัดลดน้ำหนักได้ 10% ในโครงการ “ท้องฟ้าสะอาด” และโครงการ “เส้นทางการบิน 2050” ของสหภาพยุโรป แอร์บัสได้ทำการออกแบบประตูห้องเก็บสัมภาระแบบบูรณาการ วิจัยและพัฒนา ผลิต และทดสอบการบินติดตั้งสำหรับเครื่องบิน A321 โดยใช้อลูมิเนียมอัลลอยด์สแกนเดียมเกรด AA5028-H116 ซึ่งเป็นรุ่นต่อมาจากอลูมิเนียมอัลลอยด์สแกนเดียม 5024 อลูมิเนียมอัลลอยด์สแกนเดียมที่แสดงโดย AA5028 แสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการประมวลผลและการเชื่อมที่ยอดเยี่ยม การใช้เทคนิคการเชื่อมขั้นสูง เช่น การเชื่อมแบบเสียดทานและการเชื่อมด้วยเลเซอร์ เพื่อให้ได้การเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้ของวัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีสแกนเดียม การนำ “การเชื่อมแทนการหมุดย้ำ” มาใช้อย่างค่อยเป็นค่อยไปในโครงสร้างแผ่นบางเสริมแรงของเครื่องบินไม่เพียงแต่รักษาความสม่ำเสมอของวัสดุเครื่องบินเท่านั้น และความสมบูรณ์ของโครงสร้าง ทำให้การผลิตมีประสิทธิภาพและต้นทุนต่ำ แต่ยังมีการลดน้ำหนักและผลการปิดผนึกอีกด้วย การวิจัยการประยุกต์ใช้โลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม 5B70 โดยสถาบันวิจัยวัสดุพิเศษด้านอวกาศแห่งประเทศจีนได้ก้าวข้ามเทคโนโลยีการปั่นชิ้นส่วนที่มีความหนาของผนังที่หลากหลาย การควบคุมความต้านทานการกัดกร่อนและการจับคู่ความแข็งแรง และการควบคุมความเค้นตกค้างจากการเชื่อม โดยได้เตรียมลวดเชื่อมแบบปรับตัวของโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม และค่าสัมประสิทธิ์ความแข็งแรงของข้อต่อของการเชื่อมแบบกวนแรงเสียดทานสำหรับแผ่นหนาในโลหะผสมสามารถเข้าถึง 0.92 ได้ China Academy of Space Technology, Central South University และสถาบันอื่นๆ ได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพเชิงกลและการทดลองกระบวนการอย่างละเอียดถี่ถ้วนกับวัสดุ 5B70 ปรับปรุงและทำซ้ำแผนการเลือกวัสดุโครงสร้างสำหรับ 5A06 และเริ่มนำโลหะผสมอลูมิเนียม 5B70 ไปใช้กับโครงสร้างหลักของแผงผนังเสริมแรงโดยรวมของห้องโดยสารที่ปิดสนิทของสถานีอวกาศและห้องโดยสารขากลับ แผงผนังโดยรวมของห้องโดยสารที่มีแรงดันได้รับการออกแบบด้วยการผสมผสานระหว่างผิวและซี่โครงเสริมแรง ทำให้โครงสร้างบูรณาการได้ดีขึ้นและปรับน้ำหนักให้เหมาะสม ในขณะที่ปรับปรุงความแข็งแกร่งและความแข็งแกร่งโดยรวมแล้ว ยังช่วยลดจำนวน และความซับซ้อนของการเชื่อมต่อส่วนประกอบ จึงช่วยลดน้ำหนักลงอีกในขณะที่ยังคงประสิทธิภาพสูง ด้วยการส่งเสริมการใช้วัสดุวิศวกรรม 5B70 การใช้วัสดุ 5B70 จะค่อยๆ เพิ่มขึ้นและเกินเกณฑ์ขั้นต่ำในการจัดหา ซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่าการผลิตอย่างต่อเนื่องและคุณภาพของวัตถุดิบจะคงที่ และลดราคาของวัตถุดิบได้อย่างมาก ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ แม้ว่าคุณสมบัติหลายประการของโลหะผสมอลูมิเนียมจะได้รับการปรับปรุงผ่านการทำโลหะผสมแบบไมโครสแกนเดียม แต่ราคาที่สูงและความหายากของสแกนเดียมก็จำกัดขอบเขตการใช้งานของโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียม เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุโลหะผสมอลูมิเนียม เช่น Al Cu, Al Zn, Al ZnMg แล้ว วัสดุโลหะผสมอลูมิเนียมที่มีสแกนเดียมมีคุณสมบัติทางกลโดยรวมที่ดี ทนต่อการกัดกร่อน และมีลักษณะการประมวลผลที่ยอดเยี่ยม ซึ่งทำให้มีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในการผลิตส่วนประกอบโครงสร้างหลักในสาขาอุตสาหกรรม เช่น การบินและอวกาศ ด้วยการวิจัยที่เจาะลึกอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับเทคโนโลยีการทำโลหะผสมแบบไมโครสแกนเดียมและการปรับปรุงห่วงโซ่อุปทานและการจับคู่ห่วงโซ่อุตสาหกรรม ปัจจัยด้านราคาและต้นทุนที่จำกัดการใช้โลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมในอุตสาหกรรมขนาดใหญ่จะค่อยๆ ปรับปรุง คุณสมบัติทางกลโดยรวมที่ดี ความทนทานต่อการกัดกร่อน และคุณสมบัติการประมวลผลที่ยอดเยี่ยมของโลหะผสมอลูมิเนียมสแกนเดียมทำให้มีข้อได้เปรียบในการลดน้ำหนักโครงสร้างที่ชัดเจน และมีศักยภาพในการนำไปประยุกต์ใช้อย่างกว้างขวางในด้านการผลิตอุปกรณ์การบิน
เวลาโพสต์: 29 ต.ค. 2567