维普资讯 http://www.cqvip.com 第１０期总第１４０期 内蒙古科技与经济 Ｎｏ．１０，ｔｈｅ １４０ｔｈ ｉＳＳＵｅ ２００７年５月 ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａ ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆Ｅｃｏｎｏｍｙ Ｍａｙ．２００７ 新 型含钪铝合 金的应用研究与发展前景 孙全喜，黄瑞芬 （中国兵器工业第五二研究所，内蒙古包头０１４０３４） 摘要：本文综述了新型含钪铝合金在国内外的应用研究及其发展现状，介绍了铝钪合金的力学性 能，分析了铝钪合金在推广应用中存在的主要问题，对铝钪合金的发展前景进行了展望。 关键词：铝钪合金；力学性能；再结晶：发展前景 中图分类号：ＴＧ１４６ 文献标识码：Ａ文章编号：１ｏ０７—－６９２１（２ｏ０７）１Ｏ—０１Ｏ７—０２ 金属钪（ｓｏ）属于３ｄ型过渡元素，也是稀土元 一Ｍｇ—Ｓｃ合金，利用Ｓｃ和Ｚｒ的协同强化作用。通 素，它对铝具有细化晶粒、提高再结晶温度、改善抗 过 ，Ｓｃ和 ，ｚｒ共格弥散体的形成及晶粒细化导 蚀性、提高强度和提高塑性等作用。因为Ｓｃ在铝合 致附加强化作用，提高了合金强度的热稳定性，同时 金中能形成均匀的共格沉淀相Ａ１３Ｓｃ，其晶格常数 还把该合金扩展到可在深冷温度（甚至液氢）下使 与Ａｌ基本相似，而且稳定性很高，再加上Ｓｃ的熔点 用，从而拓宽了这种与俄罗斯１ ５３５合金相当的含 （１ ５４０℃）远比铝的熔点（６６０℃）高，Ｓｃ的密度２． Ｓｃ铝合金在机身结构与飞船结构上的应用范围。 ９９ ｃ ，与铝的密度２．７ ｃ 接近，所以它不仅使 ２００２年乌克兰材料问题研究所与美国赖特一 Ａ１一Ｓｃ具有强烈的时效硬化效应，而且具有高的热 帕特森空军研究实验室合作，通过添加Ｓｃ对７ｘｘｘ 稳定性。钪是迄今为止人们所发现的对铝合金最为 的Ａｌ—Ｚｎ—Ｍｇ—Ｃｕ合金进行改性研究。Ａｌ—Ｚｎ 有效的合金化元素，它对铝合金具有非常神奇的合 —Ｍｇ—Ｃｕ是航空航天部门广泛使用的高强度高韧 金化作用，只要在铝中加入千分之几的钪就对铝合 性铝合金，研究发现只要在Ａ１一Ｚｎ—Ｍｇ—Ｃｕ中加 金起强烈的变质作用，使合金的结构和性能发生明 入少量的Ｓｃ和ｚｒ，合金的Ｚｎ含量可以突破７％的 显的变化。微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化 上限增高到１２％，从而大幅度提高了合金的强度等 铝合金的晶粒，抑制合金的再结晶，而且可显著提高 力学性能。 合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能， １．２国内铝钪合金研究 甚至增强抗中子辐射损伤性能，近年来开始受到国 我国对含钪铝合金的研究始于２０世纪９０年代 际金属材料界的高度重视。 初期。东北大学进行了Ａｌ—Ｓｃ合金的研究工作，几 我国的Ｓｃ资源丰富，开展Ａｌ—Ｓｃ合金的研究， 年来对合金的制备，Ａ１一Ｍｇ—Ｓｃ合金的强化途径， 具有重要意义。Ａｌ—Ｓｃ合金主要应用于航天航空 Ａｌ—Ｓｃ二元合金的再结晶、温轧态 一Ｓｃ合金动态 等高新技术工业部门，近年来把Ｓｃ的应用扩展到其 再结晶和Ａｌ—Ｍｇ—Ｓｃ超塑性进行了研究。中南大 他工业领域，如用来制造高速列车、轻型汽车结构材 学材料科学与工程学院对Ａ１一Ｓｃ合金的制备、Ａｌ— 料及体育用具等，有广阔的应用前景。 Ｍｇ—Ｓｃ合金的拉伸性能和显微组织，合金退火组 １铝钪合金的研究现状 织和性能及超塑性变形机制等方面进行了研究，而 １．１国外铝钪合金研究 且还进行了ＳｃＣ１３一ＮａＣ１一ＫＣｌ熔盐制备新工艺的 目前，俄罗斯、美国、Ｆｔ本等国家已将含钪铝合 研究，采用该方法能制备出脱水完全、水不溶性含 金广泛应用于各领域，俄罗斯处于领先位置，其对钪 Ｓｃ量很低的ＳｃＣ１３一ＮａＣｌ—ＫＣｌ，促进了ＳｃＣ１３一 及含钪铝合金的研究始与１９世纪６０年代，已形成 从钪的化合物、中间合金到金属钪的完整工业体系， ＮａＣ卜Ｋａ熔盐金属热还原制备金属Ｓｃ及Ａｌ—Ｓｃ 中间合金工艺的实际应用。 并已建成产量上吨的铝钪合金厂。俄罗斯开发的五 ２铝钪合金的性能 大系列２０个牌号的铝钪合金已投放市场，实现了商 研究和应用中发现，Ｓｃ元素是优化铝合金组织 品化。这五大系列为：①热处理非强化可焊Ａｌ— 和性能的最有效的元素，Ｓｃ对Ａｌ有很强的弥散强 Ｍｇ—Ｓｃ系，②热处理强化高强度可焊Ａ１一Ｚｎ—Ｍｇ 化、晶粒细化作用，并可有效抑灼Ａｌ的再结晶。Ａｌ —Ｓｃ系，③热处理强化中强和高强度可焊Ａ１一Ｍｇ 与Ｓｃ相互作用的主要特征是共晶共格。在含Ｓｃ铝 —Ｌｉ—Ｓｃ系，④热处理强化中强和高强度Ａｌ—Ｃｕ— 合金中，当Ｓｃ含量为０．５％～０．６％时，Ｓｃ在Ａｌ中 ｂ—Ｓｃ系，⑤热处理强化高强度Ａ１一Ｚｎ—Ｍｇ—Ｃｕ 的固溶度为０．２７％，６５５℃时发生共晶反应（Ｌ—Ａｌ —Ｓｃ系。开发的所有的含Ｓｃ铝合金的强度都比未 十Ａｌ Ｓｃ）；凝固结晶时，溶解度急剧降低，从而析出 添加Ｓｃ元素的有明显的提高，同时具有很好的焊接 性能。其产品主要瞄准航天、航空、舰船的焊接荷重 高度弥散的 Ｓｃ共格沉淀相。Ａｌ Ｓｃ相Ａｌ基体母 结构件，以及碱性介质环境用的铝合金管材和铁路 相共格，对位错及亚晶有极大钉扎作用，阻止和抑制 油罐、高速列车中的关键结构件等。俄罗斯生产的 晶粒长大，促进晶粒细化。在较高温度退火时仍可 含钪１４２１铝锂合金优于美国生产的铝钪合金，率先 保持共格，因此合金的再结晶温度大大升高。这一 在米格２９型战斗机与导弹的导向尾翼上获得应用。 现象是含Ｓｃ铝合金独具的一大特点。 除了俄罗斯在Ａｌ—Ｓｃ合金研究上取得了很大 研究表明，含Ｓｃ铝合金中再加入少量Ｚｒ等过 进展之外，美国在这方面也取得了一些成果。美国 渡族元素，可细化Ａｌ Ｓｃ相、增加密度，形成与Ａｌ基 航天局兰利研究中心开发的牌号为Ｃ５５７的三元Ａｌ 体共格的复杂三元化合物Ａｌ （Ｓｃ，Ｚｒ）。这种三元化 收稿日期：２００６一ｌ２一ｌ２ 作者简介：孙全喜（１９６６一），男，工程师。 ・１０７・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 总第１４０期 合物比 ｓｃ二元化合物更加细小，密度大，弥散度 高，分布更均匀，能有效阻止位错迁移及亚晶的形 成、长大与合并，抑制沿晶断裂倾向。因晶粒更细 小，使再结晶温度进一步提高。因此，含Ｓｃ铝合金 有较高的高温强韧性、耐热性、热稳定性、抗疲劳强 度、断裂韧性等宝贵特性。表１、表２为国外含ｓｃ 铝合金与不含Ｓｃ铝合金的力学性能对比；表３为加 入不同ＲＥ元素对铝合金力学性能的影响；表４为 ｓｃ含量对铝合金再结晶温度的影响。 表１ Ａ１一Ｍｇ—Ｓｃ合金与Ａ１一Ｍｇ合金力学 性能对比（退火状态） 合金系合金牌号 合金元素及平均质量分效％ ￣／ＭＰａ棚．２『ＭＰａ ％ 表２ 一Ｚｎ—Ｍｇ合金与 一Ｚｎ—Ｓｃ合金 挤压材力学性能对比（淬火＋自然时效６０天） 合金系 合金元素及平均质量分数％ ｃ￣／ＭＰａ ２／Ｍ）ａ ％ Ｍｇ ｌＡ一４．９４ 一２．４２Ｍｇ ３６９ ２４９ １９．５ ｌＡ一 一Ｍｇ—Ｓｅ Ａｌ一４．７８Ｚａ一２．１５Ｍｇ—Ｏ．３８ｅｓ ４４０ ３２４ １３．０ 一 一Ｍｇ—ＳｅＡｌ一４．７８Ｚｎ一２．３６Ｍｇ一０．３７Ｍｎ一０．３８ｅＳ ４８４ ３４３ １３．０ 表３ Ａ１一Ｚｎ—Ｍｇ－Ｍｎ—Ｚｒ—Ｃｒ合金加入ＲＥ元素力学性能对比 表４ Ｓｃ含量对Ａ１—６．５Ｍｇ合金再结晶温度的影响 ｓｃ的质量分数，％ 荨苎 ３ Ａ１一Ｓｃ系合金在推广应用中存在的问题 目前国内国外实现Ａｌ—ｓｃ合金的大规模应用 都还存在一定的障碍：一是ｓｃ的资源稀散，另一个 是ｓｃ的价格昂贵。 其实ｓｃ在地壳中的含量并不少，相当于常见金 属Ｚｎ的十分之一，与Ｃｏ相当，比ｗ还多，只是由于 分布过分散，才显得稀缺。另外，由于目前ｓｃ的应 用较少，也使得人们对其资源的调查工作相对较为 落后。目前，我国主要是从酸性生产钛白的废液和 ・１０８・ 内蒙古科技与经济 氧化钛氯化的烟尘以及炼钨废渣提取Ｓｃ。经估算 即使上述资源全部加以利用，每年也只能生产不足 １０Ｔ氧化钪。显然这样一个资源量很难支撑Ｓｃ的 大规模应用。随着Ｓｃ的应用领域扩展以及对Ｓｃ的 需求增加，相信会有可提供ｓｃ的新的资源被发现和 利用。 一ｓｃ合金应用的另一大障碍是ｓｃ的价格昂 贵。据文献报道，２０世纪９０年代初，国际市场上氧 化钪（９９．９９％）价格最高时为每公斤１．８万美元，金 属ｓｃ（９９．９９％）价格高达每公斤７．５万美元。在近 几年其价格已大幅下跌，国内３Ｎ级氧化钪（９９．９％ 已降至每公斤１万元以下，金属Ｓｃ价格为每公斤５ ～１０万元， 一ｓｃ合金（含ｓｃ量为２％）每公斤７００ 元左右。但这样的价格依然很高，使ｓｃ的应用开发 十分缓慢。据有关人士分析，国内只有将ＡＩ—Ｓｃ合 金的价格降到每公斤４００元左右才能推广使用。我 国ｓｃ资源丰富，是氧化钪初级产品的主要输出国， 但 一ｓｃ中间合金制备技术落后，生产成本高， 重制约了含Ｓｃ铝合金的开发。 、 ４发展前景分析 近年来，由于钪的供应渠道畅通，钪价已呈下跌 态势，而且钪在铝合金中的用量极少，因此，在保障 合金的强度、塑性、可焊性、耐蚀性提高的前提下，成 本已不再是铝钪合金走向民用的重要障碍。美国多 家公司已开发出用于运动器械如长曲棍球杆的手 柄、棒球、垒球棒等高强度轻质铝钪合金。此外，美 国还开发出了能提高焊接强度、抗疲劳性能较普通 铝合金焊丝提高三倍并减少热裂和热撕裂的铝钪合 金焊丝。这种焊丝作为熔敷金属在某些铝合金工件 和铸件的焊接中有相当广泛的应用前景。成本的下 降、铝钪焊丝的加盟，使强度已越过６５０ＭＰａ、塑性 与可焊性俱佳的铝钪合金成为制造轻量化自行车的 理想材料。 此外，铝钪合金在一些要求质量轻、强度高的领 域也有广泛的应用前景。如野外露营帐篷支架、笔 记本电脑外壳和手机外壳，甚至手等器械的身 和子弹头也都是扩大应用开发的领域。 ５结束语 我国拥有丰富的钪资源，近年来已超过俄罗斯、 乌克兰，美国成为钪产品的最大供应国。同时，我国 又是产铝大国、自行车生锄王国。仅就开发铝钪合 金的原料及所拥有的自行车市场而言，拥有其他国 无法替代的竞争优势。在应用产品开发技术方面， 我国起步虽然不迟，但发展缓慢。从中近期的目标 来看，釉轻量化、节约能源、降低材料消耗、有益环保 为主要特点的铝钪合金的研究和开发，对发展我国 的航空航天产业以及陆运、海运交通５１２具将大有裨 益。 ［参考文献］ 郭旭涛，等．稀土在铝、镁合金中的应用［Ｊ］．材 料工程，２００４，（８）：６０～６４． 林肇琦，新一代铝合金一铝钪合金的发展概况 ［Ｊ］．材料导报，１９９２，（３）：１０～１６． 杨志强，等．俄罗斯铝一钪合金的研究与开发 ［Ｊ］．轻合金加工技术，２００３，３１（１１）：３４～３６． 林肇琦，等．铝一钪合金的发展概况［Ｊ］．轻金 属，１９９２，（１）：５３～５６． 林肇琦，等．铝一钪合金的发展概况［Ｊ］．轻金 属，１９９２，（１）：５４～５６． 李汉广，等．含钪铝合金的开发应用前景［Ｊ］． 铝加工，１９９６，（１）：４５～４８． 柏振海，等．钪在铝合金中的作用［Ｊ］．材料导 报，２００３，（７）：６～８． 杨遇春，等．大有作为的含钪铝合金［Ｊ］．金属 世界，２００４（１）：３５～３７．
