Сплавы алюминия и скандия

Сплавы алюминия и скандия ( AlSc ) — это алюминиевые сплавы , состоящие в основном из алюминия (Al) и небольшого количества скандия (Sc) в качестве основных легирующих элементов . В принципе, алюминиевые сплавы, упрочненные добавками скандия, очень похожи на традиционные суперсплавы на основе никеля , поскольку оба они упрочнены связными, устойчивыми к укрупнению выделениями с упорядоченной _{структурой L12} . Но сплавы Al–Sc содержат гораздо меньшую объемную долю выделений, а расстояние между выделениями гораздо меньше, чем в их аналогах на основе никеля. Однако в обоих случаях устойчивые к укрупнению выделения позволяют сплавам сохранять прочность при высоких температурах. ^{[ 1 ]}

Состав

Добавление скандия к алюминию ограничивает рост зерен в зоне термического влияния свариваемых алюминиевых деталей. Это имеет два полезных эффекта: осаждение Al ₃ Sc образует более мелкие кристаллы, чем в других алюминиевых сплавах . ^{[ 2 ]} уменьшается объем свободных от выделений зон на границах зерен старотвердеющих алюминиевых сплавов. ^{[ 2 ]} Скандий также является мощным измельчителем зерна в литых алюминиевых сплавах и атомом за атомом, самым мощным упрочнителем алюминия, как в результате измельчения зерна, так и дисперсионного упрочнения.

The Осадок Al ₃ Sc представляет собой когерентный осадок, который укрепляет алюминиевую матрицу за счет применения полей упругой деформации, которые тормозят движение дислокаций (т. е. пластическую деформацию ). Дополнительным преимуществом добавок скандия к алюминию является то, что наноразмерные выделения Al ₃ Sc, которые придают сплаву прочность, устойчивы к огрублению при относительно высоких температурах (~ 350 ° C). В этом отличие от типичных коммерческих сплавов 2ххх и 6ххх, которые быстро теряют прочность при температуре выше 250 °С из-за быстрого укрупнения упрочняющих выделений. ^{[ 3 ]} Влияние выделений Al ₃ Sc также увеличивает предел текучести сплава на 50–70 МПа (7,3–10,2 тыс. фунтов на квадратный дюйм).

Al ₃ Sc имеет эксклюзивную для этой системы равновесную сверхрешеточную структуру L1 ₂ . ^{[ 4 ]} Мелкой дисперсии наноразмерных выделений можно добиться посредством термообработки, которая также может укрепить сплавы за счет упорядоченной закалки. ^{[ 5 ]}

Недавние разработки включают добавление переходных металлов, таких как Zr, и редкоземельных металлов, таких как Er, для создания оболочек, окружающих сферическую форму. Осадок Al ₃ Sc , который, как было показано, увеличивает стойкость к укрупнению сплавов Al-Sc до ~ 400 °C. ^{[ 6 ]} Добавки образуют упрочняющие выделения состава Al ₃ (Sc,Zr,Er). ^{[ 7 ]}Наличие этих оболочек обусловлено коэффициентом диффузии легирующего элемента и снижает стоимость сплава из-за того, что меньшее количество скандия частично замещается Zr, сохраняя при этом стабильность и меньшее количество скандия, необходимого для образования осадка. ^{[ 8 ]} Они сделали Al ₃ Sc в некоторой степени конкурирует с титановыми сплавами, а также имеет широкий спектр применения. Сплав Al ₂₀ Li ₂₀ Mg ₁₀ Sc ₂₀ Ti ₃₀ такой же прочный, как титан, легкий, как алюминий, и твердый, как некоторые виды керамики. ^{[ 9 ]} Однако титановые сплавы , схожие по легкости и прочности, дешевле и гораздо шире применяются. ^{[ 10 ]}

С 2013 года компания Apworks GmbH, дочерняя компания Airbus, продает высокопрочный скандий-содержащий алюминиевый сплав, обработанный с использованием 3D-печати металла (лазерная порошковая сварка) под торговой маркой Scalmalloy , которая заявляет об очень высокой прочности и пластичности. ^{[ 11 ]}

Приложения

Основное применение металлического скандия по весу - это алюминиево-скандиевые сплавы для второстепенных компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% (по массе) скандия. Они использовались в российской армии, в частности МиГ-21 и МиГ-29 . ^{[ 2 ]}
Повышенная рабочая температура сплавов Al-Sc имеет серьезные последствия для энергоэффективных применений, особенно в автомобильной промышленности. Эти сплавы могут заменить более плотные материалы, такие как сталь и титан , которые используются в средах с температурой 250–350 ° C, например, в двигателях или рядом с ними. Замена этих материалов более легкими алюминиевыми сплавами приводит к снижению веса, что, в свою очередь, приводит к повышению эффективности использования топлива. ^{[ 7 ]}
Некоторые предметы спортивного инвентаря, изготовленные из легких высокоэффективных материалов, изготовлены из скандиево-алюминиевых сплавов, в том числе бейсбольные биты , ^{[ 12 ]} опоры для палаток, рамы и компоненты для велосипедов . ^{[ 13 ]} Клюшки для лакросса также изготавливаются из скандия.
Американская компания по производству огнестрельного оружия Smith & Wesson производит полуавтоматические пистолеты и револьверы с рамкой из скандиевого сплава и цилиндрами из титана или углеродистой стали. ^{[ 14 ]}^{[ 15 ]}

Ссылки

^ Во, Нхон (2016). «Роль кремния в кинетике выделения разбавленных сплавов Al-Sc-Er-Zr». Материаловедение и инженерия: А. 677 (20): 485. doi : 10.1016/j.msea.2016.09.065 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ахмад, Заки (2003). «Свойства и применение алюминия, армированного скандием». ДЖОМ . 55 (2): 35. Бибкод : 2003JOM....55b..35A . дои : 10.1007/s11837-003-0224-6 . S2CID 8956425 .
^ Маркиз, Эммануэль (2002). «Дисциплинарное упрочнение термообрабатываемых сплавов Al (Sc) при температуре окружающей среды и повышенных температурах». Акта Материалия . 50 (16): 4021. Бибкод : 2002AcMat..50.4021S . дои : 10.1016/S1359-6454(02)00201-X .
^ Книплинг, Кейт Э.; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 марта 2006 г.). «Критерии разработки литых, устойчивых к ползучести сплавов на основе алюминия – обзор» . Журнал Металлургии . 97 (3): 246–265. дои : 10.3139/146.101249 . ISSN 0044-3093 . S2CID 4681149 .
^ Книплинг, Кейт Э.; Карнески, Ричард А.; Ли, Констанс П.; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 сентября 2010 г.). «Эволюция выделений в сплавах Al–0,1Sc, Al–0,1Zr и Al–0,1Sc–0,1Zr (ат. %) при изохронном старении» . Акта Материалия 58 (15): 5184–5195. Бибкод : 2010AcMat..58.5184K . дои : 10.1016/j.actamat.2010.05.054 . ISSN 1359-6454 .
^ Бут-Моррисон, Кристофер; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 октября 2011 г.). «Сопротивление укрупнению при 400°С дисперсионно-упрочненных сплавов Al–Zr–Sc–Er» . Акта Материалия . 59 (18): 7029–7042. Бибкод : 2011AcMat..59.7029B . дои : 10.1016/j.actamat.2011.07.057 . ISSN 1359-6454 .
^ Jump up to: ^а ^б «Жаропрочные суперсплавы» . НаноАл. 2016. Архивировано из оригинала 12 ноября 2016 года . Проверено 11 ноября 2016 г.
^ Де Лука, Энтони; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (15 октября 2016 г.). «Механические свойства и оптимизация старения разбавленного сплава Al-Sc-Er-Zr-Si с высоким соотношением Zr/Sc» . Акта Материалия . 119 : 35–42. Бибкод : 2016AcMat.119...35D . дои : 10.1016/j.actamat.2016.08.018 . ISSN 1359-6454 .
^ Юсеф, Халед М.; Заддач, Александр Дж.; Ню, Чаннин; Ирвинг, Дуглас Л.; Кох, Карл К. (2015). «Новый сплав низкой плотности, высокой твердости и высокой энтропии с плотноупакованными однофазными нанокристаллическими структурами» . Письма об исследованиях материалов . 3 (2): 95–99. дои : 10.1080/21663831.2014.985855 .
^ Шварц, Джеймс А.; Контеску, Кристиан И.; Путьера, Кароль (2004). Деккеровская энциклопедия нанонауки и нанотехнологий . Том. 3. ЦРК Пресс. п. 2274. ИСБН 978-0-8247-5049-7 .
^ «Материал для аддитивного производства металла Scalmalloy APWORKS, одобренный для использования в Формуле 1» . ТКТ. 2 июля 2020 г. Проверено 11 октября 2023 г.
^ Бьеркли, Стив (2006). «Бизнес с битами: биты из анодированного металла произвели революцию в бейсболе. Но теряют ли финишеры золотую середину?». Металлическая отделка . 104 (4): 61. doi : 10.1016/S0026-0576(06)80099-1 .
^ «Отчет Easton Technology: Материалы / Скандий» (PDF) . EastonBike.com . Проверено 3 апреля 2009 г.
^ Джеймс, Фрэнк (15 декабря 2004 г.). Эффективная защита от огнестрельного оружия . Публикации Краузе. стр. 207–. ISBN 978-0-87349-899-9 . Архивировано из оригинала 20 июня 2013 года . Проверено 8 июня 2011 г.
^ Суини, Патрик (13 декабря 2004 г.). Оружейный дайджест компании Smith & Wesson . Дайджесты по оружию. стр. 34–. ISBN 978-0-87349-792-3 . Архивировано из оригинала 21 июня 2013 года . Проверено 8 июня 2011 г.

Дальнейшее чтение

Дорин, Томас; Рамаджаям, Махендра; Вахид, Алиреза; Ланган, Тимоти (2018), « Алюминиевые сплавы со скандием », «Основы металлургии алюминия» , Elsevier, стр. 439–494.
Ройсет, Дж.; Рюм, Н. (1 февраля 2005 г.). « Скандий в алюминиевых сплавах ». Международные обзоры материалов . 50 (1): 19–44. дои : 10.1179/174328005X14311. ISSN 0950-6608
Shevchenko, M. O.; Kudin, V. G.; Berezutskii, V. V.; Ivanov, M. I.; Sudavtsova, V. S. (2014-07-01). " Thermodynamic Properties of Al–Sc Alloys ". Powder Metallurgy and Metal Ceramics . 53 (3): 243–249. doi :10.1007/s11106-014-9610-6. ISSN 1573-9066

[Vo2016-1] Во, Нхон (2016). «Роль кремния в кинетике выделения разбавленных сплавов Al-Sc-Er-Zr». Материаловедение и инженерия: А. 677 (20): 485. doi : 10.1016/j.msea.2016.09.065 .

[Ahmad20032-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Ахмад, Заки (2003). «Свойства и применение алюминия, армированного скандием». ДЖОМ . 55 (2): 35. Бибкод : 2003JOM....55b..35A . дои : 10.1007/s11837-003-0224-6 . S2CID 8956425 .

[Marquis2002-3] Маркиз, Эммануэль (2002). «Дисциплинарное упрочнение термообрабатываемых сплавов Al (Sc) при температуре окружающей среды и повышенных температурах». Акта Материалия . 50 (16): 4021. Бибкод : 2002AcMat..50.4021S . дои : 10.1016/S1359-6454(02)00201-X .

[4] Книплинг, Кейт Э.; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 марта 2006 г.). «Критерии разработки литых, устойчивых к ползучести сплавов на основе алюминия – обзор» . Журнал Металлургии . 97 (3): 246–265. дои : 10.3139/146.101249 . ISSN 0044-3093 . S2CID 4681149 .

[5] Книплинг, Кейт Э.; Карнески, Ричард А.; Ли, Констанс П.; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 сентября 2010 г.). «Эволюция выделений в сплавах Al–0,1Sc, Al–0,1Zr и Al–0,1Sc–0,1Zr (ат. %) при изохронном старении» . Акта Материалия 58 (15): 5184–5195. Бибкод : 2010AcMat..58.5184K . дои : 10.1016/j.actamat.2010.05.054 . ISSN 1359-6454 .

[6] Бут-Моррисон, Кристофер; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (1 октября 2011 г.). «Сопротивление укрупнению при 400°С дисперсионно-упрочненных сплавов Al–Zr–Sc–Er» . Акта Материалия . 59 (18): 7029–7042. Бибкод : 2011AcMat..59.7029B . дои : 10.1016/j.actamat.2011.07.057 . ISSN 1359-6454 .

[NanoAl-7] Jump up to: ^а ^б «Жаропрочные суперсплавы» . НаноАл. 2016. Архивировано из оригинала 12 ноября 2016 года . Проверено 11 ноября 2016 г.

[8] Де Лука, Энтони; Дюнанд, Дэвид К.; Зейдман, Дэвид Н. (15 октября 2016 г.). «Механические свойства и оптимизация старения разбавленного сплава Al-Sc-Er-Zr-Si с высоким соотношением Zr/Sc» . Акта Материалия . 119 : 35–42. Бибкод : 2016AcMat.119...35D . дои : 10.1016/j.actamat.2016.08.018 . ISSN 1359-6454 .

[9] Юсеф, Халед М.; Заддач, Александр Дж.; Ню, Чаннин; Ирвинг, Дуглас Л.; Кох, Карл К. (2015). «Новый сплав низкой плотности, высокой твердости и высокой энтропии с плотноупакованными однофазными нанокристаллическими структурами» . Письма об исследованиях материалов . 3 (2): 95–99. дои : 10.1080/21663831.2014.985855 .

[Schwarz20042-10] Шварц, Джеймс А.; Контеску, Кристиан И.; Путьера, Кароль (2004). Деккеровская энциклопедия нанонауки и нанотехнологий . Том. 3. ЦРК Пресс. п. 2274. ИСБН 978-0-8247-5049-7 .

[11] «Материал для аддитивного производства металла Scalmalloy APWORKS, одобренный для использования в Формуле 1» . ТКТ. 2 июля 2020 г. Проверено 11 октября 2023 г.

[bat-12] Бьеркли, Стив (2006). «Бизнес с битами: биты из анодированного металла произвели революцию в бейсболе. Но теряют ли финишеры золотую середину?». Металлическая отделка . 104 (4): 61. doi : 10.1016/S0026-0576(06)80099-1 .

[13] «Отчет Easton Technology: Материалы / Скандий» (PDF) . EastonBike.com . Проверено 3 апреля 2009 г.

[James2004-14] Джеймс, Фрэнк (15 декабря 2004 г.). Эффективная защита от огнестрельного оружия . Публикации Краузе. стр. 207–. ISBN 978-0-87349-899-9 . Архивировано из оригинала 20 июня 2013 года . Проверено 8 июня 2011 г.

[Sweeney2004-15] Суини, Патрик (13 декабря 2004 г.). Оружейный дайджест компании Smith & Wesson . Дайджесты по оружию. стр. 34–. ISBN 978-0-87349-792-3 . Архивировано из оригинала 21 июня 2013 года . Проверено 8 июня 2011 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

v т и Алюминиевые сплавы
Введение	Алюминий Алюминиевые сплавы История алюминия
Серия Ал 1000 (чистый)	1050 1060 1070 1100 1145 1199 1200 1230 1350 1370 1420 1421 1424 1430 1440 1441 1445 1450 1460 1461 1464 1469
Аль-Сю серия 2000 года	2004 2011 2014 2017 2020 2024 2025 2029 2036 2048 2055 2080 2090 2091 2094 2095 2097 2098 2099 2124 2195 2196 2197 2198 2218 2219 2224 и 2324 2297 2319 2397 2519 2524 2618
Аль-Мн 3000 Серия	3003 3004 3005 3102 3102 и 3303 3105 3203
Аль-Си 4000 серия	4006 4007 4015 4032 4043 4047 4543
Аль-Мг 5000 серия	5005 и 5657 5010 5019 5024 5026 5050 5052 и 5652 5056 5059 5083 5086 5154 и 5254 5182 5252 5356 5454 5456 5457 5557 5754
Серия Al-Mg-Si 6000	6005 ( 6005А ) 6009 6010 6013 6022 6060 6061 6063 6065 6066 6070 6081 6082 6101 6105 6113 6151 6162 6201 6205 6262 6351 6463 6951
Алюцинк серии 7000	7005 7010 7022 7034 7039 7046 7050 7055 7065 7068 7072 7075 7079 7085 7090 7091 7093 7116 7129 7150 7178 7255 7475
8000 серия (разное)	8006 8009 8011 8014 8019 8025 8030 8090 8091 8093 8176
Именованные сплавы	Алюминий-литиевые сплавы АлБеМет Альклад Алнико АлСик Алюмель Алюминиевые гранулы Алусил Бирмабрайт Devarda's alloy Дюралюминий Гидуминий (он же сплавы RR) гидроналий Италма Ло-Экс Магналиум Магнокс (сплав) МКМ сталь алюминид никеля Сплавы алюминия и скандия Y-сплав Al-Ca композит Заэвтектический поршень Алюминиевая бронза АлСи10Мг