ألمنيوم 8091: التركيب، الخصائص، دليل المعالجات، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
السبائك 8091 هي سبيكة ألومنيوم-ليثيوم (Al-Li) طورَّت لتطبيقات الطيران حيث القوة النوعية العالية والكثافة المنخفضة هما العوامل الرئيسية. تنتمي هذه السبيكة إلى عائلة سبائك Al-Li من السلسلة 8xxx التي يتميز فيها الليثيوم كمُضاف رئيسي للسبائك؛ حيث يقلل الليثيوم من الكثافة ويزيد من معامل المرونة مقارنة بسبائك الألومنيوم التقليدية مثل Al-Mg أو Al-Cu.
العناصر المسبكة السائدة في 8091 تشمل عادة الليثيوم والنحاس والزركونيوم، مع إضافات بسيطة أو شوائب من المغنيسيوم والسيليكون والحديد وعناصر أثرية مثل التيتانيوم والكروم. يعتمد التقوية في الأساس على آليات التقسية بالعصر (الترسب) النموذجية للسبائك Al-Li القابلة للمعالجة الحرارية، إلى جانب التحكم الدقيق في البنية المجهرية عبر المشتتات (مثل Al3Zr) والعمل البارد المسيطر عليه في درجات حرارة معالجة مختارة.
السمات الرئيسية لـ 8091 تتمثل في نسبة قوة إلى وزن عالية، كثافة مخفضة مقارنة بسبائك الألومنيوم التقليدية، صلابة جيدة لكل وحدة كتلة، وأداء إجهاد متفوق في العديد من درجات المعالجة. مقاومة التآكل وقابلية اللحام مقبولة لكن أكثر حساسية للتركيب الكيميائي والدرجة الحرارية مقارنة بسبائك 5xxx/6xxx العادية؛ قابلية التشكيل معتدلة وتكون الأفضل في درجات المعالجة الممطَّرة أو المعالجة بالمعالجة الحرارية بالحل.
الصناعات النموذجية التي تستخدم 8091 تشمل هياكل الطيران الأساسية والثانوية، مكونات النقل عالية الأداء، وهياكل الدفاع والفضاء الراقية المختارة. يحدد المهندسون استخدام 8091 عندما يكون تقليل الكتلة مع الاحتفاظ بقوة ثابتة وإجهاد عالية أهم من تعظيم مقاومة التآكل في البيئات البسيطة أو الاستقرار الحراري المطلق.
أنواع المعالجة
| الدرجة الحرارية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفضة | عالٍ | ممتازة | ممتازة | ممطّرة بالكامل؛ الأفضل للتشكيل والسحب العميق |
| T3 | متوسطة-عالية | متوسطة | جيدة | متوسطة | معالجة حرارية بالحل، عمل بارد، تم شيخوخة طبيعية |
| T6 | عالية | منخفضة–متوسطة | مقبولة | متوسطة | معالجة حرارية بالحل وعصر اصطناعي للقوة القصوى |
| T8 / T852 | عالية | منخفضة–متوسطة | مقبولة | متوسطة | عمل بارد ثم عصر اصطناعي؛ تحسُّن في مقاومة الإجهاد |
| T351 | متوسطة-عالية | متوسطة | جيدة | متوسطة | معالجة بالحل وتخفيف إجهادات عن طريق الشد |
| H111 / H32 | متوسطة | متوسطة | جيدة | متوسطة | درجات تقسية تجارية محدودة الشد |
الدرجة الحرارية لها تأثير رئيسي على القوة، اللدونة، وقابلية التشكيل لـ 8091 لأن تقويتها تعتمد إلى حد كبير على الترسب ويمكن تعديلها عن طريق العمل البارد المسيطر عليه. درجات المعالجة الممطّرة تزيد اللدونة وتُستخدم لعمليات التشكيل، بينما درجات T6 تركز على تعظيم القوة على حساب الاستطالة وقابلية الثني.
التركيب الكيميائي
| العنصر | نطاق النسبة % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.10–0.25 | شوائب نموذجية؛ تتم السيطرة عليها للحد من التداخلات الهشة |
| Fe | ≤ 0.10–0.30 | شوائب؛ زيادة الحديد قد تشكل تداخلات تقلل المتانة |
| Mn | ≤ 0.05–0.30 | إضافة طفيفة؛ تؤثر على إعادة التبلور وحجم الحبيبات |
| Mg | 0.05–0.40 | مُعزز تقليل بسيط في بعض الشحنات |
| Cu | 0.5–2.5 | عنصر رئيسي للتقوية يعزز استجابة التقسية بالعصر |
| Zn | ≤ 0.10–0.50 | منخفض إلى متوسط؛ زيادته قد تزيد حساسية مقاومة التآكل بالإجهاد (SCC) |
| Cr | ≤ 0.05–0.20 | عنصر أثر؛ يؤثر على بنية الحبيبات وإعادة التبلور |
| Ti | ≤ 0.02–0.10 | مُحسّن حبيبي في الإنتاج المصبوب أو القضبان |
| Li | ~0.7–2.5 | العنصر الرئيسي للقوة النوعية المنخفضة الكثافة (النطاق النموذجي لـ Al-Li) |
| Zr | 0.05–0.25 | مشكّل مشتتات (Al3Zr) للتحكم في نمو الحبيبات والنسيج المعدني |
| أخرى | المتبقي من Al + عناصر أثرية | تختلف حسب المصدر؛ يجب مراجعة ورقة بيانات المورد |
مستوى الليثيوم والنحاس يتحكمان في كيمياء الترسب وبالتالي القوة القصوى الممكنة في 8091. يُضاف الزركونيوم عمدًا بتركيزات منخفضة لتكوين مشتتات تثبت حدود الحبيبات وتقلل من إعادة التبلور أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية. يتم التحكم بدقة في العناصر الثانوية والشوائب مثل الحديد والسيليكون لمنع تكوين تداخلات هشة تزيد من ضعف المتانة ومقاومة تشقق الإجهاد.
الخصائص الميكانيكية
سلوك الشد لـ 8091 يعتمد بشكل كبير على درجة المعالجة الحرارية. في درجات المعالجة بالعصر القصوى (T6/T8) يمكن أن تكون مقاومة الشد أعلى بكثير من سبائك 6xxx التقليدية على أساس القوة بالنسبة للوزن، مع ارتفاع مقاومة الخضوع نتيجة لترسيب أطوار Al-Li وAl-Cu؛ اللدونة تكون أقل مقارنة بالدرجات الممطّرة. الاستطالة حتى الفشل معتدلة في الحالات المعالجة حراريًا وأعلى في درجات O أو T351 المستخدمة في عمليات التشكيل، مما يؤثر على أنصاف أقطار الثني وقابلية التحمل للصدمات.
الصلادة ترتبط بالتقسية بالعصر؛ يظهر المواد المعالجة بالعصر أعلى قيم صلادة في اختبار فيكرز أو برينل ومقاومة محسنة للثقب المحلي. أداء الإجهاد المتكرر جيد جدًا في العديد من سبائك Al-Li بما في ذلك 8091 بسبب زيادة معامل المرونة وتوزيعات معينه للترسيبات تقلل من معدل انتشار الشقوق؛ مع ذلك تعتمد مقاومة الإجهاد المتكرر على حالة السطح، الدرجة الحرارية، وحالة التآكل. تؤثر سماكة الشكل المنتج على الاستجابة الميكانيكية: السُمك الرقيق يحقق ترسيبًا موحدًا وقوة فعالة أعلى بعد التقدم بالعمر، بينما قد تظهر الصفائح السميكة تدرُّجات في الخصائص عبر السماكة وتتطلب جداول تبريد وعصر محكمة.
| الخاصية | O/ممطّرة | درجة رئيسية (T6/T8) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| مقاومة الشد | 200–320 MPa (نموذجية) | 450–550 MPa (عند الذروة النموذجية) | تتفاوت القيم حسب التركيب الكيميائي، المعالجة والسماكة |
| مقاومة الخضوع | 110–220 MPa (نموذجية) | 360–460 MPa (عند الذروة النموذجية) | نسبة مقاومة الخضوع إلى الشد تتأثر بحالة الترسيب |
| الاستطالة | 20–30% | 6–15% | الدرجات الممطّرة توفر أعلى لدونة للتشكيل |
| الصلادة | 40–70 HB | 100–140 HB | زيادة الصلادة مرتبطة بالترسيب والعمل البارد |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.60–2.65 g/cm³ | أقل من الألومنيوم التقليدي (2.70 g/cm³) بسبب محتوى الليثيوم |
| نطاق الانصهار | ~500–640 °C (تقريبي بين الصلب والسائل) | تغير السبائك يغير درجة الانصهار؛ يجب متابعة بيانات TTT للمورد للتصنيع |
| التوصيل الحراري | ~120–150 W/m·K | أقل من سلسلة 1xxx عالية التوصيل لكنها مناسبة لمعظم الهياكل |
| التوصيل الكهربائي | ~30–45% IACS | منخفض مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب إضافات السبائك |
| السعة الحرارية النوعية | ~880–920 J/kg·K | بنفس ترتيب الحجم للسبائك الألومنيوم الشائعة |
| التوسع الحراري | ~21–24 µm/m·K (20–100 °C) | أقل قليلاً من العديد من سبائك Al-Mg بسبب الليثيوم |
الكثافة المنخفضة لـ 8091 هي واحدة من المزايا الرئيسية للهياكل التي تعتمد على تقليل الوزن؛ وهذا يعزز القوة النوعية والصلابة. التوصيل الحراري والكهربائي أقل بالمقارنة مع الألومنيوم النقي لأن السبائك تشتت الإلكترونات والفونونات؛ يجب على المصممين مراعاة هذه التخفيضات في تطبيقات إدارة الحرارة أو التطبيقات الكهربائية. التوسع الحراري أقل قليلًا بسبب الليثيوم، مما يحسن الاستقرار الأبعادي في تطبيقات دورات الحرارة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | المقاسات الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح | 0.5–6 mm | مقاومة متجانسة عبر السماكة عند المعالجة الصحيحة | O, T3, T6, T8, T351 | مفضلة للأغلفة الخارجية المشكّلة للطائرات ولوحات ثانوية |
| صفائح | 6–100+ mm | احتمال وجود تدرجات في مقاومة السماكة؛ يتطلب الصفائح السميكة تبريداً دقيقاً | T6, T8, T351 | تُستخدم في القطع المصبوبة، الأجزاء الهيكلية والأعضاء عالية الحمل |
| بثق | مقاطع حتى عدة مئات من الملليمترات | يمكن الاحتفاظ بقوة عالية إذا تم التحكم بالترسيب | T6, T8, O | ممكن تشكيل مقاطع معقدة لكنها محدودة بخصائص تدفق السبيكة |
| أنابيب | أقطار وسماكات مختلفة | سلوك مقاومة مماثل للألواح والبثق | T6, T351 | تُستخدم في الأنابيب الهيكلية ومكونات معدات الهبوط في بعض الحالات |
| قضبان/عصي | أقطار حتى 200 mm | زيادة السماكة تقلل من كفاءة التبريد | T6, T8, O | تُستخدم في تركيبات مشغولة وتسميكات حيث الحاجة إلى قوة نوعية عالية |
غالباً ما تتم معالجة الألواح والمنتجات ذات السماكة الرقيقة لتعظيم كفاءة التبريد عبر السماكة وتعزيز ترسيب متجانس، مما يؤدي إلى قوة أعلى وأكثر ثباتاً. الصفائح السميكة والقضبان تتطلب معالجة حرارية مصممة خصيصاً وغالباً تشكيل ساخن متبوع بمعالجة محلول وتعتيق مرحلي لتقليل التدرجات في الخصائص والاحتفاظ بالمتانة. يجب على عمليات البثق موازنة خصائص تدفق السبيكة مع جداول المعالجة الحرارية النهائية لتحقيق الخصائص الميكانيكية المطلوبة.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 8091 | الولايات المتحدة الأمريكية | سبيكة معترف بها من نوع Al-Li في بعض قوائم الموردين للطيران |
| EN AW | — | أوروبا | لا يوجد مكافئ رقمي مباشر لـ EN AW؛ مصنفة ضمن عائلة Al-Li |
| JIS | — | اليابان | لا يوجد مكافئ مباشر بسيط؛ المادة عادة موضحة من قبل المورد |
| GB/T | — | الصين | المكافئات المحلية غير موحدة؛ غالباً ما يتم استيراد المادة أو تحديدها حسب التركيب الكيميائي |
غالباً لا يوجد تطابق واحد-لواحد مباشر للسبائك المتقدمة من نوع Al-Li مثل 8091 بين المعايير العالمية. الاختلافات في الحدود التركيبية، المعالجات، وممارسات المعالجة الحرارية الخاصة تعني أن "الدرجات المكافئة" يجب التحقق من صحتها عبر اختبارات ميكانيكية وفحوصات كيميائية بدلاً من الاعتماد فقط على رقم السبيكة الاسمي. عند الاستبدال، يجب التأكد من استجابة المقاس، حساسية التبريد، وسلوك الكسر/الإجهاد تحت شروط التصنيع المحددة.
مقاومة التآكل
في البيئات الجوية، يؤدّي 8091 أداءً مقبولاً عادةً عند السبك والمعالجة الحرارية الصحيحة، لكن سلوك مقاومة التآكل أكثر تعقيداً من السبائك النموذجية من سلسلة 5xxx/6xxx. وجود النحاس والليثيوم قد يزيد من التعرض للتآكل الموضعي والهجوم الحبيبي إذا لم تُضبط مستويات الشوائب أو شبكات الترسيبات الناتجة عن التصنيع بدقة. تُستخدم التشطيبات السطحية، التغليف، والطلاءات الواقية بشكل روتيني على مكونات 8091 المخصصة للتعرض الطويل في أجواء عدوانية.
في البيئات البحرية وذات الملوحة العالية، يمكن أن يعزز محتوى النحاس التآكل الموضعي (النقر) في بعض المقاسات، لذلك تعد الترتيبات التصميمية وأنظمة الحماية من التآكل مهمة عند استخدام 8091 للهياكل القريبة من الشاطئ أو البحرية. الحساسية لتشققات الإجهاد التآكلي (SCC) تعتمد على المقاس والكيمياء؛ الظروف المتقدّمة والمقاسات المصممة بشكل مناسب يمكن أن تقلل من خطر SCC، بينما قد تكون بعض حالات العمر الذري الأعلى أكثر تعرضاً تحت إجهاد شد مستمر في بيئات متآكلة.
التداخلات الكهروكيميائية تتبع الممارسات القياسية للألمنيوم: يجب عزل 8091 عن المواد الكاثودية مثل الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس، أو المصفوفات الكربونية عند وجود تواصل كهربائي ورطوبة. مقارنة بسلاسل 5xxx و6xxx، يوفر 8091 أداء متنافس للإجهاد/التآكل عند معالجته بشكل صحيح لكنه لا يضاهي عموماً مقاومة التآكل بالكلوريد الفطرية للسبائك 5xxx ذات محتوى المغنيسيوم الأعلى.
خصائص التصنيع
قابلية اللحام
يمكن لحام 8091 باستخدام طرق اللحام بالاندماج واللحام بالحالة الصلبة، لكن قابلية اللحام تعتمد على التركيب الكيميائي والمقاس. لحام بالغاز الخامل التنغستيني (TIG) والغاز المعدني الخامل (MIG) شائعان؛ يُفضَّل استخدام سبائك لحام مُصممة خصيصًا لأنظمة Al-Li أو سبائك Al-Cu منخفضة الليثيوم (راجع توصيات المورد، مثل سبائك لحام تعتمد على Al-Cu) لتجنب المعادن الملحومة الهشة. هناك مخاطر التشقق الحار والمسامات إذا لم يتم تحسين تصميم الوصلات، كمية الحرارة المدخلة، وسبائك اللحام؛ قد تحدث ظاهرة تليين منطقة تأثير الحرارة (HAZ) في المعدن الأم ذي الحالة الذرية العالية وقد يتطلب الأمر معالجة حرارية بعد اللحام أو إصلاح ميكانيكي.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل لـ 8091 جيدة بشكل عام وتقارن مع سبائك الألمنيوم ذات القوة العالية الأخرى؛ يمكن تشغيلها بنظافة أفضل من بعض أنواع الصلب عالية القوة لكنها تتطلب تجهيزات صلبة بسبب انخفاض معامل المرونة مقارنة بالصلب. تساعد أدوات الكربيد والهندسة الحادة في تحقيق تشطيب سطحي جيد والتحكم بالرقائق؛ سرعات القطع الموصى بها أعلى من السبائك الحديدية ولكن يجب تحسينها لتجنب تكوّن حافة مبنية وتليين حراري. تكون أشكال الرقائق قصيرة إلى شبه متصلة مع هندسة أداة مناسبة وتبريد.
قابلية التشكيل
أفضلية التشكيل تكون في المقاسات المليّنة أو المعتقلة قليلاً وتتراجع كلما زادت القوة في حالات T6/T8. تعتمد أدنى أنصاف أقطار الانحناء على المقاس والسماكة لكن المصممون عادة يبدأون بـ 2–3T (حيث T = السماكة) للانحناءات المعتدلة في الألواح المليّنة ويرفعون نصف القطر للمواد المعالجة حرارياً. يمكن استخدام الشغل البارد للتشكيل الجزئي للأجزاء قبل دورات التعتيق النهائية لتقليل الارتداد والتشقق.
سلوك المعالجة الحرارية
8091 قابل للمعالجة الحرارية؛ يجب على المصممين والمصنعين التحكم في معالجة المحلول، التبريد السريع، والتعتيق لتطوير الخصائص المستهدفة. تتضمن المعالجة النموذجية تسخين المادة إلى نطاق يحل فيه الفازات المحتوية على Cu وLi (راجع بيانات المورد؛ عادة في نطاق 520–560 °C)، يتبعها تبريد سريع للاحتفاظ بالمذاب. يسبب التعتيق الصناعي في درجات حرارة معتدلة (مثل 150–190°C) ترسيب الفازات المقوية للوصول إلى حالات T6 أو T8؛ تتحكم مدة ودرجة التعتيق في التوازن بين القوة والمتانة بين الذروة والتدهور.
الانتقال بين الحالات متوقع لكن حساسية التبريد تُعد متغيراً هاماً في معالجة الأقسام السميكة حيث تبريد مركز السماكة أبطأ. يمكن أن يحسن التدهور المتقدم المتانة ومقاومة SCC لكنه يقلل القوة القصوى. في خطوات المعالجة غير القابلة للمعالجة الحرارية (حيثما ينطبق)، يبقى التقسية الميكانيكية والتليين الأدوات الأساسية لتعديل الاستجابة الميكانيكية.
الأداء في درجات الحرارة العالية
يعاني 8091 من فقدان كبير في القوة مع ارتفاع درجة الحرارة؛ يجب على المصممين الحد من درجات الحرارة التشغيلية المستمرة لتكون أقل بكثير من عتبات التعتيق أو ذوبان الفازات. عادة ما تكون حدود الخدمة العليا العملية في نطاق 120–150 °C لتطبيقات تحمل الأحمال الهيكلية؛ يؤدي التعرض لدرجات حرارة أعلى إلى تسريع التدهور والتليين. التأكسد محدود في درجات حرارة الخدمة التقليدية، لكن التعرض لدرجات حرارة مرتفعة أثناء التصنيع (مثل اللحام، التلحيم، أو التسوية بالحرارة) يمكن أن يسبب تغيرات موضعية في الخصائص في منطقة تأثير الحرارة والمادة المجاورة.
يتدهور سلوك الإجهاد والتكسير عند درجات حرارة مرتفعة أسرع منه في الظروف المحيطة بسبب تسارع الاسترخاء الشبيه بالزحف لهياكل الترسيب في التعرضات طويلة الأمد. عند وجود دورات حرارية متكررة، تتطلب التنقلات المتكررة عبر نطاقات التعتيق أو التدهور تصميم هوامش أمان متحفظة واختبارات تأهيل.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكوّن | سبب استخدام 8091 |
|---|---|---|
| الطيران | لوحات أغلفة جسم الطائرة والأجنحة، مشابك القص | قوة نوعية عالية وكثافة منخفضة للهياكل الأولية والثانوية الحساسة للوزن |
| البحرية | مكونات هيكلية خفيفة الوزن | صلابة إلى وزن جيدة وتقليل الكتلة لزيادة كفاءة السفينة (مع حماية من التآكل) |
| الدفاع الجوي | تركيبات، فواصل، معززات | أداء إجهاد جيد واستجابة معتمدة للمقاسات للأحمال الدورية |
| الإلكترونيات / إدارة الحرارة | دعامات هيكلية وأغلفة | كثافة منخفضة وموصلية حرارية مقبولة حيث تهم تخفيض الكتلة |
يُختار 8091 حيث تكون القوة النوعية والصلابة العالية، إلى جانب أداء إجهاد مقبول وقابلية التصنيع، توفر توفيرات كبيرة في وزن النظام. يُستخدم أقل في الحالات التي تكون فيها التكلفة المنخفضة، مقاومة التآكل العالية جداً في بيئات الكلوريد العدوانية، أو التعرض الطويل لدرجات الحرارة العالية هي المحركات الأساسية. المواصفات المؤهلة، طرق المعالجة، ومعالجات السطح الواقية هي متطلبات روتينية للأجهزة الطيرانية.
نصائح للاختيار
يُعد 8091 مناسبًا عندما يكون تقليل الكتلة وزيادة القوة إلى الوزن من الأولويات الأعلى من تكلفة المادة المطلقة أو سهولة الإصلاح الميداني. اختر 8091 للهياكل الأساسية أو الثانوية للطيران، أو للأُطُر عالية الأداء الأخرى حين تبرر وفورات الوزن عبر دورة الحياة التعامل والتأهيل المتخصص.
مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي (1100)، يتميز سبيكة 8091 بقوة أعلى وكثافة أقل مقابل تقليل الموصلية الكهربائية/الحرارية وقابلية التشكيل. مقارنة بالسبائك المُعالجة بالتشغل مثل 3003 أو 5052، تحقق 8091 قوة نوعية أعلى بكثير ولكنها تتطلب عادة معالجة حرارية ومعالجة أكثر تحكماً لمقاومة التآكل وتكسير الإجهاد الناجم عن التآكل (SCC). مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061، توفر 8091 كثافة أقل وصلادة نوعية أعلى؛ ومع ذلك، قد يظل 6061 مفضلاً للأجزاء ذات الاستخدامات العامة بفضل التكلفة، وتوفره الأوسع، وسهولة لحامه.
عند اختيار 8091، يجب مراعاة عوامل مثل توافر سلسلة التوريد، الحاجة إلى معادن حشو متخصصة وشيخوخة ما بعد اللحام، والتعرض البيئي؛ إذا كان المطلوب لحام ميداني سهل أو مقاومة قصوى للتآكل في البيئات البحرية القاسية، فمن الأفضل النظر في سبائك بديلة أو تصميمات أنظمة حماية.
الملخص الختامي
تظل سبائك الألومنيوم-ليثيوم 8091 ذات أهمية في الهندسة الحديثة حيث يكون تقليل الكتلة مع الحفاظ على قوة ثابتة وقوة التعب العالية أمرًا حيويًا. وتعتمد أداؤها بشكل كبير على التحكم الدقيق في التركيب الكيميائي، والمعالجة الحرارية، وممارسات التصنيع، وعندما تُدار هذه العمليات بشكل صحيح، تقدم تركيبة جذابة من الكثافة المنخفضة، والصلادة النوعية العالية، ومقاومة التعب لتطبيقات الطيران والهياكل العالية الأداء.