יישום סגסוגות אלומיניום יוקרתיות בחומרים תעשייתיים צבאיים

אלומיניום הוא היסוד המתכתי הנפוץ ביותר בקרום כדור הארץ. זוהי המתכת הלא-ברזלית בעלת התפוקה והשימוש השנייה בגודלה בעולם אחרי פלדה. יש לה צפיפות נמוכה, כשליש מצפיפות הפלדה. מכיוון שאלומיניום טהור הוא רך ובעל חוזק נמוך, לכן, על ידי הוספת כמות קטנה של יסודות כמו מגנזיום, נחושת, אבץ, סיליקון וליתיום לאלומיניום, ביצועי סגסוגת האלומיניום טובים יותר. סגסוגות אלומיניום הן חומרי המבנה הלא-ברזליות הנפוצים ביותר בתעשייה בשל תכונותיהן המכניות המעולות ועמידותן בפני קורוזיה. הן נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות הבנייה, התעופה והחלל, הרכב, ייצור המכונות, בניית ספינות ותעשיות הכימיות.

לסגסוגות אלומיניום יש תכונות מצוינות במכניקה ובכימיה:

① היבטים מכניים, המשתקפים בעיקר בצפיפות נמוכה, חוזק גבוה, מודולוס גבוה וכו'. לאלומיניום צפיפות נמוכה והוא קל יותר ממתכות אחרות, רק רבע מפלדה, ולכן הוא מתאים לשימוש בתחומים עם דרישות גבוהות למשקל קל;

② מבחינת תכונות כימיות, מכיוון שסגסוגת אלומיניום יכולה ליצור שכבת תחמוצת צפופה על פני השטח שלה באוויר, היא יכולה להגן על עצמה מפני חמצון עמוק. לכן, יש לה עמידות מצוינת בפני קורוזיה והרכב כימי יציב מאוד.

③לסגסוגת אלומיניום יש פלסטיות טובה וניתן לעבד אותה לפרופילים שונים. יש לה מוליכות חשמלית ותרמית מצוינת. לכן, היא נמצאת בשימוש נרחב בתעשייה, והשימוש בה שני רק לפלדה.

כיום, קיימות בתעשייה יותר מ-250 סגסוגות אלומיניום בעלות הרכבים שונים. על מנת להקל על ההבחנה, בהתאם להרכבי הסגסוגות השונים, סין מאמצת את שיטת הסיווג הבינלאומית בת ארבע ספרות כדי להקל על סימון אתרי הייצור, ניהול הזיכרון והחישוב. סגסוגות האלומיניום המשמשות בתעשייה הצבאית כוללות בעיקר סגסוגות אלומיניום-ליתיום, סגסוגות אלומיניום מסדרת 2XXX (A1-Cu-Mg) וסדרת 7XXX.

ביקוש שוק ומגמת פיתוח של חומרי סגסוגת אלומיניום שונים

סגסוגת אלומיניום מסדרת 2XXX

לסגסוגות אלומיניום מסדרת 2XXX (A1-Cu-Mg) חוזק מתיחה גבוה, קשיחות ועייפות, עמידות טובה בחום, תכונות עיבוד וריתוך, והן נמצאות בשימוש נרחב בתעשיות התעופה והחלל, הרכב והנשק. הדרגות העיקריות הן 2A01, 2A02, 2A06, 2A11, 2A12 וכו'. סדרת סגסוגות פותחה לשיפור החוזק, התאמת הקשיחות וסבילות הנזק, כגון סגסוגות 2024, 2124, 2524, 2324 וכו'.

דגמי הציוד של סין מתפתחים לכיוון של קל משקל, אורך חיים ארוך, אמינות גבוהה ועלות נמוכה, ויש להם דרישות גבוהות לקשיחות שברים, עמידות בפני התפשטות סדקים ועמידות בפני קורוזיה של חומר מעטפת גוף המטוס. בהתבסס על לוח עבה מסגסוגת האלומיניום 2024-T351, מדינות זרות פיתחו סגסוגות אלומיניום 2324, 2624 וסגסוגות אלומיניום אחרות בעלות עמידות גבוהה לנזק עבור משטח הכנף התחתון עם חוזק, קשיחות, עמידות בפני עייפות וקורוזיה שונים, והשיגו התקנה ויישום. סין מפתחת סגסוגות אלומיניום מסדרת 2XXX בעלות עמידות גבוהה לנזק. בעתיד, מיקרו-סגסוגות מרוכבות יהיו כיוון פיתוח חשוב עבור סגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה מסדרת Al-Cu-Mg.

סגסוגת אלומיניום מסדרת 4XXX

כיום, סגסוגות Al-Si אאוטקטיות והיפו-אוטקטיות משמשות בעיקר לבוכנות רכב בסין. עם זאת, עם השיפור המתמיד בדרישות ביצועי המנוע, קשה לעמוד בדרישות הביצועים. לסגסוגת Al-Si היפר-אוטקטית צפיפות נמוכה, מקדם התפשטות ליניארי קטן, עמידות גבוהה יותר בפני שחיקה ויציבות נפח, והיא חומר בוכנה אידיאלי יותר בהשוואה לסגסוגות Al-Si אאוטקטיות. בוכנות מסגסוגת Al-Si היפר-אוטקטית יוצרו בהמוניהן בחו"ל ויושמו במשאיות ובמכוניות, כגון סגסוגת A390 בארצות הברית, סגסוגות AC9A ו-AC8A (ZL109) ביפן וסגסוגת A390 באוסטרליה. עם זאת, ישנם כיום מעט יצרנים בסין המייצרים בוכנות מסגסוגת Al-Si היפר-אוטקטית, ורובן מסתמכות על יבוא. בנוסף, קיים פער גדול בין חומרי סגסוגת אלומיניום למגדשי טורבו לרכב לבין מדינות זרות. חומרי סגסוגת אלומיניום למגדשי טורבו לרכב בעלי ביצועים גבוהים מסתמכים בעיקר על יפן ומדינות אחרות. לכן, חיוני לפתח חומרי סגסוגת אלומיניום מרכזיים לרכב עבור בוכנות בעלות ביצועים גבוהים ואימפלרים של מגדש טורבו.

סגסוגות אלומיניום מסדרת 5XXX

סגסוגות Al-Mg, ובמיוחד סגסוגות Al-Mg בעלות תכולת מגנזיום גבוהה, בעלות חוזק סגולי גבוה, יכולת ריתוך טובה ועמידות בפני קורוזיה, והן יהפכו לחומרים תחרותיים ביותר בתעשיית התעופה והחלל, רכבות מהירות, אוקיינוסים ותחומים אחרים בעתיד. כיום, לוחות, פרופילים וחוטי ריתוך מסגסוגות Al-Mg לתעופה והחלל, רכבות, אוקיינוסים ויישומים אחרים מסתמכים בעיקר על יבוא. שוק חוטי הריתוך היוקרתיים נשלט בעיקר על ידי ALCOA בארצות הברית. סגסוגות ER5183 ו-ER5356 מסתמכות בעיקר על יבוא, ונפח היבוא מהווה כ-70% ממכירותיהן. סגסוגות Al-Mg לאוניות מסתמכות בעיקר על רוסיה. מטילי סגסוגות קונבנציונליים עם תכולת מגנזיום גבוהה הם בעלי דנדריטים מפותחים היטב, הפרדת פאזות אוטקטית חמורה וביצועי עיצוב ירודים. שיטות העיבוד הנוכחיות עדיין סובלות מבעיות רבות, כגון ביצועים נמוכים, איכות נראית לעין ירודה, תהליך ארוך, איכות לא יציבה ותשואה נמוכה. התמצקות ויצירתיות תת-מהירות יכולים לעכב את שקיעת המגנזיום, ובמקביל ניתן לווסת אותן כדי להשיג גבישים שווי-צירים עדינים ופאזות ננו-משקעות, מה שמשפר מאוד את הביצועים והאחידות של החומר. לכן, פיתוח טכנולוגיית שיחול וגלגול ריאולוגי רציף להתמצקות תת-מהירה עבור סגסוגות Al-Mg בעלות ביצועים גבוהים צפוי לענות על הביקוש לסגסוגות Al-Mg באיכות גבוהה.

סגסוגות אלומיניום מסדרת 6XXX

חומרי סגסוגת אלומיניום מסדרת 6XXX הם חומרים מרכזיים בתחומי התחבורה הרכבתית, כלי רכב, אלקטרוניקה וכו'. מאז שנות ה-80, מדינות ואזורים מפותחים כמו אירופה, ארצות הברית ויפן פיתחו סגסוגות אלומיניום לרכב, דרגות רשומות כגון 6009, 6016, 6010, 6111, 6022 ו-6082, ויצרו מערכת ייצור ויישום שלמה יחסית עבור לוחות גוף לרכב, פרופילים, חישולים וכו'. מחקר ופיתוח התיעוש של לוחות גוף וחישולים מסגסוגת אלומיניום מסדרת 6XXX בסין רק החלו, ויש פער ברור. משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין הציע כי יריעות סגסוגת האלומיניום לרכב שיפורטו יהיו: 6016-S, 6016-IH, 6016-IBR, 6A16-S, 6A16-IBR, 6022 וכו'. יריעת סגסוגת אלומיניום אופיינית מסדרת 6XXX כוללת התארכות A50 של לא פחות מ-25%, ערך r של לא פחות מ-0.60, חוזק כניעה Rp0.2 ב-60 ימים של לא פחות מ-140 ניוטון/מ"מ רבוע ותוספת חוזק כניעה להתקשות צבע של לא פחות מ-80 ניוטון/מ"מ רבוע. בתגובה לצרכים שונים, פיתוח טכנולוגיית התכנון, ההכנה והעיבוד של סגסוגות אלומיניום מסדרת 6XXX הפך למגמת פיתוח בלתי נמנעת.

סגסוגות אלומיניום מסדרת 7XXX

לסגסוגות אלומיניום מסדרת 7XXX עמידות טובה בפני קורוזיה במאמץ והן הסדרה החזקה ביותר מבין סגסוגות האלומיניום. הן מוכרות בעולם כחומרי עמוד שדרה לתעופה. לאחרונה, מדינות זרות פיתחו את הסגסוגת 7055 (Al8Zn-2.05Mg-2.3Cu-0.16Zr), שמאמץ הכניעה שלה עולה על 620 מגה פסקל במצב T77511. היא משמשת במטוסי בואינג 777 ומפחיתה את המשקל ב-635 ק"ג. נכון לעכשיו, בסין חסרה טכנולוגיית תכנון, הכנה ועיבוד שיטתית של סגסוגות אלומיניום מסדרת 7XXX לתעופה, וחלק מהמוצרים תלויים לחלוטין ביבוא. בשל מטילי האלומיניום מסדרת 7XXX בקנה מידה גדול עם אלמנטים רבים של סגסוגת, טווח התמצקות רחב, מאמץ יציקה גדול וחמצון/הפרדה קלים של אלמנטים של סגסוגת, האיכות המתכתית של המטילים ירודה וביצועי העיצוב בטמפרטורת החדר נמוכים, יש חשיבות רבה לפתח סגסוגות אלומיניום חדשות מסדרת 7XXX.

סגסוגת אלומיניום-ליתיום (Al-Li)

סגסוגת אלומיניום-ליתיום היא החומר הקל הצומח ביותר בחומרי תעופה בשנים האחרונות. יש לה מאפיינים של צפיפות נמוכה, מודול אלסטיות גבוה, קשיחות ספציפית גבוהה, ביצועי עייפות טובים ועמידות בפני קורוזיה. לאחר החלפת סגסוגות אלומיניום קונבנציונליות, ניתן להפחית את המסה ב-10%~20% ולהגדיל את הנוקשות ב-15%~20%. בתחילת המאה ה-21, חברת ALCOA האמריקאית השיקה את "תוכנית ALCOA Aviation 20/20", במטרה להפחית את העלות והמשקל של סגסוגות אלומיניום לתעופה ב-20% כל אחת תוך 20 שנה. קונסטליום פיתחה סגסוגות אלומיניום-ליתיום 2050 ו-2198 (Al-Cu-Li-Mg-Ag) בעלות צפיפות נמוכה, קשיחות גבוהה ועמידות גבוהה לנזק. ישנן מעט מאוד סוגי סגסוגות Al-Li שפותחו באופן עצמאי בסין, ורק סגסוגת 1420 שימשה. סגסוגת האלומיניום-ליתיום המשמשת במטוסי הנוסעים C919 מסופקת על ידי Alcoa. מבחינה מקומית, ניתן לייצר רק סוגי סגסוגות מוגבלים כגון 1420, 2195, 2197 ו-2A97, והמטילים הם רק מטילי שטוחים מתחת ל-(310~400)×1280×4000) מ"מ ומטילים עגולים מתחת ל-φ650 מ"מ. מטילי שטוחים (2B16) בעובי של יותר מ-60 מ"מ ורוחב של יותר מ-1500 מ"מ, ומטילים (2B16) בקוטר של יותר מ-1500 מ"מ בתחום יישומי התעופה המתקדמים טרם יוצרו באופן תעשייתי. לכן, יש חשיבות רבה לפתח עיצוב חדש של סגסוגות אלומיניום-ליתיום, הכנת מטילי אלומיניום גדולים במיוחד וטכנולוגיית עיבוד עמוק.

סגסוגת אלומיניום עמידה בחום

סגסוגות אלומיניום עמידות בחום הן חומרי בסיס מרכזיים בתחומי התעופה והחלל, הרכב, התחבורה ברכבת וכו', על ידי ויסות יסודות כמו סיליקון, ברזל, ניקל, כסף ואדמה נדירה כדי להפוך את סגסוגות האלומיניום לעמידות בפני חמצון וזחילה בטמפרטורות גבוהות. סגסוגות אלומיניום מסורתיות עמידות בחום כוללות: 2519, 2618, 2219, 2D70 וכו'. עם ההתפתחות המהירה של תעשיות התעופה והחלל והרכב, מוצבות דרישות גבוהות יותר לסגסוגות אלומיניום עמידות בחום. לדור החדש של מטוסי קרב יש מהירות שיוט גבוהה, וטמפרטורת הפעולה של גוף המטוס היא מעל 150 מעלות צלזיוס. כיום, טמפרטורת השימוש לטווח ארוך של סגסוגות אלומיניום עמידות בחום כמו 2618 ו-2D70 היא מתחת ל-150 מעלות צלזיוס. חיוני לפתח סגסוגות אלומיניום חדשות עמידות בחום.

סגסוגת Al-Sc עם תכולת סקנדיום (Sc) נמוכה במיוחד

לסגסוגת Al-Sc תכונות מצוינות כגון חוזק גבוה, פלסטיות טובה ועמידות בפני קורוזיה, והיא הפכה לדור חדש של חומרים קלים לתעופה וחלל, ספינות וכו' לאחר סגסוגת Al-Li. חוזק המתיחה של סגסוגת Al-Mg המכילה כמויות זעירות של סקנדיום גבוה ב-30% מזה של סגסוגת 5083, וחוזק הכניעה גדול פי שניים ויותר. יכולת הריתוך שלה דומה לזו של סגסוגות סדרה 5XXX קונבנציונליות, התכונות המכניות של האזור המושפע מחום והריתוך שוות בקירוב לאלו של המטריצה, ועמידותה בפני קורוזיה דומה לזו של סגסוגת 5083. החלפת סגסוגות סדרה 5XXX או 6XXX בייצור רכיבי תעופה וחלל יכולה להשיג השפעות משמעותיות של הפחתת משקל, והיא גם חומר מעולה למכוניות ורכבי רכבת. רוסיה נמצאת בחזית העולם בפיתוח סגסוגות אלומיניום המכילות סקנדיום, ויצרה סגסוגות Al-Mg-Sc, Al-Mg-Li-Sc, Al-Zn-MgSc, Al-Zn-Mg-Cu-Sc, ו-Al-Cu-Mg-Sc עם תכולת סקנדיום של 0.18%~0.5%. על מנת לקדם את השימוש בסגסוגות אלומיניום-סקנדיום בתעשיית התעופה והחלל וברכב, משרד התעשייה וטכנולוגיית המידע של סין מנה סגסוגות אלומיניום המכילות סקנדיום כאחד החומרים החדשים לפיתוח עדיפות. סין עשירה במשאבי סקנדיום ובנתה קו ייצור להפקת תחמוצת סקנדיום בטוהר גבוה, ובכך הניחה את היסודות לפיתוח סגסוגות אלומיניום-סקנדיום.

סגסוגת אלומיניום הטבעה חמה בדרגה 500 מגה פסקל לרכבים

עדיין קיים פער בייצור סגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה בהטבעה חמה בסין. השילוב של חומרים חדשים ופיתוח תהליכי עיצוב חדשים הוא אמצעי יעיל לפתרון בעיית עיצוב חלקי רכב מסגסוגות אלומיניום בעלות חוזק גבוה. התמקדות בסגסוגות סדרה 7XXX, חקירה פעילה של סגסוגות 2XXX ופיתוח חומרי סגסוגת אלומיניום בדרגה 500 MPa להטבעה חמה טומנים בחובם סיכויים חשובים לייצור חלקי רכב בעלי צורות מורכבות.

חומרים מרוכבים מבוססי אלומיניום

לוחית מרוכבת רב שכבתית מאלומיניום-פלדה: החיבור היעיל בין סיפוני אלומיניום לפלדה הפך לאחד האילוצים למשקל קל של מבני-על של ספינות גדולות. חיבור המעבר מאלומיניום-פלדה מרוכב המשמש לריתוך בין גופי אלומיניום לפלדה מספק פתרון המחליף את תהליך הריתוך המסורתי. הונדה פיתחה טכנולוגיית חיבור פלדה ואלומיניום שתשמש ברחבי העולם במסגרות רכב המיוצרות בייצור המוני. כיום, חיבורי האלומיניום-פלדה מרוכבים המשמשים בסין מיובאים בעיקר מחו"ל, עם מחיר של עד 4×105 יואן סיני/טון. עם ספינות בקנה מידה גדול עתידיות, נדרשות טמפרטורות ריתוך גבוהות יותר, מאמץ מיסב גדול יותר וממשקי חיבור חזקים יותר עבור חיבורי מעבר, ויש צורך דחוף בחיבורי אלומיניום-פלדה בעלי ביצועים גבוהים.