Բարձրակարգ ալյումինե համաձուլվածքների կիրառումը ռազմական արդյունաբերության նյութերում

Ալյումինը երկրակեղևում ամենատարածված մետաղական տարրն է: Այն գունավոր մետաղ է, որն ունի աշխարհում երկրորդ ամենամեծ արտադրությունը և օգտագործումը պողպատից հետո: Այն ունի ցածր խտություն՝ պողպատի մոտ 1/3-ը: Քանի որ մաքուր ալյումինը փափուկ է և ունի ցածր ամրություն, հետևաբար, ալյումինին ավելացնելով փոքր քանակությամբ տարրեր, ինչպիսիք են մագնեզիումը, պղինձը, ցինկը, սիլիցիումը և լիթիումը, ալյումինե համաձուլվածքի աշխատանքն ավելի լավ է: Ալյումինե համաձուլվածքները արդյունաբերության մեջ ամենատարածված գունավոր մետաղական կառուցվածքային նյութերն են՝ իրենց գերազանց մեխանիկական հատկությունների և կոռոզիոն դիմադրության շնորհիվ: Դրանք լայնորեն օգտագործվել են շինարարության, ավիատիեզերական, ավտոմոբիլային, մեքենաշինության, նավաշինության և քիմիական արդյունաբերություններում:

Ալյումինե համաձուլվածքները գերազանց հատկություններ ունեն մեխանիկայի և քիմիայի մեջ.

① Մեխանիկական ասպեկտներ, որոնք հիմնականում արտացոլվում են ցածր խտության, բարձր ամրության, բարձր մոդուլի և այլնի մեջ։ Ալյումինը ցածր խտություն ունի և թեթև է, քան մյուս մետաղները, պողպատի միայն 1/4-ը, ուստի այն հարմար է թեթև քաշի բարձր պահանջներ ունեցող ոլորտներում օգտագործելու համար։

② Քիմիական հատկությունների առումով, քանի որ ալյումինե համաձուլվածքը կարող է օդում իր մակերեսին խիտ օքսիդային թաղանթ առաջացնել, այն կարող է պաշտպանվել խորը օքսիդացումից: Հետևաբար, այն ունի գերազանց կոռոզիոն դիմադրություն և շատ կայուն քիմիական կազմ:

③ Ալյումինի համաձուլվածքն ունի լավ պլաստիկություն և կարող է վերամշակվել տարբեր պրոֆիլների: Այն ունի գերազանց էլեկտրական և ջերմային հաղորդունակություն: Հետևաբար, այն լայնորեն կիրառվում է արդյունաբերության մեջ և իր կիրառմամբ զիջում է միայն պողպատին:

Ներկայումս արդյունաբերության մեջ կա տարբեր բաղադրություն ունեցող ավելի քան 250 ալյումինե համաձուլվածք։ Տարբեր համաձուլվածքների բաղադրության համաձայն տարբերակումը հեշտացնելու համար Չինաստանը կիրառում է միջազգայնորեն ընդունված չորսանիշ դասակարգման մեթոդը՝ արտադրության տեղամասի նշագրումը, հիշողությունը և հաշվարկների կառավարումը հեշտացնելու համար։ Ռազմական արդյունաբերության մեջ օգտագործվող ալյումինե համաձուլվածքները հիմնականում ներառում են ալյումին-լիթիումային համաձուլվածքներ, 2XXX (A1-Cu-Mg) շարքի և 7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքներ։

Շուկայի պահանջարկը և տարբեր ալյումինե համաձուլվածքների նյութերի զարգացման միտումը

2XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածք

2XXX (A1-Cu-Mg) շարքի ալյումինե համաձուլվածքներն ունեն բարձր ձգման ամրություն, կարծրություն և հոգնածության դիմադրություն, լավ ջերմակայունություն, մշակման և եռակցման հատկություններ և լայնորեն կիրառվում են ավիատիեզերական, ավտոմոբիլային և զենքի արդյունաբերություններում: Հիմնական տեսակներն են՝ 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 և այլն: Մշակվել են մի շարք համաձուլվածքներ՝ ամրությունը, կարծրության համապատասխանությունը և վնասման նկատմամբ դիմադրողականությունը բարելավելու համար, ինչպիսիք են 2024, 2124, 2524, 2324 համաձուլվածքները և այլն:

Չինաստանի սարքավորումների մոդելները զարգանում են թեթևության, երկարակեցության, բարձր հուսալիության և ցածր գնի ուղղությամբ, և ունեն բարձր պահանջներ ֆյուզելյաժի կեղևի նյութի կոտրման ամրության, ճաքերի տարածման դիմադրության և կոռոզիոն դիմադրության համար: 2024-T351 ալյումինե համաձուլվածքի հաստ թիթեղի հիման վրա արտասահմանյան երկրները մշակել են 2324, 2624 և այլ բարձր վնասակայունության ալյումինե համաձուլվածքներ ստորին թևի մակերեսի համար՝ տարբեր ամրության, ամրության, հոգնածության և կոռոզիոն դիմադրության ցուցանիշներով, և հասել են տեղադրման և կիրառման: Չինաստանը մշակում է բարձր վնասակայունության 2XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքներ: Ապագայում կոմպոզիտային միկրոհամաձուլվածքները կարևոր զարգացման ուղղություն կլինեն Al-Cu-Mg շարքի բարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածքների համար:

4XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածք

Ներկայումս Չինաստանում էվտեկտիկ և հիպոէվտեկտիկ Al-Si համաձուլվածքները հիմնականում օգտագործվում են ավտոմեքենաների մխոցների համար։ Սակայն, շարժիչի կատարողականության պահանջների շարունակական բարելավման հետ մեկտեղ, դժվար է բավարարել կատարողականության պահանջները։ Հիպերէվտեկտիկ Al-Si համաձուլվածքն ունի ցածր խտություն, փոքր գծային ընդարձակման գործակից, ավելի բարձր մաշվածության դիմադրություն և ծավալի կայունություն, և էվտեկտիկ Al-Si համաձուլվածքների համեմատ ավելի իդեալական մխոցային նյութ է։ Հիպերէվտեկտիկ Al-Si համաձուլվածքի մխոցները զանգվածաբար արտադրվել են արտասահմանում և կիրառվել են բեռնատարների և մարդատար ավտոմեքենաների վրա, ինչպիսիք են A390 համաձուլվածքը Միացյալ Նահանգներում, AC9A և AC8A (ZL109) համաձուլվածքները Ճապոնիայում և A390 համաձուլվածքը Ավստրալիայում։ Այնուամենայնիվ, ներկայումս Չինաստանում քիչ արտադրողներ կան, որոնք արտադրում են հիպերէվտեկտիկ Al-Si համաձուլվածքի մխոցներ, և դրանց մեծ մասը կախված է ներմուծումից։ Բացի այդ, մեծ տարբերություն կա ավտոմեքենաների տուրբո լիցքավորիչների ալյումինե համաձուլվածքի նյութերի և արտասահմանյան երկրների միջև։ Բարձր կատարողականությամբ ավտոմեքենաների տուրբո լիցքավորիչների ալյումինե համաձուլվածքի նյութերը հիմնականում կախված են Ճապոնիայից և այլ երկրներից։ Հետևաբար, անհրաժեշտ է մշակել ավտոմեքենաների ալյումինե համաձուլվածքի հիմնական նյութեր բարձր կատարողականությամբ մխոցների և տուրբո լիցքավորիչների թևերի համար։

5XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքներ

Ալ-Մգ համաձուլվածքները, մասնավորապես բարձր մագնեզիումի պարունակությամբ Ալ-Մգ համաձուլվածքները, ունեն բարձր տեսակարար ամրություն, լավ եռակցելիություն և կոռոզիայի նկատմամբ դիմադրություն, և ապագայում կդառնան բարձր մրցունակ նյութեր ավիատիեզերական, արագընթաց գնացքների, օվկիանոսների և այլ ոլորտներում: Ներկայումս ավիատիեզերական, գնացքների, օվկիանոսների և այլ կիրառությունների համար նախատեսված Ալ-Մգ համաձուլվածքային թիթեղները, պրոֆիլները և եռակցման լարերը հիմնականում կախված են ներմուծումից: Բարձրակարգ եռակցման լարերի շուկան հիմնականում մենաշնորհված է ALCOA-ի կողմից Միացյալ Նահանգներում: ER5183 և ER5356 համաձուլվածքները հիմնականում կախված են ներմուծումից, և ներմուծման ծավալը կազմում է դրանց վաճառքի մոտ 70%-ը: Նավերի համար նախատեսված Ալ-Մգ համաձուլվածքները հիմնականում կախված են Ռուսաստանից: Բարձր մագնեզիումի պարունակությամբ համաձուլվածքների ավանդական ձուլակտորներն ունեն լավ զարգացած դենդրիտներ, խիստ էվտեկտիկ փուլային տարանջատում և վատ ձևավորման կատարողականություն: Գործող մշակման մեթոդները դեռևս ունեն բազմաթիվ խնդիրներ, ինչպիսիք են ցածր կատարողականությունը, վատ տեսանելի որակը, երկար գործընթացը, անկայուն որակը և ցածր արտադրողականությունը: Արագ պնդացումը և ձևավորումը կարող են կանխել Mg-ի նստեցումը, և միևնույն ժամանակ կարող են կարգավորվել՝ ստանալով նուրբ հավասարակշիռ բյուրեղներ և նանո-նստվածքային փուլեր, ինչը զգալիորեն բարելավում է նյութի աշխատանքը և միատարրությունը: Հետևաբար, բարձր արդյունավետության Al-Mg համաձուլվածքների համար արագ պնդացման անընդհատ ռեոլոգիական էքստրուզիայի և գլանման տեխնոլոգիայի մշակումը, ակնկալվում է, որ կբավարարի բարձրորակ Al-Mg համաձուլվածքների պահանջարկը:

6XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքներ

6XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքների նյութերը երկաթուղային տրանսպորտի, ավտոմեքենաների, էլեկտրոնիկայի և այլնի ոլորտներում հիմնական նյութեր են: 1980-ական թվականներից ի վեր զարգացած երկրները և տարածաշրջանները, ինչպիսիք են Եվրոպան, ԱՄՆ-ն և Ճապոնիան, մշակել են ալյումինե համաձուլվածքներ ավտոմեքենաների համար, գրանցված դասարաններ, ինչպիսիք են 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 և 6082, և ձևավորել են ավտոմեքենաների թափքի վահանակների, էքստրուզիաների, կռման աշխատանքների և այլնի համեմատաբար ամբողջական արտադրության և կիրառման համակարգ: 6XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքի թափքի վահանակների և կռման աշխատանքների արդյունաբերականացման հետազոտությունը և մշակումը Չինաստանում նոր է սկսվել, և կա հստակ բաց: Չինաստանի արդյունաբերության և տեղեկատվական տեխնոլոգիաների նախարարությունը առաջարկել է մշակել ավտոմոբիլային ալյումինե համաձուլվածքի թիթեղներ՝ 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 և այլն: 6XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքի տիպիկ թիթեղը ունի ոչ պակաս, քան 25% A50 երկարացում, ոչ պակաս, քան 0.60 r արժեք, ոչ պակաս, քան 140 Ն/մմ2 60 d կայանման հոսունության սահման Rp0.2 և ոչ պակաս, քան 80 Ն/մմ2 ներկի կարծրացման հոսունության սահմանի աճ: Տարբեր կարիքներին ի պատասխան, 6XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքների նախագծման, պատրաստման և մշակման տեխնոլոգիայի զարգացումը դարձել է զարգացման անխուսափելի միտում:

7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքներ

7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքները ունեն լավ լարվածության կոռոզիոն դիմադրություն և ալյումինե համաձուլվածքների շարքում ամենաամուր շարքն են։ Դրանք միջազգային ճանաչում ունեն որպես ավիացիոն հիմնական նյութեր։ Վերջերս արտասահմանյան երկրները մշակել են 7055 համաձուլվածք (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), որի հոսունության լարումը T77511 վիճակում գերազանցում է 620 ՄՊա-ն։ Այն օգտագործվում է Boeing 777 ինքնաթիռներում և քաշը նվազեցնում է 635 կգ-ով։ Ներկայումս Չինաստանում բացակայում է ավիացիոն նպատակներով 7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքների համար համակարգված համաձուլվածքի նախագծման, պատրաստման և մշակման տեխնոլոգիա, և որոշ ապրանքներ լիովին կախված են ներմուծումից։ 7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքների մեծածավալ ձուլակտորների՝ բազմաթիվ համաձուլվածքային տարրերով, լայն պնդացման միջակայքով, մեծ ձուլման լարումով և համաձուլվածքային տարրերի հեշտ օքսիդացման/բաժանման պատճառով, ձուլակտորների մետաղագործական որակը վատ է, իսկ սենյակային ջերմաստիճանում ձևավորման կատարողականությունը՝ ցածր, ուստի մեծ նշանակություն ունի նոր 7XXX շարքի ալյումինե համաձուլվածքների մշակումը։

Ալյումին-լիթիում (Al-Li) համաձուլվածք

Ալյումին-լիթիումային համաձուլվածքը վերջին տարիներին ավիացիոն նյութերի մեջ ամենաարագ զարգացող թեթև նյութն է: Այն ունի ցածր խտության, բարձր առաձգականության մոդուլի, բարձր տեսակարար կոշտության, լավ հոգնածության դիմադրության և կոռոզիայի դիմադրության բնութագրեր: Ավանդական ալյումինե համաձուլվածքները փոխարինելուց հետո զանգվածը կարող է կրճատվել 10%-20%-ով, իսկ կոշտությունը՝ 15%-20%-ով: 21-րդ դարի սկզբին ամերիկյան ALCOA ընկերությունը մեկնարկեց «ALCOA Aviation 20/20 ծրագիրը»՝ նպատակ ունենալով 20 տարվա ընթացքում ավիացիոն ալյումինե համաձուլվածքների արժեքը և քաշը կրճատել 20%-ով: Constellium-ը մշակել է 2050 և 2198 ալյումին-լիթիումային համաձուլվածքներ (Al-Cu-Li-Mg-Ag)՝ ցածր խտությամբ, բարձր ամրությամբ և բարձր վնասակայունությամբ: Չինաստանում անկախ մշակված Al-Li համաձուլվածքների շատ քիչ տեսակներ կան, և օգտագործվել է միայն 1420 համաձուլվածքը: C919 ուղևորատար ինքնաթիռում օգտագործվող ալյումին-լիթիումային համաձուլվածքը մատակարարվում է Alcoa-ի կողմից: Ներքին շուկայում կարելի է արտադրել միայն սահմանափակ քանակությամբ համաձուլվածքներ, ինչպիսիք են 1420, 2195, 2197 և 2A97-ը, իսկ ձուլակտորները միայն ((310~400)×1280×4000) մմ-ից ցածր հարթ ձուլակտորներ և φ650 մմ-ից ցածր կլոր ձուլակտորներ են: Բարձրակարգ ավիացիոն կիրառությունների ոլորտում դեռևս արդյունաբերականորեն չեն արտադրվել ալյումին-լիթիումային համաձուլվածքի նոր նախագծման, գերմեծ ձուլակտորների պատրաստման և խորը մշակման տեխնոլոգիա:

Ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածք

Ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածքները հիմնական նյութեր են ավիատիեզերական, ավտոմոբիլային, երկաթուղային տրանսպորտի և այլն ոլորտներում՝ կարգավորելով այնպիսի տարրեր, ինչպիսիք են Si, Fe, Ni, Ag և հազվագյուտ հողային միացությունները, որպեսզի ալյումինե համաձուլվածքները դիմացկուն լինեն օքսիդացման և սողալու նկատմամբ բարձր ջերմաստիճաններում: Ավանդական ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածքներից են՝ 2519, 2618, 2219, 2D70 և այլն: Ավիատիեզերական և ավտոմոբիլային արդյունաբերությունների արագ զարգացման հետ մեկտեղ, ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածքների վրա դրվում են ավելի բարձր պահանջներ: Կործանիչ ինքնաթիռների նոր սերունդն ունի բարձր թռիչքի արագություն, և ֆյուզելաժի կեղևի աշխատանքային ջերմաստիճանը 150°C-ից բարձր է: Ներկայումս ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածքների, ինչպիսիք են 2618-ը և 2D70-ը, երկարաժամկետ օգտագործման ջերմաստիճանը 150°C-ից ցածր է: Անհրաժեշտ է մշակել նոր ջերմակայուն ալյումինե համաձուլվածքներ:

Al-Sc համաձուլվածք՝ սկանդիումի (Sc) գերցածր պարունակությամբ

Al-Sc համաձուլվածքն ունի գերազանց հատկություններ, ինչպիսիք են բարձր ամրությունը, լավ պլաստիկությունը և կոռոզիոն դիմադրությունը, և Al-Li համաձուլվածքից հետո դարձել է թեթև նյութերի նոր սերունդ ավիատիեզերական արդյունաբերության, նավերի և այլնի համար: Սկանդիումի հետքեր պարունակող Al-Mg համաձուլվածքի ձգման ամրությունը 30%-ով ավելի բարձր է, քան 5083 համաձուլվածքինը, իսկ հոսունության սահմանը՝ ավելի քան կրկնապատկված: Դրա եռակցելիությունը համեմատելի է ավանդական 5XXX շարքի համաձուլվածքների հետ, ջերմային ազդեցության գոտու և եռակցման մեխանիկական հատկությունները մոտավորապես հավասար են մատրիցայինին, իսկ կոռոզիոն դիմադրությունը համեմատելի է 5083 համաձուլվածքի հետ: 5XXX կամ 6XXX շարքի համաձուլվածքների փոխարինումը ավիատիեզերական բաղադրիչների արտադրության մեջ կարող է զգալի քաշի նվազեցման ազդեցություն ունենալ, և այն նաև գերազանց նյութ է ավտոմեքենաների և երկաթուղային տրանսպորտային միջոցների համար: Ռուսաստանը սկանդիում պարունակող ալյումինե համաձուլվածքների մշակման ոլորտում աշխարհի առաջատարներից է և արտադրել է Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc և Al-Cu-Mg-Sc համաձուլվածքներ՝ սկանդիումի 0.18%~0.5% պարունակությամբ։ Ալյումին-սկանդիումային համաձուլվածքների ավիատիեզերական և ավտոմոբիլային արդյունաբերության մեջ կիրառումը խթանելու նպատակով Չինաստանի արդյունաբերության և տեղեկատվական տեխնոլոգիաների նախարարությունը սկանդիում պարունակող ալյումինե համաձուլվածքները դասել է զարգացման առաջնահերթ նոր նյութերի շարքին։ Չինաստանը հարուստ է սկանդիումի պաշարներով և կառուցել է բարձր մաքրության սկանդիումի օքսիդի արդյունահանման արտադրական գիծ՝ հիմք դնելով ալյումին-սկանդիումային համաձուլվածքների մշակմանը։

500 ՄՊա աստիճանի տաք դրոշմման ալյումինե համաձուլվածք ավտոմեքենաների համար

Չինաստանում բարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածքների նյութերի տաք դրոշմման ոլորտում դեռևս բաց է։ Նոր նյութերի և նոր ձևավորման գործընթացի մշակման համադրությունը բարձր ամրության ալյումինե համաձուլվածքներից ավտոմոբիլային մասերի ձևավորման խնդիրը լուծելու արդյունավետ միջոց է։ 7XXX շարքի համաձուլվածքների վրա կենտրոնանալը, 2XXX համաձուլվածքների ակտիվ ուսումնասիրությունը և տաք դրոշմման համար 500 ՄՊա կարգի ալյումինե համաձուլվածքների նյութերի մշակումը կարևոր հեռանկարներ ունեն բարդ ձևի ավտոմոբիլային մասերի արտադրության համար։

Ալյումինի վրա հիմնված կոմպոզիտային նյութեր

Ալյումին-պողպատե բազմաշերտ կոմպոզիտային թիթեղ. Ալյումինե և պողպատե տախտակամածների միջև արդյունավետ միացումը դարձել է խոշոր նավերի գերկառուցվածքների թեթևացման սահմանափակումներից մեկը: Ալյումինե և պողպատե կորպուսների միջև եռակցման համար օգտագործվող ալյումին-պողպատե կոմպոզիտային անցումային միացումը լուծում է ավանդական գամման գործընթացը փոխարինելու համար: Honda-ն մշակել է պողպատի և ալյումինի միացման տեխնոլոգիա, որը կօգտագործվի ամբողջ աշխարհում մասսայաբար արտադրվող մեքենաների շրջանակներում: Ներկայումս Չինաստանում օգտագործվող ալյումին-պողպատե կոմպոզիտային միացումները հիմնականում ներմուծվում են արտասահմանից՝ մինչև 4×105 CNY/t գնով: Ապագայի խոշորածավալ նավերի հետ անցումային միացումների համար անհրաժեշտ են ավելի բարձր եռակցման ջերմաստիճաններ, ավելի մեծ կրող լարվածություն և ավելի ամուր կապող միջերեսներ, և շտապ անհրաժեշտ են բարձր արդյունավետությամբ ալյումին-պողպատե միացումներ: