अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्र धातु सामग्रीचा विकास आणि वापर

विमान वाहतूक उपकरणांसाठी महत्त्वाचा असलेला हलका मिश्रधातू म्हणून, अॅल्युमिनियम मिश्रधातूचे मॅक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणधर्म त्याच्या सूक्ष्मसंरचनेशी जवळून संबंधित आहेत. अॅल्युमिनियम मिश्रधातूच्या संरचनेतील मुख्य मिश्रधातू घटक बदलून, अॅल्युमिनियम मिश्रधातूची सूक्ष्मरचना बदलता येते आणि सामग्रीचे मॅक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणधर्म आणि इतर गुणधर्म (जसे की गंज प्रतिकार आणि वेल्डिंग कार्यप्रदर्शन) लक्षणीयरीत्या सुधारता येतात. आतापर्यंत, अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या सूक्ष्मसंरचनेला अनुकूलित करण्यासाठी आणि अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या व्यापक गुणधर्मांमध्ये सुधारणा करण्यासाठी मायक्रोअलॉयिंग ही सर्वात आशादायक तांत्रिक विकास धोरण बनली आहे.स्कॅन्डियम(Sc) हे अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंसाठी ओळखले जाणारे सर्वात प्रभावी मायक्रोअलॉयिंग एलिमेंट एन्हान्सर आहे. अॅल्युमिनियम मॅट्रिक्समध्ये स्कॅन्डियमची विद्राव्यता 0.35 wt.% पेक्षा कमी आहे. अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंमध्ये स्कॅन्डियम घटकाचे ट्रेस प्रमाण जोडल्याने त्यांची सूक्ष्म रचना प्रभावीपणे सुधारता येते, त्यांची ताकद, कडकपणा, प्लास्टिसिटी, थर्मल स्थिरता आणि गंज प्रतिकार व्यापकपणे वाढवता येतो. अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंमध्ये स्कॅन्डियमचे अनेक भौतिक प्रभाव आहेत, ज्यामध्ये घन द्रावण मजबूत करणे, कण मजबूत करणे आणि पुनर्स्फटिकीकरण प्रतिबंधित करणे समाविष्ट आहे. हा लेख विमान वाहतूक उपकरणांच्या निर्मितीच्या क्षेत्रात स्कॅन्डियम असलेल्या अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या ऐतिहासिक विकासाची, नवीनतम प्रगतीची आणि संभाव्य अनुप्रयोगांची ओळख करून देईल.

अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूचे संशोधन आणि विकास

अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंमध्ये मिश्रधातू म्हणून स्कॅन्डियमचा समावेश १९६० च्या दशकात झाला आहे. त्यावेळी, बहुतेक काम बायनरी Al Sc आणि टर्नरी AlMg Sc मिश्रधातू प्रणालींमध्ये केले जात होते. १९७० च्या दशकात, सोव्हिएत अकादमी ऑफ सायन्सेसच्या बायकोव्ह इन्स्टिट्यूट ऑफ मेटलर्जी अँड मटेरियल्स सायन्स आणि ऑल रशियन इन्स्टिट्यूट ऑफ लाईट अलॉय रिसर्चने अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंमध्ये स्कॅन्डियमच्या स्वरूपावर आणि यंत्रणेवर एक पद्धतशीर अभ्यास केला. जवळजवळ चाळीस वर्षांच्या प्रयत्नांनंतर, तीन प्रमुख मालिकांमध्ये (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc) १४ ग्रेडचे अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू विकसित केले गेले आहेत. अॅल्युमिनियममध्ये स्कॅन्डियम अणूंची विद्राव्यता कमी आहे आणि योग्य उष्णता उपचार प्रक्रिया वापरून, उच्च-घनता Al3Sc नॅनो अवक्षेपण अवक्षेपित केले जाऊ शकते. हा पर्जन्य टप्पा जवळजवळ गोलाकार आहे, ज्यामध्ये लहान कण आणि विखुरलेले वितरण आहे आणि अॅल्युमिनियम मॅट्रिक्सशी चांगला सुसंगत संबंध आहे, ज्यामुळे अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या खोलीच्या तापमानाची ताकद मोठ्या प्रमाणात सुधारू शकते. याव्यतिरिक्त, Al3Sc नॅनो प्रिसिपिटेट्समध्ये उच्च तापमानात (४०० ℃ च्या आत) चांगली थर्मल स्थिरता आणि खडबडीत प्रतिकार असतो, जो मिश्रधातूच्या मजबूत उष्णता प्रतिरोधकतेसाठी अत्यंत फायदेशीर आहे. रशियन बनावटीच्या अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूंमध्ये, १५७० मिश्रधातूने त्याच्या सर्वोच्च ताकदीमुळे आणि विस्तृत वापरामुळे बरेच लक्ष वेधले आहे. हे मिश्रधातू -१९६ ℃ ते ७० ℃ च्या कार्यरत तापमान श्रेणीमध्ये उत्कृष्ट कामगिरी प्रदर्शित करते आणि त्यात नैसर्गिक सुपरप्लास्टिकिटी आहे, जी द्रव ऑक्सिजन माध्यमात लोड-बेअरिंग वेल्डिंग स्ट्रक्चर्ससाठी रशियन बनावटीच्या LF6 अॅल्युमिनियम मिश्रधातू (मुख्यतः अॅल्युमिनियम, मॅग्नेशियम, तांबे, मॅंगनीज आणि सिलिकॉनपासून बनलेले अॅल्युमिनियम मॅग्नेशियम मिश्रधातू) ची जागा घेऊ शकते, ज्यामध्ये लक्षणीयरीत्या सुधारित कामगिरी आहे. याव्यतिरिक्त, रशियाने १९७० मध्ये प्रतिनिधित्व केलेले अॅल्युमिनियम झिंक मॅग्नेशियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू देखील विकसित केले आहेत, ज्याची भौतिक शक्ती ५००MPa पेक्षा जास्त आहे.

औद्योगिकीकरणाची स्थितीअॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्र धातु

२०१५ मध्ये, युरोपियन युनियनने "युरोपियन मेटलर्जिकल रोडमॅप: उत्पादक आणि अंतिम वापरकर्त्यांसाठी संभाव्यता" जारी केला, ज्यामध्ये अॅल्युमिनियमच्या वेल्डेबिलिटीचा अभ्यास करण्याचा प्रस्ताव होता.मॅग्नेशियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू. सप्टेंबर २०२० मध्ये, युरोपियन युनियनने स्कॅन्डियमसह २९ प्रमुख खनिज संसाधनांची यादी प्रसिद्ध केली. जर्मनीतील अले अॅल्युमिनियमने विकसित केलेल्या ५०२४H११६ अॅल्युमिनियम मॅग्नेशियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूमध्ये मध्यम ते उच्च शक्ती आणि उच्च नुकसान सहनशीलता आहे, ज्यामुळे ते फ्यूजलेज स्किनसाठी एक अतिशय आशादायक सामग्री बनते. पारंपारिक २xxx मालिकेतील अॅल्युमिनियम मिश्रधातू बदलण्यासाठी याचा वापर केला जाऊ शकतो आणि एअरबसच्या AIMS03-01-055 मटेरियल खरेदी पुस्तकात त्याचा समावेश करण्यात आला आहे. ५०२८ हा ५०२४ चा सुधारित ग्रेड आहे, जो लेसर वेल्डिंग आणि घर्षण स्टिर वेल्डिंगसाठी योग्य आहे. ते हायपरबोलिक इंटिग्रल वॉल पॅनल्सची क्रिप फॉर्मिंग प्रक्रिया साध्य करू शकते, जे गंज-प्रतिरोधक आहे आणि त्याला अॅल्युमिनियम कोटिंगची आवश्यकता नाही. २५२४ मिश्रधातूच्या तुलनेत, फ्यूजलेजची एकूण वॉल पॅनेल रचना ५% स्ट्रक्चरल वजन कमी करू शकते. आयली अॅल्युमिनियम कंपनीने उत्पादित केलेली AA5024-H116 अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू शीट विमान फ्यूजलेज आणि अंतराळयान संरचनात्मक घटकांच्या निर्मितीसाठी वापरली गेली आहे. AA5024-H116 मिश्र धातु पत्रकाची सामान्य जाडी 1.6 मिमी ते 8.0 मिमी आहे आणि कमी घनता, मध्यम यांत्रिक गुणधर्म, उच्च गंज प्रतिकार आणि कठोर आयामी विचलनामुळे, ते फ्यूजलेज स्किन मटेरियल म्हणून 2524 मिश्र धातुची जागा घेऊ शकते. सध्या, AA5024-H116 मिश्र धातु पत्रकाला एअरबस AIMS03-04-055 द्वारे प्रमाणित केले गेले आहे. डिसेंबर 2018 मध्ये, चीनच्या उद्योग आणि माहिती तंत्रज्ञान मंत्रालयाने "की न्यू मटेरियल्सच्या दुय्यम अनुप्रयोग प्रात्यक्षिकांच्या पहिल्या बॅचसाठी मार्गदर्शक कॅटलॉग (2018 आवृत्ती)" जारी केले, ज्यामध्ये नवीन मटेरियल उद्योगाच्या विकास कॅटलॉगमध्ये "उच्च-शुद्धता स्कॅन्डियम ऑक्साईड" समाविष्ट होते. 2019 मध्ये, चीनच्या उद्योग आणि माहिती तंत्रज्ञान मंत्रालयाने "की न्यू मटेरियल्सच्या पहिल्या बॅचच्या प्रात्यक्षिक अनुप्रयोगांसाठी मार्गदर्शक कॅटलॉग (2019 आवृत्ती)" जारी केले, ज्यामध्ये नवीन मटेरियल उद्योगाच्या विकास कॅटलॉगमध्ये "एससी असलेले अॅल्युमिनियम मिश्र धातु प्रक्रिया साहित्य आणि अल सी एससी वेल्डिंग वायर्स" समाविष्ट होते. चायना अॅल्युमिनियम ग्रुप नॉर्थईस्ट लाईट अलॉयने स्कॅन्डियम आणि झिरकोनियम असलेले Al Mg Sc Zr मालिका 5B70 मिश्रधातू विकसित केले आहे. स्कॅन्डियम आणि झिरकोनियम नसलेल्या पारंपारिक Al Mg मालिका 5083 मिश्रधातूच्या तुलनेत, त्याची उत्पादन क्षमता आणि तन्य शक्ती 30% पेक्षा जास्त वाढली आहे. शिवाय, Al Mg Sc Zr मिश्रधातू 5083 मिश्रधातूशी तुलनात्मक गंज प्रतिकार राखू शकतो. सध्या, औद्योगिक ग्रेड असलेले मुख्य घरगुती उद्योगअॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम धातूंचे मिश्रणउत्पादन क्षमता नॉर्थईस्ट लाईट अलॉय कंपनी आणि साउथवेस्ट अ‍ॅल्युमिनियम उद्योगाची आहे. नॉर्थईस्ट लाईट अलॉय कंपनी लिमिटेडने विकसित केलेले मोठे आकाराचे 5B70 अ‍ॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम अलॉय शीट जास्तीत जास्त 70 मिमी जाडी आणि जास्तीत जास्त 3500 मिमी रुंदी असलेल्या मोठ्या अ‍ॅल्युमिनियम अलॉय जाड प्लेट्स पुरवू शकते; पातळ शीट उत्पादने आणि प्रोफाइल उत्पादने उत्पादनासाठी कस्टमाइज केली जाऊ शकतात, ज्याची जाडी 2 मिमी ते 6 मिमी आणि जास्तीत जास्त 1500 मिमी रुंदीसह असते. साउथवेस्ट अ‍ॅल्युमिनियमने स्वतंत्रपणे 5K40 मटेरियल विकसित केले आहे आणि पातळ प्लेट्सच्या विकासात लक्षणीय प्रगती केली आहे. Al Zn Mg मिश्रधातू हा उच्च शक्ती, चांगली प्रक्रिया कार्यक्षमता आणि उत्कृष्ट वेल्डिंग कामगिरीसह एक वेळ कडक करणारा मिश्रधातू आहे. विमानांसारख्या सध्याच्या वाहतूक वाहनांमध्ये हा एक अपरिहार्य आणि महत्त्वाचा स्ट्रक्चरल मटेरियल आहे. मध्यम शक्तीच्या वेल्डेबल AlZn Mg च्या आधारावर, स्कॅन्डियम आणि झिरकोनियम मिश्रधातू घटक जोडल्याने सूक्ष्म संरचनामध्ये लहान आणि विखुरलेले Al3 (Sc, Zr) नॅनोपार्टिकल्स तयार होऊ शकतात, ज्यामुळे मिश्रधातूचे यांत्रिक गुणधर्म आणि ताण गंज प्रतिकार लक्षणीयरीत्या सुधारतो. नासाच्या लँगली रिसर्च सेंटरने C557 ग्रेडसह एक टर्नरी अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू विकसित केला आहे, जो मॉडेल मोहिमांमध्ये वापरण्यासाठी तयार आहे. कमी तापमान (-200 ℃), खोलीचे तापमान आणि उच्च तापमान (107 ℃) या मिश्रधातूची स्थिर शक्ती, क्रॅक प्रसार आणि फ्रॅक्चर कडकपणा हे सर्व 2524 मिश्रधातूच्या समान किंवा त्यापेक्षा चांगले आहेत. युनायटेड स्टेट्समधील नॉर्थवेस्टर्न युनिव्हर्सिटीने AlZn Mg Sc मिश्रधातू 7000 मालिका अल्ट्रा-हाय स्ट्रेंथ अॅल्युमिनियम मिश्रधातू विकसित केला आहे, ज्याची तन्य शक्ती 680MPa पर्यंत आहे. मध्यम उच्च शक्ती अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू आणि अल्ट्रा-हाय स्ट्रेंथ Al Zn Mg Sc यांच्यातील संयुक्त विकासाचा एक नमुना तयार झाला आहे. Al Zn Mg Cu Sc मिश्रधातू हा 800 MPa पेक्षा जास्त तन्य शक्ती असलेला उच्च-शक्तीचा अॅल्युमिनियम मिश्रधातू आहे. सध्या, मुख्य ग्रेडची नाममात्र रचना आणि मूलभूत कामगिरी पॅरामीटर्सअॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम धातूंचे मिश्रणसारणी १ आणि २ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे, खालीलप्रमाणे सारांशित केले आहे.

तक्ता १ | अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूची नाममात्र रचना

तक्ता २ | अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूचे सूक्ष्मरचना आणि तन्य गुणधर्म

अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूच्या वापराच्या शक्यता

रशियन मिग-२१ आणि मिग-२९ लढाऊ विमानांसह लोड-बेअरिंग स्ट्रक्चरल घटकांवर उच्च शक्तीचे Al Zn Mg Cu Sc आणि Al CuLi Sc मिश्रधातू वापरण्यात आले आहेत. रशियन अंतराळयान "मार्स-१" चा डॅशबोर्ड १५७० अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूपासून बनलेला आहे, ज्याचे एकूण वजन २०% कमी झाले आहे. मार्स-९६ अंतराळयानाच्या इन्स्ट्रुमेंट मॉड्यूलचे लोड-बेअरिंग घटक १९७० अॅल्युमिनियम मिश्रधातूपासून बनलेले आहेत ज्यामध्ये स्कॅन्डियम आहे, ज्यामुळे इन्स्ट्रुमेंट मॉड्यूलचे वजन १०% कमी झाले आहे. "क्लीन स्काय" कार्यक्रम आणि EU च्या "२०५० फ्लाइट रूट" प्रकल्पात, एअरबसने ५०२४ अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूच्या उत्तराधिकारी ग्रेड AA5028-H116 अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूवर आधारित A321 विमानांसाठी एकात्मिक कार्गो होल्ड डोअर डिझाइन, संशोधन आणि विकास, उत्पादन आणि स्थापना चाचणी उड्डाणे आयोजित केली. AA5028 द्वारे दर्शविलेले अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूंनी उत्कृष्ट प्रक्रिया आणि वेल्डिंग कामगिरी दर्शविली. अॅल्युमिनियम मिश्रधातू असलेल्या स्कॅन्डियम सामग्रीचे विश्वसनीय कनेक्शन साध्य करण्यासाठी घर्षण स्टिर वेल्डिंग आणि लेसर वेल्डिंगसारख्या प्रगत वेल्डिंग तंत्रांचा वापर केला. विमान प्रबलित पातळ प्लेट स्ट्रक्चर्समध्ये "रिव्हेटिंगऐवजी वेल्डिंग" ची हळूहळू अंमलबजावणी केवळ विमान सामग्रीची सुसंगतता आणि संरचनात्मक अखंडता राखत नाही, कार्यक्षम आणि कमी किमतीचे उत्पादन साध्य करते, परंतु वजन कमी करणे आणि सीलिंग करणे देखील फायदेशीर आहे. चायना एरोस्पेस स्पेशल मटेरियल्स रिसर्च इन्स्टिट्यूटने केलेल्या अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम 5B70 मिश्रधातूच्या अनुप्रयोग संशोधनात वेरिएबल वॉल जाडी घटकांचे मजबूत स्पिनिंग, गंज प्रतिरोधकता आणि ताकद जुळणी नियंत्रण आणि वेल्डिंग अवशिष्ट ताण नियंत्रण या तंत्रज्ञानाचा वापर केला आहे. त्यांनी अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातू अनुकूली वेल्डिंग वायर तयार केले आहे आणि मिश्रधातूमधील जाड प्लेट्ससाठी घर्षण स्टिर वेल्डिंगचा संयुक्त ताकद गुणांक 0.92 पर्यंत पोहोचू शकतो. चायना अकादमी ऑफ स्पेस टेक्नॉलॉजी, सेंट्रल साउथ युनिव्हर्सिटी आणि इतरांनी 5B70 सामग्रीवर व्यापक यांत्रिक कामगिरी चाचणी आणि प्रक्रिया प्रयोग केले आहेत, 5A06 साठी स्ट्रक्चरल मटेरियल सिलेक्शन स्कीम अपग्रेड आणि पुनरावृत्ती केली आहे आणि स्पेस स्टेशनच्या सीलबंद केबिन आणि रिटर्न केबिनच्या एकूण प्रबलित वॉल पॅनेलच्या मुख्य संरचनेत 5B70 अॅल्युमिनियम मिश्रधातू लागू करण्यास सुरुवात केली आहे. प्लेट स्ट्रक्चर प्रेशराइज्ड केबिनचे एकूण वॉल पॅनेल स्किन आणि रीइन्फोर्समेंट रिब्सच्या संयोजनाने डिझाइन केले आहे, ज्यामुळे उच्च स्ट्रक्चरल इंटिग्रेशन आणि वजन ऑप्टिमायझेशन प्राप्त होते. एकूण कडकपणा आणि ताकद सुधारताना, ते कनेक्टिंग घटकांची संख्या आणि जटिलता कमी करते, ज्यामुळे उच्च कार्यक्षमता राखताना वजन आणखी कमी होते. च्या अनुप्रयोगाच्या प्रचारासह 5B70 मटेरियल इंजिनिअरिंगमध्ये, 5B70 मटेरियलचा वापर हळूहळू वाढेल आणि किमान पुरवठा मर्यादेपेक्षा जास्त होईल, ज्यामुळे कच्च्या मालाचे सतत उत्पादन आणि स्थिर गुणवत्ता सुनिश्चित होण्यास मदत होईल आणि कच्च्या मालाच्या किमती लक्षणीयरीत्या कमी होतील. आधी सांगितल्याप्रमाणे, जरी स्कॅन्डियम मायक्रोअलॉयिंगद्वारे अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंचे अनेक गुणधर्म सुधारले गेले असले तरी, स्कॅन्डियमची उच्च किंमत आणि कमतरता अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूंच्या अनुप्रयोग श्रेणीला मर्यादित करते. Al Cu, Al Zn, Al ZnMg सारख्या अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या तुलनेत, स्कॅन्डियम असलेले अॅल्युमिनियम मिश्रधातूच्या सामग्रीमध्ये चांगले व्यापक यांत्रिक गुणधर्म, गंज प्रतिरोधकता आणि उत्कृष्ट प्रक्रिया वैशिष्ट्ये आहेत, ज्यामुळे त्यांना एरोस्पेससारख्या औद्योगिक क्षेत्रात मुख्य संरचनात्मक घटकांच्या निर्मितीमध्ये व्यापक अनुप्रयोग शक्यता निर्माण होतात. स्कॅन्डियम मायक्रोअलॉयिंग तंत्रज्ञानावरील संशोधनाच्या सतत सखोलतेसह आणि पुरवठा साखळी आणि औद्योगिक साखळी जुळणीच्या सुधारणेसह, स्कॅन्डियम अॅल्युमिनियम मिश्रधातूंच्या मोठ्या प्रमाणात औद्योगिक अनुप्रयोगास प्रतिबंधित करणारे किंमत आणि खर्च घटक हळूहळू सुधारतील. अॅल्युमिनियम स्कॅन्डियम मिश्रधातूंचे चांगले व्यापक यांत्रिक गुणधर्म, गंज प्रतिकार आणि उत्कृष्ट प्रक्रिया वैशिष्ट्ये त्यांना स्पष्ट संरचनात्मक वजन कमी करण्याचे फायदे आणि विमानचालन उपकरणे उत्पादनाच्या क्षेत्रात विस्तृत अनुप्रयोग क्षमता प्रदान करतात.