एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु सामग्री का विकास और अनुप्रयोग

विमानन परिवहन उपकरणों के लिए महत्वपूर्ण एक हल्के मिश्र धातु के रूप में, एल्यूमीनियम मिश्र धातु के मैक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुण इसकी सूक्ष्म संरचना से निकटता से संबंधित हैं। एल्यूमीनियम मिश्र धातु संरचना में मुख्य मिश्र धातु तत्वों को बदलकर, एल्यूमीनियम मिश्र धातु की सूक्ष्म संरचना को बदला जा सकता है, और सामग्री के मैक्रोस्कोपिक यांत्रिक गुणों और अन्य गुणों (जैसे संक्षारण प्रतिरोध और वेल्डिंग प्रदर्शन) में काफी सुधार किया जा सकता है। अब तक, माइक्रोअलॉयिंग एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं की सूक्ष्म संरचना को अनुकूलित करने और एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री के व्यापक गुणों में सुधार करने के लिए सबसे आशाजनक तकनीकी विकास रणनीति बन गई है।स्कैंडियम(एससी) एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के लिए जाना जाने वाला सबसे प्रभावी माइक्रोअलॉयिंग तत्व बढ़ाने वाला है। एल्यूमीनियम मैट्रिक्स में स्कैंडियम की घुलनशीलता 0.35 wt.% से कम है, एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में स्कैंडियम तत्व की ट्रेस मात्रा जोड़ने से उनकी सूक्ष्म संरचना में प्रभावी रूप से सुधार हो सकता है, उनकी ताकत, कठोरता, प्लास्टिसिटी, थर्मल स्थिरता और संक्षारण प्रतिरोध को व्यापक रूप से बढ़ाया जा सकता है। स्कैंडियम के एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में कई भौतिक प्रभाव होते हैं, जिसमें ठोस घोल को मजबूत करना, कण को ​​मजबूत करना और पुन: क्रिस्टलीकरण को रोकना शामिल है। यह लेख विमानन उपकरण निर्माण के क्षेत्र में स्कैंडियम युक्त एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के ऐतिहासिक विकास, नवीनतम प्रगति और संभावित अनुप्रयोगों का परिचय देगा।

एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु का अनुसंधान और विकास

एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में मिश्र धातु तत्व के रूप में स्कैंडियम को शामिल करने का इतिहास 1960 के दशक में देखा जा सकता है। उस समय, अधिकांश कार्य बाइनरी Al Sc और टर्नरी AlMg Sc मिश्र धातु प्रणालियों में किया गया था। 1970 के दशक में, सोवियत एकेडमी ऑफ साइंसेज के बेकोव धातुकर्म और सामग्री विज्ञान संस्थान और ऑल रशियन इंस्टीट्यूट ऑफ लाइट अलॉय रिसर्च ने एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं में स्कैंडियम के रूप और तंत्र पर एक व्यवस्थित अध्ययन किया। लगभग चालीस वर्षों के प्रयास के बाद, तीन प्रमुख श्रृंखलाओं (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc) में एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं के 14 ग्रेड विकसित किए गए हैं। एल्यूमीनियम में स्कैंडियम परमाणुओं की घुलनशीलता कम होती है यह अवक्षेपण चरण लगभग गोलाकार होता है, जिसमें छोटे कण और बिखरे हुए वितरण होते हैं, और इसका एल्युमीनियम मैट्रिक्स के साथ अच्छा सुसंगत संबंध होता है, जो एल्युमीनियम मिश्र धातुओं की कमरे के तापमान की ताकत में काफी सुधार कर सकता है। इसके अलावा, Al3Sc नैनो अवक्षेप में उच्च तापमान (400 ℃ के भीतर) पर अच्छी थर्मल स्थिरता और मोटेपन का प्रतिरोध होता है, जो मिश्र धातु के मजबूत गर्मी प्रतिरोध के लिए बेहद फायदेमंद है। रूसी निर्मित एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं में, 1570 मिश्र धातु ने अपनी उच्चतम शक्ति और व्यापक अनुप्रयोग के कारण बहुत ध्यान आकर्षित किया है। यह मिश्र धातु -196 ℃ से 70 ℃ के कार्य तापमान रेंज में उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शित करती है और इसमें प्राकृतिक सुपरप्लास्टिसिटी होती है, जो तरल ऑक्सीजन माध्यम में लोड-असर वेल्डिंग संरचनाओं के लिए रूसी निर्मित LF6 एल्यूमीनियम मिश्र धातु (मुख्य रूप से एल्यूमीनियम, मैग्नीशियम, तांबा, मैंगनीज और सिलिकॉन से बना एक एल्यूमीनियम मैग्नीशियम मिश्र धातु) को प्रतिस्थापित कर सकती है, जिसमें काफी सुधार हुआ है। इसके अलावा, रूस ने 1970 द्वारा दर्शाए गए एल्यूमीनियम जिंक मैग्नीशियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं को भी विकसित किया है, जिसमें 500MPa से अधिक की सामग्री शक्ति है।

औद्योगीकरण की स्थितिएल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु

2015 में, यूरोपीय संघ ने "यूरोपीय धातुकर्म रोडमैप: निर्माताओं और अंतिम उपयोगकर्ताओं के लिए संभावनाएं" जारी की, जिसमें एल्यूमीनियम की वेल्डेबिलिटी का अध्ययन करने का प्रस्ताव दिया गया थामैग्नीशियम स्कैंडियम मिश्र धातुसितंबर 2020 में, यूरोपीय संघ ने स्कैंडियम सहित 29 प्रमुख खनिज संसाधनों की एक सूची जारी की। जर्मनी में एले एल्युमिनियम द्वारा विकसित 5024H116 एल्यूमीनियम मैग्नीशियम स्कैंडियम मिश्र धातु में मध्यम से उच्च शक्ति और उच्च क्षति सहिष्णुता है, जो इसे धड़ की त्वचा के लिए एक बहुत ही आशाजनक सामग्री बनाती है। इसका उपयोग पारंपरिक 2xxx श्रृंखला एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं को बदलने के लिए किया जा सकता है और इसे एयरबस की AIMS03-01-055 सामग्री खरीद पुस्तक में शामिल किया गया है। 5028, 5024 का एक बेहतर ग्रेड है, जो लेजर वेल्डिंग और घर्षण हलचल वेल्डिंग के लिए उपयुक्त है। यह हाइपरबोलिक इंटीग्रल वॉल पैनल की रेंगने वाली प्रक्रिया को प्राप्त कर सकता है, जो संक्षारण प्रतिरोधी है और इसमें एल्यूमीनियम कोटिंग की आवश्यकता नहीं होती है। 2524 मिश्र धातु की तुलना में, धड़ की समग्र दीवार पैनल संरचना 5% संरचनात्मक वजन में कमी प्राप्त कर सकती है। एली एल्युमिनियम कंपनी द्वारा निर्मित AA5024-H116 एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातु शीट का उपयोग विमान धड़ और अंतरिक्ष यान संरचनात्मक घटकों के निर्माण के लिए किया गया है। AA5024-H116 मिश्र धातु शीट की सामान्य मोटाई 1.6 मिमी से 8.0 मिमी है, और इसकी कम घनत्व, मध्यम यांत्रिक गुणों, उच्च संक्षारण प्रतिरोध और सख्त आयामी विचलन के कारण, यह धड़ त्वचा सामग्री के रूप में 2524 मिश्र धातु की जगह ले सकता है। वर्तमान में, AA5024-H116 मिश्र धातु शीट को एयरबस AIMS03-04-055 द्वारा प्रमाणित किया गया है। दिसंबर 2018 में, चीन के उद्योग और सूचना प्रौद्योगिकी मंत्रालय ने "प्रमुख नई सामग्रियों (2018 संस्करण) के माध्यमिक अनुप्रयोग प्रदर्शनों के पहले बैच के लिए मार्गदर्शक सूची" जारी की, जिसमें नई सामग्री उद्योग की विकास सूची में "उच्च शुद्धता स्कैंडियम ऑक्साइड" शामिल था। 2019 में, चीन के उद्योग और सूचना प्रौद्योगिकी मंत्रालय ने "प्रमुख नई सामग्रियों के प्रदर्शन अनुप्रयोगों के पहले बैच के लिए मार्गदर्शक सूची (2019 संस्करण)" जारी की, जिसमें नई सामग्री उद्योग की विकास सूची में "एल्यूमीनियम मिश्र धातु प्रसंस्करण सामग्री और अल सि एससी वेल्डिंग तार युक्त एससी" शामिल थे। चाइना एल्युमिनियम ग्रुप नॉर्थईस्ट लाइट अलॉय ने स्कैंडियम और जिरकोनियम युक्त Al Mg Sc Zr सीरीज 5B70 मिश्र धातु विकसित की है। स्कैंडियम और जिरकोनियम के बिना पारंपरिक Al Mg सीरीज 5083 मिश्र धातु की तुलना में, इसकी उपज और तन्य शक्ति में 30% से अधिक की वृद्धि हुई है। इसके अलावा, Al Mg Sc Zr मिश्र धातु 5083 मिश्र धातु के बराबर संक्षारण प्रतिरोध बनाए रख सकती है। वर्तमान में, औद्योगिक ग्रेड वाले मुख्य घरेलू उद्यमएल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुउत्पादन क्षमता के प्रमुख आपूर्तिकर्ता नॉर्थईस्ट लाइट अलॉय कंपनी और साउथवेस्ट एल्युमिनियम इंडस्ट्री हैं। नॉर्थईस्ट लाइट अलॉय कंपनी लिमिटेड द्वारा विकसित बड़े आकार की 5B70 एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातु शीट 70 मिमी की अधिकतम मोटाई और 3500 मिमी की अधिकतम चौड़ाई के साथ बड़े एल्यूमीनियम मिश्र धातु मोटी प्लेटों की आपूर्ति कर सकती है; पतली शीट उत्पादों और प्रोफ़ाइल उत्पादों को उत्पादन के लिए अनुकूलित किया जा सकता है, जिनकी मोटाई रेंज 2 मिमी से 6 मिमी और अधिकतम चौड़ाई 1500 मिमी है। साउथवेस्ट एल्युमिनियम ने स्वतंत्र रूप से 5K40 सामग्री विकसित की है और पतली प्लेटों के विकास में महत्वपूर्ण प्रगति की है। Al Zn Mg मिश्र धातु एक समय सख्त मिश्र धातु है जिसमें उच्च शक्ति, अच्छा प्रसंस्करण प्रदर्शन और उत्कृष्ट वेल्डिंग प्रदर्शन होता है नासा के लैंगली रिसर्च सेंटर ने ग्रेड C557 के साथ एक टर्नरी एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातु विकसित की है, जो मॉडल मिशनों में लागू होने के लिए तैयार है। कम तापमान (-200 ℃), कमरे के तापमान और उच्च तापमान (107 ℃) पर इस मिश्र धातु की स्थैतिक शक्ति, दरार प्रसार और फ्रैक्चर क्रूरता सभी 2524 मिश्र धातु के बराबर या उससे बेहतर हैं। संयुक्त राज्य अमेरिका में नॉर्थवेस्टर्न विश्वविद्यालय ने AlZn Mg Sc मिश्र धातु 7000 श्रृंखला अल्ट्रा-उच्च शक्ति एल्यूमीनियम मिश्र धातु विकसित की है, जिसमें 680MPa तक की तन्य शक्ति है। मध्यम उच्च शक्ति एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातु और अल्ट्रा-उच्च शक्ति Al Zn Mg Sc के बीच संयुक्त विकास का एक पैटर्न बनाया गया है। Al Zn Mg Cu Sc मिश्र धातु एक उच्च शक्ति एल्यूमीनियम मिश्र धातु है जिसकी तन्य शक्ति 800 MPa से अधिक हैएल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुतालिका 1 और 2 में दर्शाए अनुसार इनका सारांश इस प्रकार है।

तालिका 1 | एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु की नाममात्र संरचना

तालिका 2 | एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु की सूक्ष्म संरचना और तन्य गुण

एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु की अनुप्रयोग संभावनाएं

उच्च शक्ति वाले Al Zn Mg Cu Sc और Al CuLi Sc मिश्रधातुओं का उपयोग भार वहन करने वाले संरचनात्मक घटकों में किया गया है, जिनमें रूसी मिग-21 और मिग-29 लड़ाकू विमान भी शामिल हैं। रूसी अंतरिक्ष यान "मार्स-1" का डैशबोर्ड 1570 एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु से बना है, जिसका कुल वजन 20% कम है। मार्स-96 अंतरिक्ष यान के उपकरण मॉड्यूल के भार वहन करने वाले घटक स्कैंडियम युक्त 1970 एल्युमिनियम मिश्र धातु से बने हैं, जिससे उपकरण मॉड्यूल का वजन 10% कम हो जाता है। "क्लीन स्काई" कार्यक्रम और यूरोपीय संघ के "2050 फ्लाइट रूट" परियोजना में, एयरबस ने 5024 एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु के उत्तराधिकारी ग्रेड AA5028-H116 एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातु पर आधारित A321 विमान के लिए एकीकृत कार्गो होल्ड डोर डिज़ाइन, अनुसंधान और विकास, विनिर्माण और स्थापना परीक्षण उड़ानें संचालित कीं। AA5028 द्वारा दर्शाए गए एल्युमिनियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं ने उत्कृष्ट प्रसंस्करण और वेल्डिंग प्रदर्शन का प्रदर्शन किया। स्कैंडियम युक्त एल्युमिनियम मिश्र धातु सामग्री के विश्वसनीय कनेक्शन को प्राप्त करने के लिए घर्षण हलचल वेल्डिंग और लेजर वेल्डिंग जैसी उन्नत वेल्डिंग तकनीकों का उपयोग करना। विमान प्रबलित पतली प्लेट संरचनाओं में "रिवेटिंग के बजाय वेल्डिंग" का क्रमिक कार्यान्वयन न केवल विमान सामग्री की स्थिरता को बनाए रखता है और संरचनात्मक अखंडता, कुशल और कम लागत वाली विनिर्माण को प्राप्त करना, लेकिन वजन में कमी और सीलिंग प्रभाव भी है। चीन एयरोस्पेस विशेष सामग्री अनुसंधान संस्थान द्वारा एल्यूमीनियम स्कैंडियम 5B70 मिश्र धातु के अनुप्रयोग अनुसंधान ने चर दीवार मोटाई घटकों के मजबूत कताई, संक्षारण प्रतिरोध और शक्ति मिलान के नियंत्रण और वेल्डिंग अवशिष्ट तनाव के नियंत्रण की प्रौद्योगिकियों के माध्यम से तोड़ दिया है। इसने एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातु अनुकूली वेल्डिंग तार तैयार किया है, और मिश्र धातु में मोटी प्लेटों के लिए घर्षण हलचल वेल्डिंग के संयुक्त शक्ति गुणांक 0.92 तक पहुंच सकता है। चाइना एकेडमी ऑफ स्पेस टेक्नोलॉजी, सेंट्रल साउथ यूनिवर्सिटी, और अन्य ने 5B70 सामग्री पर व्यापक यांत्रिक प्रदर्शन परीक्षण और प्रक्रिया प्रयोग किए हैं, 5A06 के लिए संरचनात्मक सामग्री चयन योजना को उन्नत और दोहराया है, और अंतरिक्ष स्टेशन के सीलबंद केबिन और वापसी केबिन के समग्र प्रबलित दीवार पैनलों की मुख्य संरचना में 5B70 एल्यूमीनियम मिश्र धातु को लागू करना शुरू कर दिया है। प्लेट संरचना दबाव वाले केबिन के समग्र दीवार पैनल को त्वचा और सुदृढीकरण पसलियों के संयोजन के साथ डिज़ाइन किया गया है, जो उच्च संरचनात्मक एकीकरण और वजन अनुकूलन प्राप्त करता है। समग्र कठोरता और ताकत में सुधार करते हुए, यह कनेक्टिंग घटकों की संख्या और जटिलता को कम करता है, जिससे आगे भी कम हो जाता है उच्च प्रदर्शन बनाए रखते हुए वजन। 5B70 सामग्री इंजीनियरिंग के अनुप्रयोग को बढ़ावा देने के साथ, 5B70 सामग्री का उपयोग धीरे-धीरे बढ़ेगा और न्यूनतम आपूर्ति सीमा को पार कर जाएगा, जो कच्चे माल के निरंतर उत्पादन और स्थिर गुणवत्ता को सुनिश्चित करने में मदद करेगा, और कच्चे माल की कीमतों को काफी कम करेगा। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, हालांकि स्कैंडियम माइक्रोअलॉयिंग के माध्यम से एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के कई गुणों में सुधार किया गया है, स्कैंडियम की उच्च कीमत और कमी एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं के अनुप्रयोग रेंज को सीमित करती है। Al Cu, Al Zn, Al ZnMg जैसे एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री की तुलना में, स्कैंडियम युक्त एल्यूमीनियम मिश्र धातु सामग्री में अच्छे व्यापक यांत्रिक गुण, संक्षारण प्रतिरोध और उत्कृष्ट प्रसंस्करण विशेषताएं हैं, जो उन्हें एयरोस्पेस जैसे औद्योगिक क्षेत्रों में मुख्य संरचनात्मक घटकों के निर्माण में व्यापक अनुप्रयोग संभावनाएं प्रदान करती हैं। स्कैंडियम माइक्रोअलॉयिंग तकनीक पर अनुसंधान के निरंतर गहन होने और आपूर्ति श्रृंखला और औद्योगिक श्रृंखला मिलान में सुधार के साथ, स्कैंडियम एल्यूमीनियम मिश्र धातुओं के बड़े पैमाने पर औद्योगिक अनुप्रयोग को प्रतिबंधित करने वाले मूल्य और लागत कारक धीरे-धीरे सुधरेंगे। एल्यूमीनियम स्कैंडियम मिश्र धातुओं के अच्छे व्यापक यांत्रिक गुण, संक्षारण प्रतिरोध और उत्कृष्ट प्रसंस्करण विशेषताएं उन्हें स्पष्ट बनाती हैं विमानन उपकरण विनिर्माण के क्षेत्र में संरचनात्मक भार में कमी के लाभ और व्यापक अनुप्रयोग क्षमता।