钪-铝合金热裂缝的克星

作者:              发布时间:2008-07-31


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       1871年,门捷列夫在他的周期律的基础上曾预言有第21号元素存在,这个元素是金属,直到1879年尼尔松才从斯堪的纳维亚(Scandinavia)半岛的矿样中离析出来,因此命名为钪(scandium)。钪的主要矿物是钪钇石(Sc,Y)Si2O7,它存在于伟晶花岗岩及一些锡石、钨矿和稀土矿中。地壳中钪的平均含量为9×10-8。钪的熔点1541℃,沸点2836℃;24℃时的密度为2989kg/m3,比任一其他稀土元素的都小。↑是铝合金的“三剂”↑       含微量Sc(约0.3%)的铝合金有着优异的性能,因为它是后者的理想“三剂”:弥散强化剂,晶粒细化剂,再结晶抑制剂。Al3Sc是一种Ll2型相,与母相铝共格,但有着极大的共格失配,因而使晶格发生强烈的应变,阻碍晶粒长大。Al3Sc与母相铝的失配达1.2%左右,而Al3Zr与母相的失配仅0.8%,它也是一种极为有效的强化弥散体。可是,Al3Sc不但能阻碍铝合金再结晶晶粒长大,而且能完全抑制再结晶的发生,因为钪可使铝合金的再结晶温度上升到600℃,这比绝大多数热处理可强化铝合金的固溶处理温度(一般为500℃)高得多。铝合金中的过渡族元素(锆、铬、锰、钒、钛等)虽有阻碍再结晶的作用,但是不能完全抑制再结晶的发生,因为热处理可强化铝合金的固溶处理温度高于其再结晶温度(约350℃)。向铝合金同时添加钪与锆,可形成极为细小的共格三元化合物即Al3(ZrxSc1-x),也是一个强有力的再结晶相与有效的热稳定相。↑可改善铝合金的组织↑       我们知道一些铝合金在热和/或冷加工后再进行固溶热处理与时效处理,其强度性能会有所下降。例如,一种Al-Zn-Mg-Cu-Zr合金即7XXX系合金在冷加工状态下(变形率84%)的屈服强度为630MPa,而经热处理后,屈服强度不但未上升,反而下降到605MPa。可是含微量钪的同一合金的情况则大不相同,钪虽只使冷加工状态的合金的屈服强度略有上升,达到636MPa,可是对热处理后的合金屈服强度则上升到643MPa。↑可提高铝合金的可焊性能↑       自发明飞机以来,铝合金就与航空事业结下了不解之缘,没有铝合金就没有今天这样兴旺发达的航空工业。然而,大家都看到飞机的零部件是用铆钉连接的,一般小型的民航机如中国哈尔滨飞机公司生产的“运八”飞机上有50多万个铆钉,而美国波音飞机公司制造的“波音737”客机竟有近200万个铆钉。为什么不用焊接呢主要是由于铝合金的可焊性能不好,一焊就产生热裂缝。我们把金属在高温下产生的裂缝叫热裂缝。↑       把钪加到铝合金中,铝合金的可焊性能得到极大的提高,焊接时不再产生热裂缝,焊件的强度也提高了,焊缝的强度性能几乎与母材的相等。钪为什么有这种神奇般的功效呢一是因为它能强热地细化晶粒,二是因为它能大幅度提高合金的再结晶温度,三是因为它阻碍晶粒长大。↑       在作6061合金(一种常用的Al-Mg-Si-Cu合金)的热裂缝敏感性试验时,常规合金的裂缝总长度为32mm~43mm,可是含钪合金的热裂缝则观察不到。2618合金(一种Al-Cu-Mg-Zr系合金)是一种高强度铝合金,用于制造航空器与航天器结构件,但其可焊性差,一焊就产生热裂缝。然而用含钪的焊丝焊接时,就能顺利地焊接热裂缝消失。↑梦幻成真↑       航空器与航天器的铝合金结构如用焊接连接,可使生产成本降低,制造周期缩短,结构强度提高,劳动环境改善。飞机的生产周期将大大缩短,制造成本可下降约8%,经济效益与社会效益卓著。↑       含钪的铝合金的开发研制最早始于苏联,现在中国、俄国、美国等国家的冶金工作者与材料科学家在研究方面都做了大量工作,第一个含钪的铝合金5025合金于1996年10月15日在美国铝业协会(这是一个国际性的铝行业组织)正式注册,其成分为(%):0.25Si,0.25Fe,0.10Cu,0.20Mn,(4.5~6.0)Mg,0.20Cr,0.25Zn,(0.05~0.20)Ti,(0.10~0.25)Zr,0.0008Be,(0.05~0.55)Sc。钪将为铝合金的焊接作出巨大贡献。↑
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