एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु सामग्रीको विकास र प्रयोग

उड्डयन यातायात उपकरणको लागि महत्त्वपूर्ण हल्का मिश्र धातुको रूपमा, एल्युमिनियम मिश्र धातुको म्याक्रोस्कोपिक मेकानिकल गुणहरू यसको माइक्रोस्ट्रक्चरसँग नजिकबाट सम्बन्धित छन्। एल्युमिनियम मिश्र धातु संरचनामा मुख्य मिश्र धातु तत्वहरू परिवर्तन गरेर, एल्युमिनियम मिश्र धातुको माइक्रोस्ट्रक्चर परिवर्तन गर्न सकिन्छ, र सामग्रीको म्याक्रोस्कोपिक मेकानिकल गुणहरू र अन्य गुणहरू (जस्तै जंग प्रतिरोध र वेल्डिंग प्रदर्शन) उल्लेखनीय रूपमा सुधार गर्न सकिन्छ। अहिले सम्म, माइक्रोअलोयिंग एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूको माइक्रोस्ट्रक्चरलाई अनुकूलन गर्न र एल्युमिनियम मिश्र धातु सामग्रीहरूको व्यापक गुणहरू सुधार गर्नको लागि सबैभन्दा आशाजनक प्राविधिक विकास रणनीति बनेको छ।स्क्यान्डियम(Sc) एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूको लागि परिचित सबैभन्दा प्रभावकारी माइक्रोअलोयिंग तत्व बृद्धिकर्ता हो। एल्युमिनियम म्याट्रिक्समा स्क्यान्डियमको घुलनशीलता ०.३५ wt.% भन्दा कम छ। एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूमा स्क्यान्डियम तत्वको ट्रेस मात्रा थप्दा प्रभावकारी रूपमा तिनीहरूको सूक्ष्म संरचना सुधार गर्न सकिन्छ, तिनीहरूको बल, कठोरता, प्लास्टिसिटी, थर्मल स्थिरता, र जंग प्रतिरोधलाई व्यापक रूपमा बढाउन सकिन्छ। स्क्यान्डियमको एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूमा धेरै भौतिक प्रभावहरू छन्, जसमा ठोस घोल सुदृढीकरण, कण सुदृढीकरण, र पुन: क्रिस्टलाइजेसनको अवरोध समावेश छ। यस लेखले उड्डयन उपकरण निर्माणको क्षेत्रमा स्क्यान्डियम युक्त एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूको ऐतिहासिक विकास, पछिल्लो प्रगति, र सम्भावित अनुप्रयोगहरूको परिचय दिनेछ।

एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुको अनुसन्धान र विकास

एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूमा मिश्र धातु तत्वको रूपमा स्क्यान्डियम थपिएको १९६० को दशकमा पत्ता लगाउन सकिन्छ। त्यस समयमा, धेरैजसो काम बाइनरी Al Sc र टर्नरी AlMg Sc मिश्र धातु प्रणालीहरूमा गरिएको थियो। १९७० को दशकमा, सोभियत एकेडेमी अफ साइन्सेसको बेकोभ इन्स्टिच्युट अफ मेटलर्जी एण्ड मटेरियल्स साइन्स र अल रूसी इन्स्टिच्युट अफ लाइट एलोय रिसर्चले एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूमा स्क्यान्डियमको रूप र संयन्त्रमा व्यवस्थित अध्ययन गरे। लगभग चालीस वर्षको प्रयास पछि, तीन प्रमुख श्रृंखला (Al Mg Sc, Al Li Sc, Al Zn Mg Sc) मा १४ ग्रेडको एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरू विकास गरिएको छ। एल्युमिनियममा स्क्यान्डियम परमाणुहरूको घुलनशीलता कम छ, र उपयुक्त ताप उपचार प्रक्रियाहरू प्रयोग गरेर, उच्च-घनत्व Al3Sc न्यानो अवक्षेपणहरू अवक्षेपित गर्न सकिन्छ। यो वर्षा चरण लगभग गोलाकार छ, साना कणहरू र छरिएका वितरणको साथ, र एल्युमिनियम म्याट्रिक्ससँग राम्रो सुसंगत सम्बन्ध छ, जसले एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूको कोठाको तापक्रम शक्तिलाई धेरै सुधार गर्न सक्छ। यसको अतिरिक्त, Al3Sc न्यानो प्रिसिपिटेट्समा उच्च तापक्रम (४०० ℃ भित्र) मा राम्रो थर्मल स्थिरता र मोटोपन प्रतिरोध हुन्छ, जुन मिश्र धातुको बलियो ताप प्रतिरोधको लागि अत्यन्तै लाभदायक हुन्छ। रूसी निर्मित एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरूमा, १५७० मिश्र धातुले यसको उच्चतम शक्ति र फराकिलो प्रयोगको कारणले धेरै ध्यान आकर्षित गरेको छ। यो मिश्र धातुले -१९६ ℃ देखि ७० ℃ सम्मको काम गर्ने तापमान दायरामा उत्कृष्ट प्रदर्शन प्रदर्शन गर्दछ र प्राकृतिक सुपरप्लास्टिकिटी छ, जसले तरल अक्सिजन माध्यममा लोड-बेयरिङ वेल्डिंग संरचनाहरूको लागि रूसी निर्मित LF6 एल्युमिनियम मिश्र धातु (मुख्यतया एल्युमिनियम, म्याग्नेसियम, तामा, म्यांगनीज र सिलिकन मिलेर बनेको एल्युमिनियम म्याग्नेसियम मिश्र धातु) लाई प्रतिस्थापन गर्न सक्छ, उल्लेखनीय रूपमा सुधारिएको प्रदर्शनको साथ। थप रूपमा, रूसले ५००MPa भन्दा बढीको भौतिक शक्तिको साथ १९७० द्वारा प्रतिनिधित्व गरिएको एल्युमिनियम जिंक म्याग्नेसियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरू पनि विकास गरेको छ।

औद्योगिकीकरणको स्थितिएल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु

२०१५ मा, युरोपेली संघले "युरोपेली धातुकर्म रोडम्याप: उत्पादक र अन्तिम प्रयोगकर्ताहरूको लागि सम्भावना" जारी गर्‍यो, जसमा आल्मुनियमको वेल्डेबिलिटी अध्ययन गर्ने प्रस्ताव गरिएको थियो।म्याग्नेसियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरू। सेप्टेम्बर २०२० मा, युरोपेली संघले स्क्यान्डियम सहित २९ प्रमुख खनिज स्रोतहरूको सूची जारी गर्‍यो। जर्मनीमा एले एल्युमिनियमद्वारा विकसित ५०२४H११६ एल्युमिनियम म्याग्नेसियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुमा मध्यमदेखि उच्च शक्ति र उच्च क्षति सहनशीलता छ, जसले गर्दा यो फ्युजलेज छालाको लागि धेरै आशाजनक सामग्री हो। यसलाई परम्परागत २xxx श्रृंखला एल्युमिनियम मिश्र धातुहरू प्रतिस्थापन गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ र एयरबसको AIMS03-01-055 सामग्री खरीद पुस्तकमा समावेश गरिएको छ। ५०२८ लेजर वेल्डिंग र घर्षण हलचल वेल्डिंगको लागि उपयुक्त ५०२४ को सुधारिएको ग्रेड हो। यसले हाइपरबोलिक इन्टिग्रल भित्ता प्यानलहरूको क्रिप गठन प्रक्रिया प्राप्त गर्न सक्छ, जुन जंग प्रतिरोधी छ र एल्युमिनियम कोटिंग आवश्यक पर्दैन। २५२४ मिश्र धातुको तुलनामा, फ्युजलेजको समग्र भित्ता प्यानल संरचनाले ५% संरचनात्मक तौल घटाउन सक्छ। एली एल्युमिनियम कम्पनीद्वारा उत्पादित AA5024-H116 एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु पाना विमान फ्युजलेज र अन्तरिक्ष यान संरचनात्मक घटकहरू निर्माण गर्न प्रयोग गरिएको छ। AA5024-H116 मिश्र धातु पानाको विशिष्ट मोटाई १.६ मिमी देखि ८.० मिमी सम्म हुन्छ, र यसको कम घनत्व, मध्यम मेकानिकल गुणहरू, उच्च जंग प्रतिरोध, र कडा आयामी विचलनको कारणले गर्दा, यसले २५२४ मिश्र धातुलाई फ्युजलेज छाला सामग्रीको रूपमा प्रतिस्थापन गर्न सक्छ। हाल, AA5024-H116 मिश्र धातु पाना एयरबस AIMS03-04-055 द्वारा प्रमाणित गरिएको छ। डिसेम्बर २०१८ मा, चीनको उद्योग र सूचना प्रविधि मन्त्रालयले "प्रमुख नयाँ सामग्रीहरूको दोस्रो अनुप्रयोग प्रदर्शनको पहिलो ब्याचको लागि मार्गदर्शक सूची (२०१८ संस्करण)" जारी गर्‍यो, जसमा नयाँ सामग्री उद्योगको विकास सूचीमा "उच्च-शुद्धता स्क्यान्डियम अक्साइड" समावेश थियो। २०१९ मा, चीनको उद्योग र सूचना प्रविधि मन्त्रालयले "प्रमुख नयाँ सामग्रीहरूको पहिलो ब्याचको प्रदर्शन अनुप्रयोगहरूको लागि मार्गदर्शक सूची (२०१९ संस्करण)" जारी गर्‍यो, जसमा नयाँ सामग्री उद्योगको विकास सूचीमा "एससी समावेश गर्ने एल्युमिनियम मिश्र धातु प्रशोधन सामग्री र अल सी एससी वेल्डिंग तारहरू" समावेश थिए। चाइना एल्युमिनियम ग्रुप नर्थइस्ट लाइट एलोयले स्क्यान्डियम र जिरकोनियम भएको Al Mg Sc Zr शृङ्खला 5B70 मिश्र धातु विकास गरेको छ। स्क्यान्डियम र जिरकोनियम बिनाको परम्परागत Al Mg शृङ्खला 5083 मिश्र धातुको तुलनामा, यसको उत्पादन र तन्य शक्ति 30% भन्दा बढीले बढेको छ। यसबाहेक, Al Mg Sc Zr मिश्र धातुले 5083 मिश्र धातुसँग तुलनात्मक जंग प्रतिरोध कायम राख्न सक्छ। हाल, औद्योगिक ग्रेड भएका मुख्य घरेलु उद्यमहरूएल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुउत्पादन क्षमता नर्थइस्ट लाइट एलोय कम्पनी र साउथवेस्ट एल्युमिनियम उद्योगको हो। नर्थइस्ट लाइट एलोय कम्पनी लिमिटेड द्वारा विकसित ठूलो आकारको 5B70 एल्युमिनियम स्क्यान्डियम एलोय शीटले अधिकतम 70mm मोटाई र 3500mm चौडाई भएका ठूला एल्युमिनियम मिश्र धातु बाक्लो प्लेटहरू आपूर्ति गर्न सक्छ; पातलो पाना उत्पादनहरू र प्रोफाइल उत्पादनहरू उत्पादनको लागि अनुकूलित गर्न सकिन्छ, 2mm देखि 6mm को मोटाई दायरा र 1500mm को अधिकतम चौडाईको साथ। साउथवेस्ट एल्युमिनियमले स्वतन्त्र रूपमा 5K40 सामग्री विकास गरेको छ र पातलो प्लेटहरूको विकासमा महत्त्वपूर्ण प्रगति गरेको छ। Al Zn Mg मिश्र धातु उच्च शक्ति, राम्रो प्रशोधन प्रदर्शन, र उत्कृष्ट वेल्डिंग प्रदर्शनको साथ एक समय कडा पार्ने मिश्र धातु हो। यो हवाईजहाज जस्ता हालको यातायात सवारी साधनहरूमा एक अपरिहार्य र महत्त्वपूर्ण संरचनात्मक सामग्री हो। मध्यम शक्ति वेल्डेबल AlZn Mg को आधारमा, स्क्यान्डियम र जिरकोनियम मिश्र धातु तत्वहरू थप्दा माइक्रोस्ट्रक्चरमा साना र छरिएका Al3 (Sc, Zr) न्यानोपार्टिकल्स बनाउन सक्छ, जसले मिश्र धातुको मेकानिकल गुणहरू र तनाव जंग प्रतिरोधमा उल्लेखनीय सुधार गर्दछ। नासाको ल्याङ्ली अनुसन्धान केन्द्रले ग्रेड C557 भएको टर्नरी एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु विकास गरेको छ, जुन मोडेल मिसनहरूमा प्रयोग गर्न तयार छ। कम तापक्रम (-200 ℃), कोठाको तापक्रम र उच्च तापक्रम (107 ℃) मा यस मिश्र धातुको स्थिर शक्ति, दरार प्रसार र फ्र्याक्चर कठोरता सबै 2524 मिश्र धातुको बराबर वा राम्रो छन्। संयुक्त राज्य अमेरिकाको नर्थवेस्टर्न युनिभर्सिटीले AlZn Mg Sc मिश्र धातु 7000 श्रृंखला अल्ट्रा-हाई स्ट्रेन्थ एल्युमिनियम मिश्र धातु विकास गरेको छ, जसको तन्य शक्ति 680MPa सम्म छ। मध्यम उच्च शक्ति एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु र अल्ट्रा-हाई स्ट्रेन्थ Al Zn Mg Sc बीचको संयुक्त विकासको ढाँचा गठन गरिएको छ। Al Zn Mg Cu Sc मिश्र धातु 800 MPa भन्दा बढी तन्य शक्ति भएको उच्च-शक्ति एल्युमिनियम मिश्र धातु हो। हाल, मुख्य ग्रेडहरूको नाममात्र संरचना र आधारभूत प्रदर्शन प्यारामिटरहरूएल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुतालिका १ र २ मा देखाइए अनुसार निम्नानुसार संक्षेप गरिएको छ।

तालिका १ | एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुको नाममात्र संरचना

तालिका २ | एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुको सूक्ष्म संरचना र तन्य गुणहरू

एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुको आवेदन सम्भावनाहरू

रूसी MiG-21 र MiG-29 लडाकु विमानहरू सहित लोड-बेयरिङ संरचनात्मक घटकहरूमा उच्च शक्ति भएका Al Zn Mg Cu Sc र Al CuLi Sc मिश्रहरू प्रयोग गरिएको छ। रूसी अन्तरिक्ष यान "मार्स-१" को ड्यासबोर्ड १५७० एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुबाट बनेको छ, जसको कुल तौल २०% घटाइएको छ। मार्स-९६ अन्तरिक्ष यानको उपकरण मोड्युलको लोड-बेयरिङ कम्पोनेन्टहरू स्क्यान्डियम भएको १९७० एल्युमिनियम मिश्र धातुबाट बनेका छन्, जसले उपकरण मोड्युलको तौल १०% घटाएको छ। "क्लिन स्काई" कार्यक्रम र EU को "२०५० फ्लाइट रुट" परियोजनामा, एयरबसले ५०२४ एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुको उत्तराधिकारी ग्रेड AA5028-H116 एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुमा आधारित A321 विमानको लागि एकीकृत कार्गो होल्ड ढोका डिजाइन, अनुसन्धान र विकास, निर्माण र स्थापना परीक्षण उडानहरू सञ्चालन गर्‍यो। AA5028 द्वारा प्रतिनिधित्व गरिएको एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुले उत्कृष्ट प्रशोधन र वेल्डिंग प्रदर्शन प्रदर्शन गर्‍यो। स्क्यान्डियम भएको एल्युमिनियम मिश्र धातु सामग्रीहरूको भरपर्दो जडान प्राप्त गर्न घर्षण हलचल वेल्डिंग र लेजर वेल्डिंग जस्ता उन्नत वेल्डिंग प्रविधिहरूको प्रयोग गर्दै। विमान प्रबलित पातलो प्लेट संरचनाहरूमा "रिभेटिंगको सट्टा वेल्डिंग" को क्रमिक कार्यान्वयनले विमान सामग्री र संरचनात्मक अखण्डताको स्थिरता मात्र कायम राख्दैन, कुशल र कम लागतको निर्माण प्राप्त गर्दछ, तर तौल घटाउने र सिल गर्ने प्रभावहरू पनि छन्। चाइना एयरोस्पेस स्पेशल मटेरियल्स रिसर्च इन्स्टिच्युटद्वारा गरिएको एल्युमिनियम स्क्यान्डियम ५B७० मिश्र धातुको प्रयोग अनुसन्धानले चर भित्ता मोटाई कम्पोनेन्टहरूको बलियो स्पिनिङ, जंग प्रतिरोध र बल मिलान नियन्त्रण, र वेल्डिंग अवशिष्ट तनाव नियन्त्रण गर्ने प्रविधिहरू तोडेको छ। यसले एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातु अनुकूली वेल्डिंग तार तयार गरेको छ, र मिश्र धातुमा बाक्लो प्लेटहरूको लागि घर्षण हलचल वेल्डिंगको संयुक्त शक्ति गुणांक ०.९२ सम्म पुग्न सक्छ। चाइना एकेडेमी अफ स्पेस टेक्नोलोजी, सेन्ट्रल साउथ युनिभर्सिटी, र अन्यले ५B७० सामग्रीमा व्यापक मेकानिकल प्रदर्शन परीक्षण र प्रक्रिया प्रयोगहरू सञ्चालन गरेका छन्, ५A०६ को लागि संरचनात्मक सामग्री चयन योजना अपग्रेड र पुनरावृत्ति गरेका छन्, र अन्तरिक्ष स्टेशनको सिल गरिएको केबिन र रिटर्न केबिनको समग्र प्रबलित भित्ता प्यानलहरूको मुख्य संरचनामा ५B७० एल्युमिनियम मिश्र धातु लागू गर्न थालेका छन्। प्लेट संरचना प्रेसराइज्ड केबिनको समग्र भित्ता प्यानल छाला र सुदृढीकरण रिबहरूको संयोजनको साथ डिजाइन गरिएको छ, उच्च संरचनात्मक एकीकरण र तौल अनुकूलन प्राप्त गर्दै। समग्र कठोरता र बल सुधार गर्दा, यसले जडान गर्ने घटकहरूको संख्या र जटिलता कम गर्छ, जसले गर्दा उच्च प्रदर्शन कायम राख्दै तौल अझ कम हुन्छ। को आवेदनको प्रवर्द्धन संग 5B70 सामग्री इन्जिनियरिङमा, 5B70 सामग्रीको प्रयोग बिस्तारै बढ्दै जानेछ र न्यूनतम आपूर्ति सीमा पार गर्नेछ, जसले कच्चा पदार्थको निरन्तर उत्पादन र स्थिर गुणस्तर सुनिश्चित गर्न मद्दत गर्नेछ, र कच्चा पदार्थको मूल्यलाई उल्लेखनीय रूपमा घटाउनेछ। पहिले उल्लेख गरिएझैं, स्क्यान्डियम माइक्रोअलोयिङ मार्फत एल्युमिनियम मिश्र धातुका धेरै गुणहरू सुधार गरिएको भए तापनि, स्क्यान्डियमको उच्च मूल्य र अभावले एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरूको प्रयोग दायरालाई सीमित गर्दछ। Al Cu, Al Zn, Al ZnMg जस्ता एल्युमिनियम मिश्र धातु सामग्रीहरूको तुलनामा, स्क्यान्डियम युक्त एल्युमिनियम मिश्र धातु सामग्रीहरूमा राम्रो व्यापक मेकानिकल गुणहरू, जंग प्रतिरोध, र उत्कृष्ट प्रशोधन विशेषताहरू छन्, जसले तिनीहरूलाई एयरोस्पेस जस्ता औद्योगिक क्षेत्रहरूमा मुख्य संरचनात्मक घटकहरूको निर्माणमा व्यापक अनुप्रयोग सम्भावनाहरू प्रदान गर्दछ। स्क्यान्डियम माइक्रोअलोयिङ प्रविधिमा अनुसन्धानको निरन्तर गहिराइ र आपूर्ति श्रृंखला र औद्योगिक श्रृंखला मिलानको सुधारको साथ, स्क्यान्डियम एल्युमिनियम मिश्र धातुहरूको ठूलो मात्रामा औद्योगिक अनुप्रयोगलाई प्रतिबन्धित गर्ने मूल्य र लागत कारकहरू बिस्तारै सुधार हुनेछन्। एल्युमिनियम स्क्यान्डियम मिश्र धातुहरूको राम्रो व्यापक मेकानिकल गुणहरू, जंग प्रतिरोध, र उत्कृष्ट प्रशोधन विशेषताहरूले तिनीहरूलाई उड्डयन उपकरण निर्माणको क्षेत्रमा स्पष्ट संरचनात्मक तौल घटाउने फाइदाहरू र व्यापक अनुप्रयोग क्षमता प्रदान गर्दछ।