تطوير سبائك الألومنيوم: كيف تحقق السبائك خصائص ميكانيكية أعلى

الهدف من تطوير السبائك

إن تطوير سبائك الألومنيوم هو التلاعب المتحكم فيه بالكيمياء والمعالجة والمعالجة الحرارية للوصول إلى مزيج مستهدف من القوة والمتانة ومقاومة التآكل وقابلية التشكيل. الألومنيوم النقي ناعم ومرن. تضيف كل سبيكة تجارية عناصر تتداخل مع حركة الخلع أو تعمل على تحسين البنية المجهرية. وتتمثل المهمة الهندسية في تحديد الآلية التي توفر الخاصية المطلوبة بتكلفة مقبولة، ثم تحديد مسار المعالجة الذي يجعل تلك الآلية قابلة للتكرار في الإنتاج.

تهيمن خمس آليات على الممارسات الحديثة: التقسية بالترسيب، وسبائك سكانديوم الدقيقة، وإضافات الليثيوم، وتصلب الخبز في صفائح 6xxx، والتصلب السريع لخدمة درجة الحرارة المرتفعة-.

تصلب الهطول في سلسلة 7xxx

في سبائك الزنك-المغنيسيوم-النحاس، تشكل التجمعات المذابة مناطق جينير-بريستون متماسكة خلال حوالي 24 ساعة من التعتيق الطبيعي في درجة حرارة الغرفة. يتكون مسار T6 القياسي لهذه السبائك من معالجة المحلول عند درجة حرارة 475 درجة تقريبًا لمدة ساعتين، ثم إخماد الماء، ثم التعتيق الاصطناعي عند حوالي 120 درجة لمدة 24 ساعة.

أثناء الشيخوخة الاصطناعية، تكون المرحلة η شبه المستقرة، بناءً على MgZn₂، النواة وتمنع حركة الخلع، وهو ما يؤدي إلى زيادة القوة. تعتبر المقايضة-مقايضة كلاسيكية: حيث يضحي مزاج T7 الأكبر من-بحوالي 10% من ذروة القوة للحصول على مقاومة أفضل بشكل ملحوظ للإجهاد-والتكسير الناتج عن التآكل، كما هو الحال في AA7075-T7351.

تحدد مواصفات المواد الفضائية عادةً حدًا أدنى لمستوى -صلابة كسر الانفعال أعلى من 28 ميجاباسكال^1/2للأجنحة السميكة-أقسام الصاري في الصفيحة-عالية القوة 7xxx مثل AA7150-T7751. يتم قياس صلابة الكسر من خلال إجراءات ASTM B645، بحيث يمكن تقييم جوانب القوة وتحمل الضرر للمتطلبات بشروط قابلة للمقارنة.

صناعة السبائك الدقيقة من سكانديوم وصقل الحبوب وقابلية اللحام

تؤدي إضافة حوالي 0.2% سكانديوم إلى سبائك الألومنيوم إلى تحويل بنية الحبوب المصبوبة-، مما يقلل حجم الحبوب من 500 ميكرومتر تقريبًا إلى حوالي 10 ميكرومتر. الآلية هي تشكيل آل متماسك₃رواسب نانوية، يبلغ حجمها عادةً 3-5 نانومتر، والتي تثبت كلاً من عمليات الخلع وحدود الحبوب وتقاوم إعادة التبلور حتى بعد المعالجة بدرجة حرارة عالية.

تعتبر مكاسب الخاصية كبيرة بالنسبة لإضافة السبائك الدقيقة: في مادة Al-Mg-Sc الملدنة، ترتفع مقاومة الخضوع من حوالي 150 ميجا باسكال إلى حوالي 350 ميجا باسكال. يزيل سكانديوم أيضًا قابلية التشقق - الساخن في السبائك عالية القوة - القابلة للحام مثل AA2219، ولهذا السبب يتم استخدام متغيرات Al-Cu-Sc القابلة للحام في قباب خزانات الوقود الدافعة الكبيرة المبردة. لقد كان العامل المحدد دائمًا هو التكلفة، والآن يتم بذل الكثير من جهود التطوير في استرداد السكانديوم من المعالجة بواسطة-المنتجات ومخلفات المناجم بحيث تصبح الإضافة اقتصادية في نطاق أوسع من المنتجات.

إضافات الليثيوم وتقليل الكثافة

كل 1% من الليثيوم المضاف إلى الألومنيوم يقلل الكثافة بنسبة 3% تقريبًا ويزيد من الصلابة، ولهذا السبب تكون السبائك المحتوية على الليثيوم-جذابة للوزن-الهياكل الحرجة وللخزانات المبردة. لقد حلت السبائك التي تحتوي على 1.0% Li تقريبًا، مثل عائلة 2195، محل 2219 في خزان مركبة الإطلاق ووفرت بشكل كبير في الوزن لكل مركبة.

يوجد علاج الشيخوخة المزدوج لأن T₁يكون الترسيب بطيئًا ويجب أن يتبلور عند درجة حرارة أقل قبل أن تؤدي خطوة درجة الحرارة الأعلى-إلى نمو الصفيحة-مثل الرواسب التي تمنح السبيكة توازن قوتها وصلابتها. يعد الذوبان النظيف على نفس القدر من الأهمية، حيث أن الليثيوم يتأكسد بسهولة وتعمل شوائب الأكسيد كمحفز للشقوق.

تصلب الخبز في سلسلة 6xxx

تستخدم ألواح هياكل السيارات صفائح Al-Mg-Si في حالة T4P، والتي يتم تشكيلها وتقويتها في ورشة الطلاء. ملغ₂تترسب إبر Si، مقاس 2 × 5 نانومتر تقريبًا أثناء دورة خبز الطلاء-، عادةً 185 درجة لمدة 20 دقيقة، مما يؤدي إلى زيادة قوة الخضوع حيث تكون اللوحة قد تم تشكيلها بالفعل.

تصل ورقة AA6016-T4P إلى قوة خبز أعلى بنسبة 20% تقريبًا-مقارنة بالفولاذ المرجعي ثنائي الطور مثل DP780.

يعتمد التصاق الطلاء الكهربائي على الحفاظ على نسبة الحديد-إلى-السيليكون أعلى من حوالي 1.5:1 بحيث تظل كيمياء السطح ثابتة خلال خط المعالجة المسبقة.

تم قياس أداء التصادم عندما يصل امتصاص الطاقة إلى حوالي 15 كيلوجول/كجم، مقابل حوالي 8 كيلوجول/كجم لأقسام الصلب المماثلة.

تستخدم المصبوبات الكبيرة-القطعة السفلية والألواح الهيكلية المصنوعة من سبائك 6xxx نفس طريق التصلب-المخبوز، لذلك يتم فصل قابلية التشكيل في الضغط والقوة في الخدمة.

التصلب السريع والسبائك-ذات درجات الحرارة المرتفعة

تفقد سبائك الألومنيوم المصبوبة التقليدية قوتها عند درجة حرارة تزيد عن 150 درجة تقريبًا لأن تقويتها تؤدي إلى رواسب خشنة. يتجنب التصلب السريع هذا الحد عن طريق إنشاء تشتت دقيق للجزيئات المستقرة حرارياً. على سبيل المثال، يؤدي ترسيب الرذاذ إلى إنتاج سبيكة Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si التي لا تزال تصل إلى حوالي 400 ميجا باسكال عند 300 درجة، مدعومة بمجموعة مشتتات تزيد عن 10¹⁷/m³من 50 نانومتر آل₁₂(الحديد، الخامس)₃جزيئات Si التي تقاوم الخشونة.

يمتد التصنيع الإضافي بنفس الفكرة إلى الأشكال المعقدة. يتم استخدام الذوبان الانتقائي بالليزر لبناء عجلات الشاحن التوربيني ومساميك مكابح AlSi10Mg مع هياكل خلايا دقيقة ومفرطة التشبع وحرية جيدة للأبعاد، في حين أن سبائك Al-Ce-Mg المطورة لأجزاء الضاغط تتحمل درجات حرارة الخدمة حوالي 250 درجة دون فقدان تشتتها. بالنسبة للمصممين، الرسالة العملية هي أن تطوير السبائك لم يعد مجرد مسألة إضافة عناصر إلى المصهور؛ أصبح مسار المسحوق ومعدل التصلب والمعالجة الحرارية الآن رافعات قوية بنفس القدر.

الأسئلة المتداولة

س: ما هو تصلب هطول الأمطار في سبائك الألومنيوم؟
يتم تقويته بواسطة جزيئات متناثرة بدقة تتشكل أثناء الشيخوخة. يتم الاحتفاظ بالمذاب في محلول مفرط التشبع عن طريق التبريد، ثم يترسب كمناطق GP وأطوار شبه مستقرة تعيق حركة التفكك.

س: لماذا نستخدم مزاج T7 بدلاً من ذروة -T6 القديمة؟
T7 مع مرور الوقت-يتخلى عن حوالي 10% من القوة القصوى ولكنه يحسن بشكل كبير من الإجهاد-مقاومة التشققات والتآكل واستقرار الأبعاد، وهو أمر مهم بالنسبة للأجزاء السميكة في الحمل المستمر.

س: ما هي كمية سكانديوم اللازمة لتحسين بنية الحبوب؟
عادةً ما يكون حوالي 0.2% كافيًا لتقليل-حجم حبيبات الصب من حوالي 500 ميكرومتر إلى حوالي 10 ميكرومتر خلال Al₃رواسب نانوية من 3-5 نانومتر.

س: لماذا يحتوي الليثيوم-على سبائك يتم تعتيقها على مرحلتين؟
T₁(آل₂CuLi) يكون هطول الأمطار بطيئًا، لذا فإن الشيخوخة المزدوجة عند 155 درجة ثم 190 درجة تؤدي إلى نواة الطور أولاً ثم تنميه إلى الحجم الذي يعطي أفضل قوة وصلابة.

س: ما الذي يحد من خبز-الورق المقوى مقاس 6xxx في ألواح الهيكل؟
قابلية التشكيل في الضغط واستقرار كيمياء السطح من أجل التصاق الطلاء الكهربائي، ولهذا السبب يتم التحكم في نسبة الحديد-إلى-السيليكون بنسبة أعلى من حوالي 1.5:1.

س: ما هي الآلية التي تسمح للألمنيوم بالخدمة فوق 250 درجة؟
معالجة التصلب السريع. أنه يخلق تشتت كثيفة من الجسيمات المستقرة، مثل آل₁₂(الحديد، الخامس)₃Si، الذي يقاوم التخشين عند درجة حرارة مرتفعة.