سبائك الألومنيوم والسكانديوم

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة

سبائك الألومنيوم والسكانديوم ( AlSc ) هي سبائك ألومنيوم تتكون في معظمها من الألومنيوم (Al) وآثار من السكانديوم (Sc) كعناصر أساسية . من حيث المبدأ، تُشبه سبائك الألومنيوم المُقوّاة بإضافة السكانديوم سبائك النيكل الفائقة التقليدية ، حيث تُقوّى كلتاهما برواسب متماسكة مقاومة للتضخم ذات بنية L1 2 منتظمة . إلا أن سبائك Al-Sc تحتوي على نسبة حجمية أقل بكثير من الرواسب، والمسافة بين الرواسب أصغر بكثير من نظيراتها من سبائك النيكل. ومع ذلك، في كلتا الحالتين، تسمح الرواسب المقاومة للتضخم للسبائك بالحفاظ على قوتها عند درجات حرارة عالية. [ 1 ]

تعبير

تُحدّ إضافة السكانديوم إلى الألومنيوم من نمو الحبيبات في المنطقة المتأثرة بالحرارة في مكونات الألومنيوم الملحومة. ولهذا تأثيران مفيدان: أولهما، أن ترسب Al₃Sc يُشكّل بلورات أصغر حجمًا من تلك الموجودة في سبائك الألومنيوم الأخرى ، [ 2 ] وثانيهما، انخفاض حجم المناطق الخالية من الرواسب عند حدود الحبيبات في سبائك الألومنيوم المُقسّاة بالتقادم. [ 2 ] كما يُعدّ السكانديوم مُحسِّنًا قويًا لبنية الحبيبات في سبائك الألومنيوم المصبوبة، وهو، ذرةً بذرة، أقوى مُقوٍّ للألومنيوم، وذلك نتيجةً لتحسين بنية الحبيبات وتقوية الترسيب.

يُعدّ راسب Al₃Sc راسبًا متماسكًا يُقوّي مصفوفة الألومنيوم بتطبيق مجالات إجهاد مرنة تُعيق حركة الانخلاعات (أي التشوه اللدن ). ومن الفوائد الإضافية لإضافة السكانديوم إلى الألومنيوم أن رواسب Al₃Sc النانوية، التي تُكسب السبيكة قوتها، تُقاوم التضخم عند درجات حرارة عالية نسبيًا (حوالي 350 درجة مئوية). وهذا على عكس سبائك 2xxx و6xxx التجارية النموذجية، التي تفقد قوتها بسرعة عند درجات حرارة أعلى من 250 درجة مئوية بسبب التضخم السريع لرواسبها المُقوّية. [3] كما تُزيد رواسب Al₃Sc من مقاومة الخضوع لسبائك الألومنيوم بمقدار 50-70 ميجا باسكال (7.3-10.2 كيلوباسكال) . [ 4 ]    

يمتلك مركب Al3Sc بنية شبكية فائقة متوازنة من نوع L12 . [ 5 ] ويمكن الحصول على تشتت دقيق للرواسب النانوية عن طريق المعالجة الحرارية، مما يُسهم أيضًا في تقوية السبائك من خلال التصليد بالترتيب . [ 6 ]

تشمل التطورات الحديثة إضافة معادن انتقالية مثل الزركونيوم ومعادن أرضية نادرة مثل الإربيوم لتكوين أغلفة تحيط بالراسب الكروي Al₃Sc ، وقد ثبت أن هذه الإضافات تزيد من مقاومة سبائك الألومنيوم-سكانديوم للتضخم حتى حوالي 400 درجة مئوية. [ 7 ] تُشكل هذه الإضافات رواسب مُقوّية ذات تركيب Al₃ ( Sc,Zr,Er). [ 8 ] تتحدد هذه الأغلفة بمعامل انتشار عنصر السبائك، وتُخفض تكلفة السبيكة نظرًا لانخفاض استبدال السكانديوم جزئيًا بالزركونيوم مع الحفاظ على الاستقرار، وانخفاض كمية السكانديوم اللازمة لتكوين الراسب. [ 9 ] قاد هذه الجهود البروفيسوران... أدى كلٌ من سيدمان ودوناند في جامعة نورث وسترن ، بالإضافة إلى باحثين آخرين في هذا المجال، [ 1 ] [ 4 ] [ 7 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] إلى ابتكار سبائك ألومنيوم فائقة رائدة مُدعمة بجسيمات نانوية مُرَسَّبة ذات بنية L1₂ ذات غلاف ونواة ، وهي سبيكة ثنائية الطور fcc/L1₂. تُنافس هذه السبائك سبائك التيتانيوم إلى حدٍ ما في مجموعة واسعة من التطبيقات. تتميز سبيكة Al₂₀Li₂₀Mg₁₀Sc₂₀Ti₃₀ بقوة التيتانيوم ، وخفة الألومنيوم، وصلابة بعض أنواع السيراميك. [ 13 ] مع ذلك، تُعد سبائك التيتانيوم ، التي تُشابهها في الخفة والقوة، أرخص ثمناً وأكثر استخداماً على نطاق واسع . [ 14 ]  

منذ عام 2013، قامت شركة Apworks GmbH، وهي شركة منبثقة عن شركة Airbus، بتسويق سبيكة ألومنيوم عالية القوة تحتوي على السكانديوم، يتم تصنيعها باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد للمعادن (دمج مسحوق الليزر) تحت العلامة التجارية Scalmalloy، والتي تدعي أنها تتمتع بقوة وليونة عاليتين للغاية. [ 15 ]

التطبيقات

أجزاء من طائرة ميغ-29 مصنوعة من سبيكة الألومنيوم والسكانديوم. [ 2 ]
  • يُستخدم السكانديوم المعدني بشكل أساسي في سبائك الألومنيوم والسكانديوم المستخدمة في مكونات صناعة الطيران والفضاء الصغيرة. تحتوي هذه السبائك على ما بين 0.1% و0.5% من السكانديوم (وزنًا). وقد استُخدمت في الجيش الروسي، وتحديدًا في طائرات ميكويان-غوريفيتش ميغ-21 وميغ -29 . [ 2 ] ويُعرف في هذا السياق أحيانًا باسم "ميغرام".
  • تُؤثر درجات حرارة التشغيل المرتفعة لسبائك الألومنيوم والسكانديوم بشكلٍ كبير على تطبيقات كفاءة الطاقة، لا سيما في صناعة السيارات. إذ يُمكن لهذه السبائك أن تُغني عن المواد الأكثر كثافة، كالفولاذ والتيتانيوم ، المستخدمة في  بيئات تتراوح درجات حرارتها بين 250 و350 درجة مئوية، كما هو الحال داخل المحركات أو بالقرب منها. ويؤدي استبدال هذه المواد بسبائك ألومنيوم أخف وزنًا إلى تقليل الوزن، ما يُحسّن بدوره كفاءة استهلاك الوقود. [ 8 ]
  • بعض المعدات الرياضية، التي تعتمد على مواد خفيفة الوزن وعالية الأداء، مصنوعة من سبائك السكانديوم والألومنيوم، بما في ذلك مضارب البيسبول ، [ 16 ] وأعمدة الخيام وهياكل الدراجات ومكوناتها . [ 17 ] كما تُصنع عصي اللاكروس من السكانديوم.
  • تُنتج شركة سميث آند ويسون الأمريكية لتصنيع الأسلحة النارية مسدسات وبنادق نصف آلية بإطارات من سبيكة السكانديوم وأسطوانات من التيتانيوم أو الفولاذ الكربوني. [ 18 ] [ 19 ]

مراجع

  1. 1 2 فو، نهون (2016). "دور السيليكون في حركية الترسيب لسبائك الألومنيوم-السكانديوم-الإربيوم-الزركونيوم المخففة". علم وهندسة المواد: أ . 677 (20): 485. doi : 10.1016/j.msea.2016.09.065 .
  2. أحمد ، زكي ( 2003 ) . "خصائص وتطبيقات الألومنيوم المقوى بالسكانديوم". مجلة JOM . 55 (2): 35. Bibcode : 2003JOM....55b..35A . doi : 10.1007/s11837-003-0224-6 . S2CID 8956425 . 
  3. ↑ ماركيز، إيمانويل (2002). "تقوية الترسيب عند درجات الحرارة المحيطة والمرتفعة لسبائك الألومنيوم (السكانديوم) القابلة للمعالجة الحرارية". أكتا ماتيريليا . 50 (16): 4021. Bibcode : 2002AcMat..50.4021S . doi : 10.1016/S1359-6454(02)00201-X .
  4. 1 2 كنيبلينج، كيث إي.؛ دوناند، ديفيد سي.؛ سيدمان، ديفيد إن. (11 يناير 2022). "معايير تطوير سبائك الألومنيوم القابلة للصب والمقاومة للزحف - مراجعة" . المجلة الدولية لبحوث المواد . 97 (3): 246-265 . Bibcode : 2022IJMR...97..246K . doi : 10.1515/ijmr-2006-0042 . ISSN 2195-8556 . 
  5. ^ نيبلينج ، كيث إي. دوناند، ديفيد C.؛ سيدمان ، ديفيد ن. (1 مارس 2006). "معايير تطوير السبائك المصنوعة من الألومنيوم القابلة للصب والمقاومة للزحف – مراجعة" . Zeitschrift für Metallkunde . 97 (3): 246-265 . دوى : 10.3139/146.101249 . ISSN 0044-3093 . S2CID 4681149 .  
  6. ^ نيبلينج ، كيث إي. كارنيسكي، ريتشارد أ. لي، كونستانس P.؛ دوناند، ديفيد C.؛ سيدمان ، ديفيد ن. (1 سبتمبر 2010). “تطور هطول الأمطار في سبائك Al–0.1Sc وAl–0.1Zr وAl–0.1Sc–0.1Zr (عند.%) أثناء الشيخوخة المتزامنة” . اكتا ماديا . 58 (15): 5184–5195 . بيب كود : 2010AcMat..58.5184K . دوى : 10.1016/j.actamat.2010.05.054 . ردمك 1359-6454 . 
  7. 1 2 بوث موريسون، كريستوفر؛ دوناند، ديفيد C.؛ سيدمان ، ديفيد ن. (1 أكتوبر 2011). "مقاومة الخشونة عند 400 درجة مئوية لسبائك Al-Zr-Sc-Er المعززة بهطول الأمطار" . اكتا ماديا . 59 (18): 7029–7042 . بيب كود : 2011AcMat..59.7029B . دوى : 10.1016/j.actamat.2011.07.057 . ردمك 1359-6454 . 
  8. 1 2 "سبائك فائقة مقاومة للحرارة" . نانو ألومنيوم. 2016. مؤرشف من الأصل في 12 نوفمبر 2016. تم الاطلاع عليه في 11 نوفمبر 2016 .
  9. ↑ دي لوكا، أنتوني؛ دوناند، ديفيد سي؛ سيدمان، ديفيد ن. (15 أكتوبر 2016). "الخواص الميكانيكية وتحسين عملية تقادم سبيكة مخففة من الألومنيوم-سكانديوم-إربيوم-زركونيوم-سيليكون بنسبة عالية من الزركونيوم إلى السكانديوم" . أكتا ماتيرياليا . 119 : 35-42 . Bibcode : 2016AcMat.119...35D . doi : 10.1016/j.actamat.2016.08.018 . ISSN 1359-6454 . 
  10. ↑ فاركوش، أمير ر.؛ دوناند، ديفيد س.؛ سيدمان، ديفيد ن. (4 نوفمبر 2020). "تأثيرات الإضافات الدقيقة من التنجستن والسيليكون على البنية المجهرية وقوة سبائك الألومنيوم-الزركونيوم-الإربيوم المقواة بالترسيب المخفف" . علم وهندسة المواد: أ . 798 140159. doi : 10.1016/j.msea.2020.140159 . ISSN 0921-5093 . 
  11. ↑ جونغ، جاي-جيل؛ فاركوش، أمير ر.؛ سيدمان، ديفيد ن. (15 سبتمبر 2023). "الخواص الميكروية والميكانيكية لسبائك الألومنيوم-المغنيسيوم-الزركونيوم-السكانديوم-الإربيوم-الإيتريوم-السيليكون المقواة بالترسيب" . أكتا ماتيريليا . 257 119167. Bibcode : 2023AcMat.25719167J . doi : 10.1016/j.actamat.2023.119167 . ISSN 1359-6454 . 
  12. ↑ دورين، توماس؛ لانغان، تيموثي (2024)، "دور سبائك الألومنيوم والسكانديوم الجديدة في الحد من الانبعاثات في مختلف القطاعات" ، في واغستاف، صموئيل (محرر)، المعادن الخفيفة 2024 ، تشام: سبرينغر نيتشر سويسرا، ص 1105-1110 ، doi : 10.1007/978-3-031-50308-5_139 ، ISBN  978-3-031-50307-8تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 نوفمبر 2024
  13. ↑ يوسف، خالد م.؛ زاداش، ألكسندر ج.؛ نيو، تشانغنينغ؛ إيرفينغ، دوغلاس ل.؛ كوخ، كارل س. (2015). "سبيكة جديدة منخفضة الكثافة وعالية الصلابة وعالية الإنتروبيا ذات هياكل نانوية بلورية أحادية الطور متراصة" . رسائل بحوث المواد . 3 (2): 95-99 . doi : 10.1080/21663831.2014.985855 . hdl : 10576/61104 .
  14. ↑ شوارتز، جيمس أ.؛ كونتيسكو، كريستيان إ.؛ بوتيرا، كارول (2004). موسوعة ديكر لعلوم النانو وتكنولوجيا النانو . المجلد 3. مطبعة سي آر سي. ص 2274. ISBN   978-0-8247-5049-7.
  15. ↑ "مادة سكالمالوي المعدنية للتصنيع الإضافي من شركة APWORKS معتمدة للاستخدام في سباقات الفورمولا 1" . TCT. 2 يوليو 2020. تم الاطلاع عليه بتاريخ 11 أكتوبر 2023 .
  16. ↑ بيركلي، ستيف (2006). "عملٌ غريب: مضارب البيسبول المعدنية المؤكسدة أحدثت ثورة في لعبة البيسبول. ولكن هل يفقد المصنّعون نقطة الارتكاز المثالية؟". تشطيب المعادن . 104 (4): 61. doi : 10.1016/S0026-0576(06)80099-1 .
  17. ↑ "تقرير إيستون التقني: المواد / السكانديوم" (ملف PDF) . EastonBike.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 3 أبريل 2009 .
  18. ↑ جيمس، فرانك (15 ديسمبر 2004). الدفاع الفعال ضد المسدسات . منشورات كراوس. ص 207 وما بعدها. ISBN  978-0-87349-899-9أُرشف من المصدر الأصلي في 20 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه في 8 يونيو 2011 .
  19. ↑ سويني، باتريك (13 ديسمبر 2004). كتاب غان دايجست عن سميث آند ويسون . كتب غان دايجست. ص 34 وما بعدها. ISBN  978-0-87349-792-3أُرشف من المصدر الأصلي في 21 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه في 8 يونيو 2011 .

للمزيد من القراءة