آلیاژهای آلومینیوم- اسکاندیوم



مقدمه 
اسکاندیم به‌طور جزئی در حالت جامد آلومینیوم حل می شود و محلول جامد طی فرایند  پیر سختی در دمای بالا، فاز AL3Sc را رسوب می دهد. این فاز می تواند به یک توزیع مناسب از ذرات کروی دست یابد که موجب افزایش قابل توجه استحکام آلیاژ آلومینیوم می گردد . 

اثر استحکام بخشی اسکاندیوم برای نخستین بار در دهۀ 60 میلادی کشف شد که با مطالعۀ زیاد و کار بر روی آلیاژهای دوتایی Al-Sc و سه­ تایی Al-Mg-Sc به دست آمد. اثرات اصلی Sc در آلیاژهای آلومینیوم، افزایش استحکام، افزایش مقاومت به ترک گرم، مقاومت در برابر تبلور مجدد و کاهش اندازۀ دانه هستند.

این اثر استحکام بخشی فوق ویژه با افزودن مقدار کمی اسکاندیوم، برای اولین بار در یک مقاله توسط Willey در سال 1971 گزارش شد. افزایش قابل توجه در خواص ماده در محدوده­ ی 0.1 تا 1 درصد وزنی اسکاندیوم یافت شد.مقاله شامل اطلاعاتی در مورد خواص بازه­ ی وسیعی از آلیاژ های متاثر از عملیات های مکانیکی و حرارتی مختلف می شد و به‌طور خاص، اثر سودمند تغییر شکل پیش از پیرسختی  و فایدۀ دماهای  بالای پیرسختی (به‌طور مثال 563K) را مورد بررسی قرار می داد. برای مثال یک آلیاژ Al-5.25%Mg که حاوی 0.3% اسکاندیم باشد، استحکام تسلیمی برابر با 365 MPa دارد؛ یعنی بیشتر از دو برابر همین آلیاژ بدون اسکاندیم.

تقریباً یک رابطه­ ی خطی بین تنش تسلیم و مقدار Sc وجود دارد. بر اساس داده ها به‌طور میانگین با افزودن هر 0.1% اسکاندیم، افزایشی به میزان 50MPa در تنش تسلیم آلیاژ رخ می­دهد.

دسته بندی آلیاژهای Al-Sc

سیستم دوتایی Al-Sc (سری ×××1) 
با توجه به دیاگرام فازی دوتایی Al-Sc ، بیشینه مقدار انحلال Sc در آلومینیوم آلفا مقدار 0.33% وزنی می باشد. تنها راه افزایش انحلال Sc در آلومینیوم سرمایش سریع است؛ بطوریکه این مقدار تا 3.2% وزنی برای سرعت سرمایش105 ˚C/s  افزایش می یابد. بر خلاف Sc، اغلب فلزهای آلیاژسازی Al، مثل Zr و Ti یک واکنش peritectic را شکل می دهند. در حالی که طبیعت اوتکتیک آلیاژ آلومینیوم-اسکاندیوم موجب جدایش دندریت های Sc حین انجماد می گردد. لذا Sc در نواحی بین دندریتی جمع شده و هسته­ ی دندریت ها از اسکاندیوم فقیر هستند. یک عملیات حرارتی حالت جامد در دمای بالا(اغلب بالای 500˚C)  می تواند به همگن شدن Sc در ریزساختار یاری رسانده و اثرات مضر جدایش را کاهش دهد. البته این همگن سازی می تواند استحکام را از طریق پدیدۀ بازگشت و تبلور مجدد کاهش دهد.

بر اساس آنچه گزارش شده، بیشترین مقدار استحکام در عملیات حرارتی به مدت 3 ساعت در دمای 300˚C به دست می آید. 

غالب اثرات سودمند اسکاندیوم در آلیاژ آلومینیوم ،وابسته به تشکیل فاز Al3Sc  است. پراکندگی Al­­3Sc  معمولاً طی شرایط در این فرایند ها رخ می­ دهد :

-حین انجماد بعد از ذوب یا جوش

-حین فرایند های دمای بالا در محدودۀ 400-600˚C مثل نورد گرم و اکستروژن گرم 

-حین عملیات حرارتی کنترل شده در بازۀ دمایی 250-400˚C. در این حالت رسوب ها بهترین وضعیت و ابعاد را برای استحکام بخشی دارند.

آلیاژهای سه ­تایی Al-Sc-Zr 
آلیاژ حاوی زیرکونیوم قادر است سختی خود را به مدت یک ماه در دمای 350˚C حفظ کند. این افزایش پایداری حرارتی به علت پوستۀ  غنی از Zr روی رسوبات Al3Sc  است. در واقع پوستۀ Al3Zr می تواند پارامتر Lattice فاز Al3(Sc­1-xZrx) را کاهش دهد و بنابراین عدم تطابق با زمینۀ آلومینیوم آلفا را کم کند.  این رویداد موجب کاهش نیرو محرکه­ برای زمخت شدن ذرات رسوب در اثر کاهش دما می گردد. آزمایش ها نه تنها افزایش پایداری حرارتی رسوبات آلیاژهای سه تایی Al-Sc-Zr را نشان می­دهد، همچنین ثابت می کند که استحکام بیشتری به نسبت آلیاژهای دوتایی Al-Sc و یا Al-Zr به دست می آید. ترکیب پایداری دمایی بالا در کنار رسانایی خوب الکتریکی و استحکام بالا، آلیاژ Al-Sc-Zr را تبدیل به یک گزینه برای کاربردهای  رسانای سد حرارتی می کند. برخلاف فواید یاد شده، افزودن Zr موجب کاهش افزایش طول آلیاژ می گردد.

Al-Cu-(Mg)-(Mn)-Sc-(Zr) (سری ×××2) 
در ریز ساختار این آلیاژها، سه فاز Al­2Cu (Ө') ، Al3Sc و Al5-8ScCu4-7 (W) می توانند با یکدیگر در تعادل باشند. فاز نیمه پایدار 'Ө و Al3Sc مؤثر ترین فاز برای افزایش سختی در آلیاژ آلومینیوم است. بطوریکه 'Ө  دمای پیرسختی زیر 200˚C نیاز دارد و Al3Sc نیز در بازه­ ی 200-400˚C پیرسخت می شود. بنابراین چالش اصلی در این آلیاژ ها انتخاب دمای پیر سختی مناسب برای بدست آوردن همزمان این دو فاز است. افزودن Zr می تواند با شکل دهی پوسته-هسته­ ی ذرات رسوب (در بند قبل توضیح داده شد) به شکل گیری رسوبات با پایداری حرارتی کمک کند. ترکیب Sc  و Zr در این آلیاژ همچنین می تواند به افزایش قابلیت اکسترود گرم منجر شود. در اکستروژن، "فشار عبور"  عبارت است از بیشترین بارگذاری زمانی که ماده شروع به سیلان در غالب های اکستروژن می کند.  افزایش این دو عنصر با افزایش فشار عبود همراه است.

Al-Mn-Sc (سری ×××3) 
منگنز پرکاربرد ترین فلز برای ایجاد استحالۀ فازی در آلومینیوم است. افزایش منگنز موجب تشکیل رسوباتی می گردد که استحکام ویژه را به طرز قابل توجهی تحت تاثیر قرار می دهند. اما تاثیر منگنز بر افزایش سختی ناچیز است.

Al-Si-Sc (سری ×××6/×××4) 
افزایش سیلیسیم در آلیاژهای Al-Sc باعث افزایش چگالی رسوبات می گردد که استحکام در دمای اتاق را بهبود می بخشد. همچنین موجب تسریع جوانه زنی و رشد رسوبات می گردد. با این وجود سیلیسیم مقاومت به زمخت شدن رسوبات در دمای بالا را کاهش می دهد و افزایش سختی ناشی از رسوبات Al­3Sc با افزودن مقدار Si کاهش می یابد.

Al-Mg-Sc-(Zr) (سری ×××5) 
بیشترین مطالعه روی این سری آلیاژهای Al-Sc صورت گرفته است. نمودار های فازی نشان می دهد که هیچ ترکیب سه فازی از AlMgSc در این آلیاژهای تشکیل نمی‌گردد. فایده­ ی افزودن Sc و یا Sc+Zr به Al-Mg، افزایش شکل پذیری، افزایش پایداری حرارتی، افزایش مقاومت به تبلور مجدد، افزایش استحکام ، بهبود میزان افزایش طول و افزایش مقاومت به رشد ترک خستگی می باشد.

Al-Zn-Mg-Sc-(Cu)-(Zr) (سری ×××7) 
فاز اصلی استحکام بخش در این سری آلیاژ، فاز MgZn2 است. اسکاندیم تنها  به شکل رسوب Al3Sc در تعادل با فازهای دیگر است. نسل جدید سری ×××7 آلیاژ های Al-Sc با افزودن مس و شکل گیری رسوب W-AlCuSc به دست می آیند. عناصر آلیاژی دیگر مثل Zr، Ag، Er و Ce به آلیاژهای Al-Zn-Mg برای بهبود کارایی آنها افزوده می شوند. سری جدید این آلیاژ ها به علت مقادیر کم مس، مقاومت خوبی در برابر خوردگی تنشی (scc) دارند. همچنین افزایش تنش تسلیم و تغییر شکل یکنواخت نیز حاصل آلیاژسازی با عناصر نام برده شده است.

Al-Li-Sc-(Cu)-(Zr) (سری ×××8)

جانشین های مناسب برای اسکاندیوم 
با وجود حضور اثر بخش اسکاندیوم، به علت هزینۀ بالای آن، بخشی از مطالعات بر روی عناصر ارزان تر برای جایگزینی اسکاندیوم در Al3Sc انجام گرفته است. مطالعات نشان داد که عناصر Ti، Zr، Y، Hf، V، Nb و Ta تمایل به جایگزینی با اسکاندیوم در ساختار و عناصر نیکل و سیلیسیم تمایل به جایگزینی با آلومینیوم را دارند. فلزاتی مثل زیرکونیم و تیتانیوم، توانایی افزایش مقاومت به زمخت شدن رسوبات را دارند. در صورتی که لانتانید ها تاثیری بر سینتیک زمخت شدن رسوبات نمی­گذارند.

کاربردها 
همانگونه که پیشتر گفته شد، کاربرد آلیاژهای Al-Sc با وجود تمامی مزایای یاد شده به علت قیمت بالا و کمیاب بودن اسکاندیم، بسیار محدود است. برای مثال افزایش 0.4% اسکاندیم قیمت آلیاژ را تا 4 دلار به ازای هر کیلوگرم افزایش می دهد که قیمت را سه الی چهار برابر کرده است. این افزایش قیمت امروزه مناسب نیست و توجیه منطقی برای ساخت برخی وسایل را ندارد. بنابراین قیمت اسکاندیوم باید کاهش بیشتری یابد تا بتوان با توجیه اقتصادی آنرا به کار برد. خوشبختانه این قیمت طی 15 سال گذشته حدود 3 الی 10 برابر کاهش داشته است. همچنین کاهش چشمگیر قیمت برای آینده مورد انتظار است چراکه اخیراً تحقیقات گسترده ای روی استخراج اسکاندیم صورت پذیرفته است. کاربرد این آلیاژ اخیراً به مصارف کوچک و استراتژیک محدود شده است. برای مثال در روسیه بخش هایی از ابزار جنگی نیرو­ی هوایی مانند موشک ها و جت MIG از آلیاژهای Al-Li حاوی Sc ساخته شده است. سازندگان وسایل ورزشی مصرف کنندگان اصلی این دسته آلیاژها هستند. در سال 1997 اولین چوب بیسبال از سری ×××7  این آلیاژ ها ساخته شد. نیز همین سری برای ساخت بدنه­ی دوچرخه مورد استفاده قرار گرفته است که باعث افزایش 50% استحکام و کاهش 12% وزن دوچرخه گردید. چوب چوگان، تیر چادر و بدنه­­ی هفت­تیر ها نیز از دیگر کاربرد های آنهاست. 

آلیاژهای آلومینیوم حاوی اسکاندیوم، مواد وعده داده شده برای صنایع هوا فضا هستند. مثل سپرهای حرارتی، نوک هواپیما، چرخ ها، چرخ دنده ها ، منبع سوخت و سیستم اگزوز و بدنه­ی هواپیما هستند.

منابع 

آلومینیم
آلیاژها
آلیاژهای آلومینیوم