新世代の高性能アルミニウム合金 - アルミニウムスカンド合金

summary】：アルミニウム合金は、国家の経済的建設と安全のための重要な工学材料です。世界のアルミニウム合金材料は、航空宇宙やいくつかの特別な産業部門などの軍事産業のニーズを満たすことに加えて、さまざまな条件や使用を満たすことができるさまざまな特性と機能を備えた一連の新しい民間のアルミニウム合金材料も開発されていることに加えて、高強度や高強度などの高性能方向に向かって発達するにつれて発達します。アルミニウムは、密度とコストが低いため、航空宇宙工学の重要な基本材料でした。ただし、純粋なアルミニウムの性能は、多くの場合、強度、靭性、腐食抵抗のための航空宇宙材料の要件を満たすことができないため、人々はアルミニウム材料の性能を向上させるために純粋なアルミニウムにさまざまな合金要素を追加しようとします。しかし、これまでのところ、中国の高性能アルミニウム合金の調製に関するいくつかの重要な技術には、突破口はありません。多くの重要なモデルに必要な高性能のアルミニウム合金材料は、依然として輸入に依存しています。高性能アルミニウム合金の研究開発はさらに改善する必要があり、アルミニウムスカンド合金に関する研究により、アルミニウム合金に新しい機会がもたらされました！

1.アルミニウム - サンディウム合金の概要

scandium、要素記号sc、原子番号21は、周期表の4番目の期間の最初の遷移要素であり、グループiiibに属します。アルミニウム、要素記号al、周期表の原子番号13は、グループiiiaの金属要素であり、相対密度は2.7g/cm³、融点は660℃、沸点は2327℃です。

図1スカンジウムの紹介

中国はアルミニウム産業の最大の生産者および消費者になりましたが、アルミニウム産業チェーンの中央と低端にまだいます。独立して開発されたハイエンド合金材料はほとんどなく、ハイエンド製品は輸入に大きく依存しています。 al-cuおよびal-znシリーズに代表されるハイエンド鋳造アルミニウム合金は、高強度や優れたキャスティングパフォーマンスなどの顕著な特性を持っています。ただし、希少元素の使用のコストは少し高く、アルミニウム合金の適用が制限されています。 1990年代以来、ロシアはアルミニウム - スカンド合金の開発に多額の投資を行っており、現在は世界のアルミニウム - サンディウム合金市場で主導的な位置にあり、10シリーズと40のグレードのアルミニウム - サンダウム合金を備えており、ai-mg-sc、ai-zn-mg-sc、ai-mg-cu-mg-sc、ai-mg-sc、ai-mg-sc、ai-mg-sc、ai-mg-mg-sc、変形したアルミニウム合金、およびスカンジウム含有量はわずか0.18％から0.5％です。中国はアルミニウム - スカンド合金の開発の後半で開始され、現在は2つのグレードしかありません。これはロシアと比較して大きなギャップです。

2020年には、世界のsc埋蔵量は約2200ktで、そのうち90％から95％がボーキサイト、ホスホライト、イルメナイトで見られ、主にロシアと中国に分布しています。純粋なscは、わずかな黄色の色合いのシルバーホワイトで、金属製の光沢があります。それは非常に柔らかく、アニーリングなしで薄いシートに巻くことができます。 scとその化合物の量は大きくはありませんが、それらの応用領域は非常に広く、非鉄金属合金材料、電気光源材料、精密セラミック、固体電解質、触媒材料、核産業材料、レーザー結晶、半導体、超伝導材料などのすべての材料が含まれます。

表1中国の主要なスカンジウム含有鉱物の分布

出典：中国のスカンジウム鉱石リソースの概要と産業開発の提案

al-sc合金の研究開発と応用に関して、旧ソビエト連邦とロシアは最前線にあり、航空機構造で広く使用されている1420合金など、優れたパフォーマンスを備えた一連のアルミニウムスカンド合金を開発しました。 1421合金は、scを含むal-mg-li-zr-sc合金であり、押し出されたプロファイルは、輸送航空機の胴体の縦方向のビームの製造に使用されており、好評を博しています。

図2アルミニウム - サンダウム合金プレート

アルミニウム合金に対するスカンジウムの影響

英国のブルネル大学の科学者であるdg eskinの研究によると、scはアルミニウムおよびアルミニウム合金の最高の精製器であり、最大の改良効果があります。 scおよびyおよびlaシリーズの15の要素は、元素期間のiii bグループに属します。その主な化学的特性は、yおよびlaシリーズ要素の特性と似ており、同じ酸化状態を持っています。スカンジウムの格子定数、密度、およびいくつかの物理的および機械的特性は、アルミニウムの物理的および機械的特性に近いため、アルミニウム合金の理想的な合金要素です。スカンジウムの密度はわずか2.99 g/cm³であり、アルミニウムと同じ光金属に属します。さらに、他の元素よりもアルミニウム合金に対する強化効果がはるかに高くなっています。遷移元素と希土類元素として、鋳造合金粒を大幅に改良し、再結晶温度を上げ、したがってアルミニウム合金の強度と靭性を改善するだけでなく、溶接性、耐熱性、耐熱性、熱安定性、アルミノウム合金の中性子放射損傷に対する耐性を大幅に改善できます。したがって、アルミニウム - サンダウム合金は、航空宇宙および船のための新世代の高性能アルミニウム合金構造材料と見なされます。

scは、アルミニウム合金とアルミニウム合金の穀物精製に魔法の影響を与えます。数千分の1のscを追加するだけで、アルミニウムおよびアルミニウム合金に大きな粒子洗練効果があり、高温強度、構造の安定性、溶接性、および合金の耐食性を大幅に改善し、長期的なパフォーマンスを避けて、それを避けるために長期的な手作業で発生するエメリトルメントフェノンを避けることができます。

少量のスカンジウムは、アルミニウム合金の特性を大幅に変化させる可能性があります。スカンジウムは、アルミニウムに対して優れた分散強化効果があり、ホット加工またはアニーリングの状態で安定した非再結晶構造を維持します。再結晶に対するスカンジウムの阻害効果は、アルミニウムスカンド合金を含む溶接接合部の強度と腐食抵抗を持つように、溶接の熱に影響を受けたゾーンの再結晶構造を排除することができます。同時に、スカンジウムによるアルミニウム合金の腐食抵抗の改善は、穀物の改良とスカンジウムによる再結晶プロセスの阻害によるものでもあります。スカンジウムを追加すると、アルミニウム合金が良好な超塑性を持つこともあります。超塑性処理後、約0.5％のスカンジウムによるアルミニウム合金の伸長は1100％に達する可能性があります。たとえば、アルミニウム - スカンド合金の降伏強度は、アルミニウムマグネシウム合金の降伏強度よりも150％高く、同時に密度と腐食抵抗を維持できます。さらに、スカンジウムはまた、合金溶接接合部の品質を向上させ、溶接亀裂を回避し、疲労寿命を200％増加させます。したがって、アルミニウム - サンダウム合金は、航空宇宙、航空、造船産業の新世代の軽量構造材料になると予想されます。

図3アルミニウム - サンダウム合金成形部品