Dezvoltarea aliajelor de aluminiu: cum aliajele ating proprietăți mecanice mai înalte

Scopul dezvoltării aliajului

Dezvoltarea aliajului de aluminiu este manipularea controlată a chimiei, procesării și tratamentului termic pentru a atinge o combinație țintă de rezistență, tenacitate, rezistență la coroziune și formabilitate. Aluminiul pur este moale și ductil; fiecare aliaj comercial adaugă elemente care interferează cu mișcarea de dislocare sau rafinează microstructura. Sarcina de inginerie este de a decide care mecanism oferă proprietatea necesară la un cost acceptabil, apoi de a stabili ruta de procesare care face ca acel mecanism să fie repetabil în producție.

Cinci mecanisme domină practica modernă: întărirea prin precipitare, microalierea cu scandiu, adaosurile de litiu, întărirea la cuptor în foaie de 6xxx și solidificarea rapidă pentru funcționare la temperaturi ridicate-.

Întărirea prin precipitații în seria 7xxx

În aliajele de Zn-Mg{-Cu, grupurile de soluți formează zone Guinier-Preston coerente în aproximativ 24 de ore de la îmbătrânirea naturală la temperatura camerei. Calea standard T6 pentru aceste aliaje constă în tratarea cu soluție la aproximativ 475 de grade timp de 2 ore, o stingere cu apă, apoi îmbătrânire artificială la aproximativ 120 de grade timp de 24 de ore.

În timpul îmbătrânirii artificiale faza η' metastabilă, bazată pe MgZn₂, nucleează și blochează mișcarea de dislocare, care este ceea ce produce creșterea forței. Schimbarea-este clasică: tempera-învechită T7 sacrifică aproximativ 10 % din rezistența maximă pentru a obține o rezistență semnificativ mai bună la fisurarea prin coroziune-la stres, ca în AA7075-T7351.

Specificațiile materialelor aerospațiale stabilesc în mod obișnuit o tenacitate minimă la rupere plan{0}}la deformare peste 28 MPa·m^1/2pentru secțiuni groase de aripi-spar în plăci de-înaltă rezistență 7xxx, cum ar fi AA7150-T7751. Duritatea la rupere este măsurată cu procedurile ASTM B645, astfel încât părțile de rezistență și toleranță la deteriorare ale cerinței să poată fi evaluate în termeni comparabili.

Microaliere cu scandiu, rafinare a cerealelor și sudabilitate

Adăugarea a aproximativ 0,2 % scandiu la un aliaj de aluminiu transformă structura-granulelor turnate, reducând dimensiunea granulelor de la aproximativ 500 μm la aproximativ 10 μm. Mecanismul este formarea de Al coerent₃Nanoprecipitatele Sc, de obicei de 3-5 nm în dimensiune, care fixează atât dislocațiile, cât și limitele de cereale și rezistă recristalizării chiar și după procesare la temperatură înaltă.

Câștigul de proprietate este mare pentru o adăugare de microaliere: în materialul recoapt Al-Mg{-Sc, limita de curgere crește de la aproximativ 150 MPa la aproximativ 350 MPa. Scandiumul îndepărtează, de asemenea, susceptibilitatea la fisurare la cald în aliajele de înaltă rezistență sudabile, cum ar fi AA2219, motiv pentru care variantele sudabile de Al-Cu{-Sc sunt utilizate pentru domurile mari ale rezervoarelor de combustibil criogenic. Factorul limitativ a fost întotdeauna costul, iar acum mult efort de dezvoltare este îndreptat către recuperarea scandiului din subprodusele procesului-și din steril, astfel încât adăugarea să devină economică într-o gamă mai largă de produse.

Adăugări de litiu și reducerea densității

Fiecare 1 % din litiu adăugat la aluminiu reduce densitatea cu aproximativ 3 % și crește rigiditatea, motiv pentru care aliajele care conțin litiu-sunt atractive pentru structurile critice de greutate-și pentru rezervoarele criogenice. Aliajele cu aproximativ 1,0 % Li, cum ar fi familia 2195, l-au înlocuit pe 2219 în rezervorul vehiculului de lansare-și au adus economii substanțiale de greutate pe vehicul.

Tratamentul de îmbătrânire duplex există deoarece T₁precipitația este lentă și trebuie nucleată la o temperatură mai joasă înainte ca treapta de temperatură mai mare-să crească placa-precipitată asemănătoare care conferă aliajului echilibrul rezistenței și tenacității. Topirea curată este la fel de importantă, deoarece litiul se oxidează ușor, iar incluziunile de oxid acționează ca inițiatori de fisuri.

Întărirea la cuptor în seria 6xxx

Panourile de caroserie pentru automobile folosesc foi de Al-Mg{-Si în stare T4P, formate și apoi consolidate în atelierul de vopsire. Mg₂Ace de Si '', de aproximativ 2 pe 5 nm, precipită în timpul ciclului de coacere a vopselei, de obicei la 185 de grade timp de 20 de minute, crescând limita de curgere acolo unde panoul este deja format.

Foaia AA6016-T4P atinge o rezistență post-coace cu aproximativ 20 % mai mare decât o referință din oțel cu două faze, cum ar fi DP780.

Aderența electrocoat depinde de menținerea raportului fier-la-siliciu peste aproximativ 1,5:1, astfel încât chimia suprafeței să rămână constantă prin linia de pretratare.

Performanța la impact măsurată ca absorbție de energie ajunge la aproximativ 15 kJ/kg, față de aproximativ 8 kJ/kg pentru secțiunile de oțel comparabile.

Piesele turnate sub caroserie mari dintr-o singură bucată-și panourile structurale din aliaje 6xxx utilizează aceeași cale de întărire prin coacere-, astfel încât formabilitatea în presă și rezistența în exploatare sunt decuplate.

Solidificare rapidă și aliaje cu temperatură înaltă{0}

Aliajele convenționale din aluminiu turnat își pierd rezistența peste aproximativ 150 de grade, deoarece precipitațiile lor de întărire se îngroașă. Solidificarea rapidă ocolește această limită creând o dispersie fină de particule stabile termic. Depunerea prin pulverizare, de exemplu, produce un aliaj Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si care încă atinge o rezistență de aproximativ 400 MPa la 300 de grade, susținut de o populație de dispersoide peste 10¹⁷/m³de 50 nm Al₁₂(Fe,V)₃Si particule care rezistă la îngroșare.

Fabricarea aditivă extinde aceeași idee la forme complexe. Topirea selectivă cu laser este utilizată pentru a construi roți de turbocompresor și etriere de frână AlSi10Mg cu structuri fine, suprasaturate cu celule și libertate dimensională bună, în timp ce aliajele Al-Ce-Mg dezvoltate pentru secțiunile compresoarelor rezistă la temperaturi de serviciu în jur de 250 de grade fără a-și pierde dispersia. Pentru designeri, mesajul practic este că dezvoltarea aliajului nu mai este doar o chestiune de adăugare de elemente la o topitură; traseul pulberii, viteza de solidificare și tratamentul termic sunt acum pârghii la fel de puternice.

Întrebări frecvente

Î: Ce este întărirea prin precipitare în aliajele de aluminiu?
Se întărește prin particule fin dispersate formate în timpul îmbătrânirii. Solutul este menținut în soluție suprasaturată prin stingere, apoi precipită sub formă de zone GP și faze metastabile care împiedică mișcarea de dislocare.

Î: De ce să folosiți temperamentul T7 în loc de T6 de vârf-?
Supravechirea-T7 renunță la aproximativ 10 % din rezistența maximă, dar îmbunătățește considerabil rezistența la fisurare la coroziune și stabilitatea dimensională, ceea ce contează pentru secțiuni groase în sarcină susținută.

Î: Cât de mult scandiu este nevoie pentru a rafina structura cerealelor?
Aproximativ 0,2 % este de obicei suficient pentru a reduce-granulația turnată de la aproximativ 500 μm la aproximativ 10 μm prin Al₃Sc nanoprecipitate de 3-5 nm.

Î: De ce aliajele care-conțin litiu sunt îmbătrânite în două etape?
T₁(Al₂Precipitația CuLi) este lentă, așa că îmbătrânirea duplex la 155 de grade apoi la 190 de grade nucleează mai întâi faza și apoi o crește la dimensiunea care oferă cea mai bună rezistență și duritate.

Î: Ce limitează coacerea-foaia întărită 6xxx în panourile caroseriei?
Formabilitatea în presă și stabilitatea chimiei suprafeței pentru aderența electrocoat, motiv pentru care raportul fier-la-siliciu este controlat peste aproximativ 1,5:1.

Î: Ce mecanism permite aluminiului să servească peste 250 de grade?
Procesare rapidă de solidificare. Creează o dispersie densă de particule stabile, cum ar fi Al₁₂(Fe,V)₃Da, care rezistă la îngroșare la temperatură ridicată.