L'objectiu del desenvolupament d'aliatges
El desenvolupament d'aliatges d'alumini és la manipulació controlada de la química, el processament i el tractament tèrmic per aconseguir una combinació objectiu de força, duresa, resistència a la corrosió i conformabilitat. L'alumini pur és suau i dúctil; cada aliatge comercial afegeix elements que interfereixen amb el moviment de dislocació o perfeccionen la microestructura. La tasca d'enginyeria és decidir quin mecanisme ofereix la propietat requerida a un cost acceptable i després fixar la ruta de processament que fa que aquest mecanisme sigui repetible en producció.
Cinc mecanismes dominen la pràctica moderna: enduriment per precipitació, microaliatge d'escandi, addicions de liti, enduriment al forn en làmina de 6xxx i solidificació ràpida per a un servei a -temperatura elevada.
Enduriment per precipitació a la sèrie 7xxx
En els aliatges de Zn-Mg{-Cu, els grups de soluts formen zones Guinier-Preston coherents en unes 24 hores d'envelliment natural a temperatura ambient. La ruta estàndard T6 per a aquests aliatges consisteix en un tractament de solució a aproximadament 475 graus durant 2 hores, una extinció d'aigua i després un envelliment artificial a uns 120 graus durant 24 hores.
Durant l'envelliment artificial la fase metaestable η', basada en MgZn2, nuclea i bloqueja el moviment de luxació, que és el que produeix l'augment de la força. La compensació-és clàssica: el temperat-T7 envellit sacrifica al voltant d'un 10% de la força màxima per obtenir una resistència notablement millor a l'esquerda per corrosió per tensió-, com a AA7075-T7351.
| Pas | Condició típica | Propòsit |
|---|---|---|
| Envelliment natural | Temperatura ambient, fins a 24 h | Forma zones GP coherents |
| Tractament de solució | 475 graus, 2 h | Dissol les fases solubles |
| Apagar | Aigua freda | Conserva una solució sòlida sobresaturada |
| Envelliment artificial | 120 graus, 24 h | Precipita fins η' (MgZn2) |
| Més{0}}envelliment | Estat T7 | Canvia la força màxima per la resistència a la corrosió |
Les especificacions dels materials aeroespacials solen establir una tenacitat mínima a la fractura-pla per sobre de 28 MPa·m1/2per a seccions d'ala gruixuda-espar en placa-7xxx d'alta resistència com ara AA7150-T7751. La tenacitat a la fractura es mesura amb els procediments d'ASTM B645, de manera que els costats de resistència i tolerància a danys del requisit es poden avaluar en termes comparables.
Microaliatge d'escandi, refinament de gra i soldabilitat
Afegir al voltant del 0,2% d'escandi a un aliatge d'alumini transforma l'estructura del gra com-fosat, reduint la mida del gra d'aproximadament 500 μm a uns 10 μm. El mecanisme és la formació d'Al coherent3Nanoprecipitats Sc, normalment de 3-5 nm de mida, que fixen tant les dislocacions com els límits de gra i resisteixen la recristal·lització fins i tot després d'un processament a alta temperatura.
El guany de propietat és gran per a una addició de microaliatges: en el material recoit d'Al-Mg-Sc, el límit elàstic augmenta d'uns 150 MPa a uns 350 MPa. L'escandi també elimina la susceptibilitat a l'esquerda en calent en aliatges-soldables d'alta resistència com l'AA2219, per això s'utilitzen variants soldables d'Al-Cu-Sc per a les grans cúpules de tancs de propelent criogènic. El factor limitant sempre ha estat el cost, i ara es dediquen molts esforços de desenvolupament a la recuperació de l'escandi dels subproductes del procés-i els residus de mines perquè l'addició sigui econòmica en una gamma més àmplia de productes.
Addicions de liti i reducció de la densitat
Cada 1% de liti afegit a l'alumini redueix la densitat al voltant d'un 3% i augmenta la rigidesa, per això els aliatges que contenen liti-són atractius per a estructures crítiques de pes- i per a tancs criogènics. Els aliatges amb aproximadament un 1,0% de Li, com ara la família 2195, han substituït el 2219 en el dipòsit del vehicle de llançament-i ha suposat un estalvi substancial de pes per vehicle.
| Característica | Detall |
|---|---|
| Fase precipitada | T1(Al2CuLi) |
| Pràctica d'envelliment | Dúplex: 155 graus durant 32 h, després 190 graus durant 24 h |
| Neteja de fondre | L'arc de buit es torna a fondre per mantenir l'oxigen per sota de 10 ppm |
| Ús de la cèl·lula | Placa i làmina AA2099-T86 per a pells de fuselatge |
| Mecanitzat | Necessita refrigerants-oli-minerals a causa de la reactivitat del liti |
El tractament d'envelliment dúplex existeix perquè T1la precipitació és lenta i s'ha de nuclear a la temperatura més baixa abans que el pas de temperatura més alta-creixi la placa-com els precipitats que donen a l'aliatge el seu equilibri de resistència i duresa. La fusió neta és igual d'important, ja que el liti s'oxida fàcilment i les inclusions d'òxid actuen com a iniciadors d'esquerdes.
Enduriment al forn a la sèrie 6xxx
Els panells de la carrosseria d'automòbils utilitzen una làmina d'Al-Mg-Si en estat T4P, formada i reforçada a la botiga de pintura. Mg2Les agulles de Si, d'aproximadament 2 per 5 nm, precipiten durant el cicle de pintura-cocció, normalment a 185 graus durant 20 minuts, augmentant el límit de fluència on el panell ja està format.
La làmina AA6016-T4P assoleix aproximadament un 20 % més de resistència post-que una referència d'acer de doble fase com ara DP780.
L'adhesió de l'electrocoat depèn de mantenir la proporció de ferro-a-silici per sobre d'aproximadament 1,5:1 de manera que la química de la superfície es mantingui constant a través de la línia de pretractament.
El rendiment de xoc mesurat com l'absorció d'energia arriba a uns 15 kJ/kg, enfront d'aproximadament 8 kJ/kg per a seccions d'acer comparables.
Les peces de fosa de sota de la carrosseria d'una sola-peça grans i els panells estructurals d'aliatges 6xxx utilitzen la mateixa ruta d'enduriment al forn-, de manera que la conformabilitat a la premsa i la resistència en servei estan desacoblades.
Solidificació ràpida i aliatges d'alta{0}temperatura
Els aliatges d'alumini fos convencionals perden resistència per sobre d'uns 150 graus perquè el seu enfortiment precipita s'engruix. La solidificació ràpida esquiva aquest límit creant una dispersió fina de partícules tèrmicament estables. La deposició per polvorització, per exemple, produeix un aliatge Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si que encara arriba a uns 400 MPa de força a 300 graus, recolzat per una població de dispersoides per sobre de 10.17/m3de 50 nm Al12(Fe,V)3Si partícules que resisteixen l'engruiximent.
La fabricació additiva amplia la mateixa idea a formes complexes. La fusió làser selectiva s'utilitza per construir rodes de turbocompressor i pinces de fre d'AlSi10Mg amb estructures de cel·les fines i sobresaturades i bona llibertat dimensional, mentre que els aliatges d'Al-Ce-Mg desenvolupats per a seccions de compressors suporten temperatures de servei al voltant dels 250 graus sense perdre la seva dispersió. Per als dissenyadors, el missatge pràctic és que el desenvolupament d'aliatges ja no és només una qüestió d'afegir elements a una fosa; La ruta de la pols, la velocitat de solidificació i el tractament tèrmic són ara palanques igualment potents.
Preguntes freqüents
P: Què és l'enduriment per precipitació en aliatges d'alumini?
S'enforteix per partícules finament disperses formades durant l'envelliment. El solut es manté en una solució sobresaturada mitjançant l'extinció, després precipita com a zones GP i fases metaestables que obstrueixen el moviment de la luxació.
P: Per què utilitzar el temperament T7 en comptes del T6 de màxim-edat?
El sobre-envelliment de T7 cedeix al voltant d'un 10 % de la resistència màxima, però millora molt la resistència a l'esquerda de la corrosió per tensió- i l'estabilitat dimensional, que és important per a seccions gruixudes amb càrrega sostinguda.
P: Quant es necessita escandi per refinar l'estructura del gra?
Aproximadament un 0,2% sol ser suficient per reduir la mida del gra-molt d'aproximadament 500 μm a uns 10 μm a través d'Al3Sc nanoprecipitats de 3-5 nm.
P: Per què els aliatges que contenen-liti envelleixen en dues etapes?
T1(Al2La precipitació de CuLi) és lenta, de manera que l'envelliment dúplex a 155 graus i després a 190 graus nuclea primer la fase i després la fa créixer a la mida que ofereix la millor resistència i duresa.
P: Què limita la cocció-de full endurit 6xxx als panells del cos?
La formabilitat a la premsa i l'estabilitat de la química de la superfície per a l'adhesió de l'electrocoat, és per això que la relació ferro-a-silici es controla per sobre d'1,5:1.
P: Quin mecanisme permet que l'alumini serveixi per sobre dels 250 graus?
Processament ràpid de solidificació. Crea una densa dispersió de partícules estables, com l'Al12(Fe,V)3Si, que resisteix l'engruiximent a temperatura elevada.
