Aluminiumslegeringer er blandt de få strukturelle metaller, der bliver stærkere snarere end mere sprøde, når temperaturen falder mod det absolutte nulpunkt. Denne adfærd gør dem til standardvalget for indeslutning af flydende naturgas, luftadskillelsessøjler, superledende magnetstrukturer og kryogene testrigge, hvor stål ville kræve slag-testede kvaliteter og omhyggelig overgangs-temperaturkontrol. Årsagen ligger i krystalstrukturen og i den måde, dislokationer bevæger sig på, når termisk energi næsten er fraværende.
Hvorfor ansigts-centreret kubisk struktur er vigtig ved lav temperatur
Aluminium har et flade-centreret kubisk gitter med tolv glidesystemer, og det viser ingen duktil-til-skør overgang af den slags, der findes i krops-centrerede kubiske stål. Sænkning af temperaturen øger den spænding, der er nødvendig for at flytte dislokationer, mens antallet af tilgængelige slipsystemer forbliver uændret, så materialet hærder uden at miste evnen til at deformere plastisk. Dette er grunden til, at en aluminiumskomponent kan bratkøles i flydende nitrogen eller flydende helium uden det pludselige tab af sejhed, der ville ledsage et ferritisk stål.
Aluminiums høje termiske ledningsevne arbejder i samme retning: det fordeler varme ensartet gennem en komponent, hvilket begrænser de lokale termiske gradienter, der ellers ville generere høje sekundære spændinger i en karvæg eller en støtteben.
Mekaniske egenskabstendenser under -150 grader
De fleste aluminiumlegeringer opnår trækstyrke og flydestyrke, når temperaturen falder til under -150 grader, mens forlængelsen enten øges eller forbliver i det væsentlige stabil, fordi dislokationsbevægelsen undertrykkes, og deformation spredes gennem gitteret i stedet for at lokaliseres.
Trækstyrken stiger gradvist ned til flydende heliumtemperatur med de største relative stigninger i 5xxx- og 1xxx-familierne.
Forlængelsen bibeholdes eller forbedres; legering 5083 for eksempel opretholder mere end 20% forlængelse ved -269 grader.
Indhak-følsomheden falder, så prøvestykker med kærv viser mindre straf i forhold til glatte prøver end ved stuetemperatur.
Vækst af træthedsrevner kan accelerere under alvorlige termiske cyklusser, så termisk træthedsvurdering er påkrævet for cyklisk belastede kryogene komponenter.
Brudsejheden forbliver høj, hvilket er den egenskab, der kvalificerer legeringsfamilien til indeslutningsservice.
Metallurgiske ændringer ved kryogen temperatur
De interessante ændringer er termodynamiske snarere end strukturelle. Opløseligheden af legeringselementer såsom magnesium falder kraftigt, når temperaturen falder, så ethvert opløst stof er langt over dets ligevægtsgrænse. Diffusion er dog effektivt frosset, så udfældningshærdning kan ikke fortsætte, og over-ældning forekommer ikke under service. De praktiske effekter er:
Opløste atomer fortsætter med at pin dislokationer, hvilket er en af grundene til, at udbyttestyrken stiger.
Diffusions-kontrollerede processer, herunder udfældning og genvinding, undertrykkes næsten fuldstændigt.
Der forekommer ingen duktil-til-skør overgang, i modsætning til krops-centrerede kubiske metaller.
Der skal tages højde for termisk sammentrækning i design, fordi sammentrækningen af aluminium adskiller sig fra sammentrækningen af stål eller komposit, det ofte er boltet til.
Disse egenskaber gør det muligt at bruge aluminium til de strukturelle komponenter i superledende magnetsystemer, hvor der er behov for et ikke-magnetisk, formstabilt og termisk ledende materiale ved flydende heliumtemperatur.
Valg af legering til kryogen service
| Serie | Kryogen adfærd | Typisk brug |
|---|---|---|
| 5xxx (Al-Mg) | Ekstraordinær fastholdelse af sejhed og duktilitet; 5083 holder mere end 20% forlængelse ved -269 grader | LNG-tanke, kryogene beholdere, svejste strukturer |
| 6xxx (Al-Mg-Si) | God svejsbarhed og moderat styrke; egenskaber stabile, når de er hærdet | Kryogene karkomponenter og understøtninger |
| 1xxx (høj renhed) | Meget høj ledningsevne med lav magnetisk respons | Superledende magnetkomponenter og kryostatdele |
| 3xxx (Al-Mn) | God formbarhed og moderat kryogen styrke | Varmeveksler og kanalapplikationer |
5xxx-serien forbliver arbejdshesten til svejset kryogen indeslutning, fordi den kombinerer kryogen sejhed med et ikke-varme-behandleligt temperament, der er upåvirket af svejsevarme. Udvælgelsen af legeringer tilpasser sig derefter til komponentens specifikke termiske kontraktion og styrkekrav.
Svejse- og fremstillingsregler for kryogen service
Svejsning er det sted, hvor kryogent design oftest fejler, så fremstillingen styres af kvalificerede procedurer snarere end af operatørens vurdering.
Valg af fyldmetal skal forhindre revner i størkning; matchende eller lidt højere-magnesiumfyldstoffer er typiske for 5xxx uædle metal.
Porøsitetsrisikoen kontrolleres gennem renlighed, tør beskyttelsesgas og fugtfrie forbrugsstoffer-, da brintopsamling er hovedkilden til svejseporøsitet.
Utilpasset termisk udvidelse mellem svejsningen og den tilstødende struktur inducerer restspænding, som styres gennem samlingsdesign, afbalanceret svejsesekvens og forspænding, hvor det er nødvendigt.
Varmebehandling efter-svejsning undgås normalt ved 5xxx arbejde, fordi det giver ringe fordele og kan reducere egenskaber; for varme-legeringer kontrolleres det, så temperamentet ikke ødelægges.
Procedurekvalifikationen følger en passende svejsestandard såsom ISO 15614-2 eller ASME Section IX, mens selve bundpladen leveres til ASTM B209 eller GB/T 3880.
Slag- og sejhedsverifikation udføres ved driftstemperaturen, ikke ved stuetemperatur.
Ofte stillede spørgsmål
Spørgsmål: Hvorfor bliver aluminiumslegeringer ikke skøre ved kryogen temperatur?
Deres ansigts-centrerede kubiske gitter holder tolv glidesystemer aktive, når temperaturen falder, så metallet hærder uden den duktile-til-skøre overgang, der ses i krops-centrerede kubiske stål.
Spørgsmål: Hvilken aluminiumslegering er mest brugt til LNG-indeslutning?
Legering 5083 er referencematerialet: det bevarer mere end 20 % forlængelse ved -269 grader, svejser uden et varmebehandleligt temperament og bevarer høj brudsejhed ved driftstemperatur.
Q: Øger styrken, når aluminium afkøles til under -150 grader?
Ja. Trækstyrke og flydespænding stiger gradvist, når temperaturen falder, drevet af øget modstand mod dislokationsbevægelser, og duktiliteten bibeholdes eller forbedres normalt på samme tid.
Spørgsmål: Kan aluminium svejses til kryogene beholdere uden varmebehandling efter-svejsning?
For 5xxx legeringer er efter-svejsevarmebehandling generelt unødvendig og undgås, men svejseproceduren skal stadig være kvalificeret til en anerkendt standard for at kontrollere porøsitet, revner og resterende spænding.
Q: Hvad er den største designrisiko i kryogene aluminiumsstrukturer?
Termisk kontraktionsmismatch mod tilstødende stål- eller kompositstruktur, som genererer resterende og sekundære spændinger, sammen med vækst af træthedsrevner under gentagne termiske cyklusser.
Spørgsmål: Hvorfor bruges høj-1xxx-aluminium i superledende systemer?
Den kombinerer høj termisk ledningsevne med lav magnetisk respons og forbliver duktil ved flydende heliumtemperatur, hvilket passer til kryostat- og magnetstrukturkomponenter.
