含Sc鋁合金的應用研究新進展與前景展望

張思平

（西南鋁業（集團）有限責任公司，重慶401326）

0 前言

鈧（Sc）的密度低，在鋁及鋁合金中同時具有過渡族金屬和稀土金屬這兩類金屬的作用，但效果卻遠比這兩類金屬對鋁合金的影響大。含Sc鋁合金強度高、熱穩定性好，有強烈的時效硬化效應，是發展高強度、高耐熱性和高抗蝕性結構鋁合金的一種高效的微量添加元素[1]。在鋁合金中添加微量Sc（0.07%～0.35%）元素，形成A13Sc為強化相的A1-Sc合金或含Sc鋁合金。鋁鈧合金具有高強度、塑性好、耐蝕性等優異性能，開發出一系列航空航天、軍工、核能等尖端領域的超高強高韌合金、耐蝕合金、高強抗中子輻照合金等，具有廣泛的應用發展前景。目前為止，Sc是人們發現的對鋁合金改性效果最顯著的稀土元素。

目前，含Sc鋁合金受到了材料界的廣泛重視，俄羅斯、烏克蘭以及美、日、加拿大等國家在研究開發鋁鈧合金方面不斷取得新進展，形成了包括 Al-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-Sc、Al-Mg-Li-Sc、Al-Cu-Li-Sc、Al-Zn-Mg-Cu-Sc等合金系列的含鈧鋁合金，并已在航空航天、體育器械、輕量化自行車等領域獲得廣泛的應用[2]。我國對鋁鈧合金的研究開發尚處于預研和初步應用研究階段，西南鋁、東北輕、中南大學、重慶大學、東北大學等單位開展了這方面的工作。東北大學用連續鑄擠法生產了少量小規格的Al-Mg-Sc合金材料，并獲得少量應用，但未形成批量生產與較大規模應用。西南鋁工業化生產了含Sc的鋁鋰合金、Al-Mg-Sc合金及含Sc的可陽極氧化的手機殼體用鑄造鋁合金。

研究結果表明，添加微量鈧有希望在現有鋁合金的基礎上開發出一系列新一代鋁合金材料，如超高強高韌鋁合金、新型高強耐蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強度抗中子輻照用鋁合金等，在航天、航空、船舶、核反應堆以及輕型汽車、輕量化自行車、體育器械、3C電子鋁材和高速列車等方面具有非常誘人的開發前景。

1 國外應用研究的最新進展

1.1 熱處理不可強化可焊性高的Al-Mg-Sc系合金

俄羅斯聯合鋁業公司（RUSAL）研制開發的含小于0.14%Sc的Al-Mg系合金是新一代的Al-Mg-Sc合金。該合金系列具有如下優點：（1）成本低較。它的Sc含量＜0.14%，有利于降低成本；（2）力學性能高。含微量Sc的Al-Mg系合金的抗拉強度（UTS）比5083合金的高30%以上，而其屈服強度則比5083合金的大一倍以上，焊縫抗拉強度也比5083的大25%左右，但其伸長率則比5083合金低4%左右；（3）良好的可焊性。Al-Mg-Sc合金的可焊性能與常規5×××系合金的相當，熱影響區與焊縫的力學性能幾乎與基體材料的相當。鈧可在合金內形成多邊形化合物，有很強的晶粒細化作用，對提高力學性能極為有利；（4）高的抗腐蝕性能。Al-Mg-Sc合金的抗腐蝕性能幾乎與5083合金的相當，其薄板試樣在3%NaCl+1%HCl溶液中浸泡24h后仍完好如初，沒有發生點腐蝕。

俄羅斯牌號為01570的A1-Mg-Sc系合金，其屈服強度由未添加Sc之前的180 MPa提升至300 MPa，塑性未降低，耐腐蝕性提高[3]。

表1 俄羅斯Al-Mg-Sc合金的化學成分及典型性能

按美國鋁業協會的標準，愛勵鋁業公司生產的AA5024-H116鋁-鈧合金的注冊成分為（質量分數，%）：Si0.25，Fe0.40，Cu0.20，Mn.20，Mg3.9～5.1， Cr0.1， Zn0.25， Ti0.2， Zr0.03～0.2， Sc0.10～0.40，其他雜質單個0.05、總計0.15，其余Al。

愛勵鋁業公司德國科布倫茨軋制廠（Aleris Aluminium Koblenz GmbH）生產的AA5024-116鋁-鈧合金板材已用于制造飛機機身與航天器結構零件。所有的零件都可以用激光束焊接（LBW）或摩擦攪拌焊（FSW）法連接。機身零件不管是單式還是復式的，彎曲都可以通過高溫蠕變成形生產，用此法生產的工件不會產生歪曲也不會產生回彈，可以保持尺寸精準，有高的成本競爭力，同時還可以采用傳統的鉚接。

AA5024-H116合金板材的典型厚度為1.6～8.0mm，在O狀態下交貨，也可以生產其他規格的。由于合金的密度低，又有中等的力學強度、高的抗腐蝕性能和嚴格的尺寸公差，可取代2×××合金作為機身蒙皮材料即板材。它的優點是：低的密度，2650kg/m3；良好的可焊性；優秀的損傷容限；良好的抗腐蝕性；不凡的蠕變成形；相當高的熱穩定性；可回收性好。AA5024-H116合金的正彈性模量E=72GN/m2，壓縮彈性模量G=74GN/m2，典型力學性能見表2[4]。

表2 AA5024-H116合金板材的典型力學性能

抗腐蝕試驗結果：硝酸質量損失試驗（NAMLT），按ASTM G67-04，要求＜15mg/cm2，實測值＜6mg/cm2；按ASTM G44-99試驗做SCC試驗時，在應力250N/mm作用下30d未見裂紋；做成品腐蝕試驗時（ASSET），按ASTM G66-99，要求等級優于或等于PC，實測典型值為PA。

AA5024-H116合金板材已通過AMS、MMPDS、空客公司AIMS 03-04-055的認證。

1.2 Al-Zn-Mg-Sc系和Al-Zn-Mg-Cu-Sc系合金

俄羅斯最新開發的Al-Zn-Mg-Sc系合金，其牌號為01970及01975，其成分為：4.5%～5.5%Zn、2%Mg、Zn/Mg=2.6、0.3%～1.0%Cu、0.3%～0.35%(Sc+Zr）。具有很高的力學性能，T6材料的抗拉強度Rm=530N/mm2，伸長率A=8%，有高的抗剝落腐蝕能力與良好的可焊性與超塑性。

Al-Zn-Mg-Cu-Sc系合金是目前有商業價值的強度最高的合金，抗拉強度Rm可超過800N/mm2。俄羅斯、烏克蘭和美國賴特-帕特森空軍研究實驗室的研究表明，向Al-Zn-Mg-Cu系合金添加少量Sc和Zr，Zn的含量可以超過一般不大于7%的上限，從而大幅度提高7×××系合金的各項性能。

1.3 Al-Mg-Li-Sc系合金和Al-Cu-Li-Sc系合金

俄羅斯最新開發的Al-Mg-Li-Sc系合金，其牌號為01421及01423合金，是在Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr合金基礎上研制開發的新合金，有高的力學性能和低的密度（2500kg/m3），在高強度鋁合金中是密度最低的。01421合金的力學性能：抗拉強度Rm=530N/mm2，屈服強度Rp0.2=380N/mm2，伸長率A=6%。

俄羅斯最新開發的Al-Cu-Li-Sc合金，其牌號為01460及01464合金。01460合金的化學成分：Al-3Cu-2Li-（0.2～0.3）（Sc+Zr）。T4材料的力學性能如下：抗拉強度Rm=550N/mm2，屈服強度Rp0.2=490N/mm2，有良好的可焊性能和低溫性能。在液氫溫度下的上述力學性能分別上升到680N/mm2、560N/mm2和10%，俄羅斯已用它制造火箭低溫燃料箱。01464合金是01460合金的發展，經形變熱處理后具有高的強度、塑性、抗蝕性、可焊性、抗沖擊性和抗裂性，而且有良好的熱穩定性，板材的抗拉強度Rm=560N/mm2，屈服強度Rp0.2=520N/mm2，伸長率A=9%，可用于制造在120℃長期工作的結構件。

2 國內應用研究的最新進展

國內的高校、科研院所及部分企業，對含Sc鋁合金的作用和機理進行了研究，其研究內容主要集中在含Sc鋁合金的強化機理、晶粒細化、腐蝕性能及焊接性能等方面，對Al-Mg-Sc、Al-Zn-Mg-（Cu）-Sc、Al-Mg-Si-Sc、含Sc鋁鋰合金及含Sc鑄造鋁合金等均有較深入的研究[5～7]。但總體來說，大多是跟蹤、仿制型的研究，還沒有形成規模化和商業化的生產應用。

杜剛等[8]采用掃描電子顯微鏡和電子探針研究液態金屬的冷卻速率對A1-6Mg-0.2Sc-0.15Zr合金中初生相的結構、形貌及成分的影響。結果表明：在較低的冷卻速率下（隨爐冷卻），液態金屬中析出的初生相為Ll2結構的Al3（Sc，Zr）相和D023結構的Al3（Sc，Zr） 相。初生Al3（Sc，Zr） 相為Zr溶解在A13Sc相中的固溶體，具有復雜的形貌和較高的體秘分數；當冷卻速率較大時（鋼模具冷卻）D023結構的Al3（Sc，Zr）相的析出受到抑制而形成Ll2結構的 Al3（Sc，Zr） 相或亞穩態的 Al3（Sc，Zr）相；當冷卻速率足夠大時（銅模具冷卻），α（A1）基體在較高的過冷度下快速結晶，初生相的形成完全受到抑制。肖代紅[9]等研究了淬火工藝對含3%Sc的AA7150鍛造鋁合金性能的影響。結果表明：鋁合金在空氣中自然冷卻時，T6時效態合金的抗拉強度與抗剝落腐蝕性能嚴重降低；而室溫水淬的T6時效態合金比室溫油淬的T6時效態合金具有更好的塑性。當預先采用（80℃，30 s）水淬或（80℃，30s）油淬再15℃水淬時，T6時效態合金的抗拉強度明顯得到提高，且抗剝落腐蝕性能也得到了改善。預先80℃淬火能提高T6時效態合金性能的主要原因是時效態合金晶界析出相的尺寸與離散度明顯增大。

重慶大學賈志宏教授帶領的鋁合金新材料研發團隊，采用低頻電磁鑄造技術制備了含Sc的Al-Zn-Mg-Cu合金[10]。在Al-Zn-Mg-Cu合金中復合添加微量的Sc、Zr，在均勻化熱處理過程中會析出均勻、細小、彌散的次生Al3（Sc，Zr）相粒子，這些粒子與α（Al）基體共格，可以強烈釘扎位錯和亞晶界，阻礙晶界的遷移和亞晶粒的長大，有效抑制合金的再結晶行為，提高合金再結晶溫度。次生Al3（Sc，Zr）相粒子與合金中的位錯有著強烈的交互作用，位錯在切過或繞過該粒子時必須要消耗額外的能量，提高了合金的強度。

李燦等[11]研究了Sc、Zr復合微合金化對6082鋁合金組織和力學性能的影響。研究表明，在6082鋁合金中復合添加Sc和Zr元素，使合金的微觀組織得到改善，能有效地細化鑄態合金的晶粒，粗大的枝晶網胞的尺寸減小，且晶粒細小、均勻；合金力學性能有很大程度的提高，鑄態抗拉強度可達到213.14MPa，與未添加Sc和Zr元素合金的強度相比提高了17%；相較于未添加Sc和Zr元素的6082鋁合金，6082-0.1Sc-0.1Zr合金的拉伸斷口呈現的韌窩數量顯著增多，且分布較為均勻，合金的塑性得到提高。

方正等[12]研究了快速凝固A1-Ti-B-Sc對A356.2鋁合金的晶粒細化作用。快速凝固A1-Ti-B-Sc細化劑能明顯細化合金晶粒，經快速凝固處理的A1-Ti-B-Sc細化劑的細化效果要優于未處理的普通鑄態的A1-Ti-B-Sc；而對于相同狀態的細化劑，細化劑中鈧的含量越高，細化效果越顯著。鈧元素在鋁合金中可形成Al3Sc相，可增加鋁合金非均勻形核的質點，起到很好的細化晶粒作用；同時，鈧元素還可以細化A1-Ti-B中的Al3Ti、TiB2等微粒，使其發揮更好的細化效果。鈧元素的加入和快速凝固技術的使用都會促進細化劑對A356.2鋁合金的細化效果，快速凝固A1-Ti-B-0.5%Sc的細化效果最佳；當A356.2鋁合金中加入0.2%快速凝固A1-Ti-B-0.5%Sc時，平均晶粒尺寸可由124.5μm細化至25.7μm，A356.2鋁合金的硬度可由HV75增長至HV 96。

近些年，西南鋁開展了含Sc鋁鋰合金、含Sc鋁鎂合金5A70合金和5D70合金板材的研究。研究了Sc、Zr復合添加對鋁鋰合金、鋁鎂合金力學性能、高溫性能、斷裂韌性及焊接性能的影響，開展了工業化大規格含Sc鋁鋰合金、5A70合金和5D70合金熔鑄及板材生產加工技術的研究，制定了5A70合金和5D70合金熔煉鑄造、均勻化熱處理、軋制加工等大生產加工工藝[13]。同時，西南鋁研究了復合添加Ti、Zr、Sc微合金化對5A06、5A02合金擠壓棒材粗晶組織的影響。結果表明：5A06合金擠壓時主要以動態再結晶為主，粗晶組織主要是在擠壓生產過程中產生的。單獨增加Ti的含量，或者添加Ti、Zr元素，對抑制和消除合金擠壓棒材粗晶組織的效果不明顯；采用微量合金元素Ti、Zr、Sc共同復合，充分發揮合金元素Ti、Zr、Sc復合微合金化抑制合金再結晶的作用，可有效抑制合金擠壓棒材粗晶組織的形成，在工業化生產中，成功地消除了5A06、5A02合金擠壓棒材的粗晶組織缺陷，實現了市場化應用[14]。

為提高5052合金板材的力學性能和沖壓成型性能，西南鋁研究開發了含Sc的5052合金，生產了規格為0.5mm×1200mm×2000mm和1.0mm×1200mm×2000mm含Sc的5052合金板材，目前已成功應用于磁懸浮列車車體上。

為適應3C鋁合金市場應用的需求，西南鋁研究開發了含Sc的高表面手機殼體K56S鑄造鋁合金，經壓鑄成型后的K56S鋁合金手機殼體，可直接陽極氧化，沒有黑點、黑線和材料紋等缺陷，實現了小批量合金鋁材的市場化應用。

3 含Sc鋁合金應用研究前景展望

3.1 含鈧鋁合金應用的主要障礙

金屬Sc雖然有較好的應用前景，但含鈧鋁合金發展的障礙主要是Al-Sc中間合金價格昂貴。以向鋁合金中加入0.2%的Sc元素為例，Al-Sc中間合金中Sc含量2%，則1t變形鋁合金需使用Al-Sc中間合金重量1t×0.2/2=0.1t，Al-2%Sc中間合金單價500元/kg，則1t鋁合金（含0.2%Sc）需增加原材料費用5萬元，而同期純鋁錠價格僅為每噸1.3萬元左右。如果將來Al-2%Sc成本降低3/4，則1t變形鋁合金需增加原材料費用1.75萬元。Al-2%Sc中間合金的高應用成本，嚴重制約了含Sc鋁合金的市場化商業應用。

3.2 降低鋁基含鈧中間合金制備成本的途徑

降低Al-Sc中間合金制備成本，可極大地推動含Sc鋁合金的商業化應用，包括變形鋁合金和鑄造鋁合金。（1） 不對Sc進行高度提純而是直接利用。Sc在鋁合金中應用，其含量大多在0.3%以下，只要其氧化物中鈧與鐵、硅等有害雜質比達到50甚至30，就可使帶入合金的有害雜質控制在0.01%以下，可以滿足合金應用需要。因此，只要得到純度在90%以上的氧化物，就可以滿足生產含Sc鋁合金的需要；（2）直接電解含Sc的鋁基合金。除了Sc資源稀散和價格昂貴的外在因素外，Al-Sc合金本身研究也存在著一定的問題。我國Sc資源豐富，是氧化鈧初級產品的主要輸出國，但Al-Sc中間合金制備技術落后，生產成本高，嚴重制約了Al-Sc的發展。突破Al-Sc中間合金制備技術瓶頸，降低其生產制造成本，有望在高端鋁合金產品上獲得更為廣泛的應用；（3）研制開發Al-Sc-Zr、Al-Sc-Ti等復合中間合金。鈧的生產主要從含鈧的鈦白廢酸中和鋯、鎢等廢水、廢渣中提取回收。Zr、Ti是工業上變形鋁合金常用的微合金化元素。研究表明，復合添加Sc和Zr、Ti微量合金元素，鋁合金晶粒明顯細化，合金的室溫、高溫強度及韌性性能，均可獲得明顯的強化和提升。因此，研制開發Al-Sc-Zr、Al-Sc-Ti中間合金，減少Sc元素的多次分離和提純工序，能大幅降低含Sc鋁基合金的生產成本，有效降低含Sc中間合金的價格。

通過鋁基含Sc中間合金的研制與開發，研發含Sc合金的新型制備技術，使含Sc中間合金價格降至每公斤200元人民幣以下，稀土元素Sc在鑄造鋁合金和變形鋁合金中的應用將十分廣闊。

3.3 含鈧鋁合金的應用研究前景展望

通過添加微量Sc這一途徑，有希望在現有鋁合金的基礎上開發出一系列的新一代高性能鋁合金材料，諸如超高強高韌鋁合金、高強耐蝕鋁合金、高強度抗中子輻照用鋁合金和高表面高硬度鋁合金等。這些合金以其優異的綜合性能，在航天、核能和艦船工業上將具有非常誘人的應用前景，另外也可用于汽車和高速列車輕量化等方面。因此，含鈧鋁合金目前已成為繼Al-Li合金之后引人注目的、最有競爭力的高性能鋁合金材料。

3.3.1 在航天航空和國防中的應用前景

含鈧鋁合金在艦船、航天航空工業、火箭導彈、核能等高新尖技術部門的應用前景十分廣闊。前蘇聯通過近十年的研發，使Al-Sc合金在低密度和高強度方面優于Al-Mg和Al-Li等航空合金，并于70年代末首次用于米格（MIG） 29戰斗機和導彈的導向尾翼上。美國空軍研究實驗室與烏克蘭材料科學研究所開展了用鈧改性Al-Zn-Mg-Cu合金低溫力學性質的研究，表明添加0.49%Sc，在T6熱處理制度下形成了含初始Al（Sc、Zr） 顆粒的細化而均勻的顯微組織。再經熱擠壓和固溶處理，即形成室溫屈服強度、極限拉伸強度分別高達790MPa和820MPa，室溫延伸率5%～8%的強度與塑性大幅度提高的新型鋁合金。就強度而言達到了與中等強度鈦合金如Ti-5Al-2.5Sn（我國牌號為TA7） 相抗衡的程度。鑒于鈦的密度為鋁的1.5～1.7倍，從而開啟了用鋁代鈦的可能性。

目前，一些用鈧改性的鋁合金已在軍用和商業航空航天應用中使用，如飛機的艙壁、熱屏蔽、翼梁、上部蒙皮用的薄板等。機座導軌、各種旋轉輪和運動齒輪可用的鍛件和擠壓件、燃料和排放系統都已啟用含鈧鋁合金，它們在航空航天部門的應用潛力是巨大的。

3.3.2 高性能及輕量化含鈧改性鋁合金的應用前景

由于含鈧鋁合金具有比普通鋁合金更高的強度、足夠的延展性及上佳的可焊性，對于要求輕量化且用量不大的民用產品而言，含Sc鋁合金已成為極具吸引力的時尚和前衛十足的新材料。復合添加Sc、Zr、Ti等微量元素，減少和降低鈧在鋁合金中的用量，充分挖掘和發揮Sc元素的變質細化作用，使Al-Sc合金的成本不再是走向民用的重要障礙。

（1）高附加值的高強度含Sc鋁合金運動器械。目前，已開發出的高強度、輕質含Sc鋁合金運動器械，如長曲棍球桿手柄、棒球棒、壘球棒和野外露營支持帳篷支架等含鈧鋁合金。由于球棒質輕、剛度高，球棒的市場售價為300美元/根，具有很高的附加值和經濟效益。

目前，由于含Sc鋁合金的高強度和優良的焊接性能，該合金已用于制造山地車和公路自行車的車架及零配件。和最熱銷的鋁自行車比，車架重量減輕了12%，屈服強度提高了50%，疲勞壽命延長了24%。伊斯頓（Easton）自行車產品集團的美國公司已將這種新材料用于車架、輪圈、前叉用鋁合金管的制造。該公司已將車架的重量減輕到只有1kg左右。此外，我國臺灣的穗高工業公司也積極參與了含鈧鋁合金在自行車上的應用開發。在2003年該公司就已接到歐洲市場5萬臺含Sc鋁合金自行車的訂單，每臺單價高達8000新臺幣（合人民幣2000元），大幅度提高了產品的附加值。

（2）高表面、高強度、輕質含Sc鋁合金電子材料。采用Sc元素改性常用的鋁合金，發揮含Sc鋁合金強度與韌性及焊接性能的良好配合優勢，由常用鋁合金結構材料向高附加值材料轉型。如筆記本電腦、高端智能手機殼體材料等3 C電子電信產品等，也都開始使用這種改性后的含Sc鋁合金新材料。用含鈧鋁合金薄板經沖壓制造的電腦機殼，制造程序簡單（鎂合金機殼要經過壓鑄、精整等多道工序，且成品率低），目前已開始應用于手機殼體。

（3）交通運輸輕量化含Sc鋁合金材料。汽車輕量化向全鋁車過渡的過程中，將涉及大量鋁零部件的焊接，而含鈧鋁合金焊料在解決鋁件的焊接難題方面將開辟一個大的市場。目前，開發的鈧鋁合金焊絲，可將鋁合金的焊接強度、抗疲勞性能提高3倍，并減少熱開裂。塑性與可焊性俱佳的含鈧鋁合金成為制造輕量化汽車、軌道交通車輛的理想材料，Al-Mg-Zn-Sc等5系焊料合金在運輸業輕量化中將大有作為。

4 結束語

我國鈧資源豐富，鈧的研究和工業生產也有一定的基礎。目前，我國含鈧鋁合金的研究工作大多局限于變形鋁合金方面，關于鈧在鑄造鋁合金中的作用研究較少。突破含Sc中間合金生產技術瓶頸，降低含Sc中間合金的生產制備成本和使用價格，系統、深入地研究Sc在鑄造鋁合金中的變質、細化、改性等作用；進一步研究和開發含Sc系列的變形鋁合金，充分挖掘鋁合金的潛能，發展我國具有自主知識產權的高新技術和國防建設用高性能鋁合金材料，充分發揮我國的鈧資源優勢，推動國民經濟和科技的發展，具有重大的現實意義。