Al-Sc合金中Al_3Sc析出相的研究进展

含Sc铝合金具有的优异性能与A l3Sc析出相紧密相关。本文从A l3Sc的微观结构、热力学性能、析出动力学、Sc与其它元素的交互作用等方面进行了综述,并介绍了用Er取代价格昂贵的Sc,形成A l3Er析出相的作用。

Al-Sc合金的现状与开发前景

介绍了Al-Sc合金的发展现状及其推广应用存在的问题;展望了它的发展前景。用连续铸挤机开发出Al-Sc合金、Al-Mg-Sc合金管、棒、型、线材的连续铸挤成形技术。

二元Al-Sc合金的屈服强度与微观组织演变

采用力学性能测试和透射电镜显微组织分析研究退火工艺对Al-0.1%Sc(质量分数)合金屈服强度与显微组织演变的影响。研究表明,在退火过程中从过饱和固溶体内析出的均匀细小的可抑制Al-Sc合金再结晶和阻碍位错运动的Al3Sc颗粒的尺度与退火时间的立方根呈线性关系,服从Lifshitz-Slyozov-Wagner(LSW)模型。但随着退火温度的升高,Al3Sc颗粒的尺寸下降,与早期的研究结果相反。由于温度降低,Sc的过饱和度升高,Al3Sc的形核驱动力增大,在一定的退火时间下降低退火温度可导致Al3Sc颗粒的体积分数和Al-Sc合金的屈服强度增加。

KF-AlF_3-Sc_2O_3熔盐体系下沉阴极法制备Al-Sc合金的实验研究

在KF-AlF_3-Sc_2O_3熔盐体系中,研究下沉阴极法制备Al-Sc合金的工艺技术。采用XRD、SEM分析了所制备Al-Sc合金的物相组成、微观组织以及微区成分含量;研究了电解温度、阴极电流密度、熔盐组成对熔盐电解电流效率的影响。实验结果表明,Al-Sc合金中含有Al相、Sc相以及Al_3Sc相;Al-Sc合金夹杂了少量熔盐,Al_3Sc相在合金中的分布和形态呈不规则状。电解过程的最佳工艺条件为:在KF-AlF_3-Sc_2O_3熔盐体系中,液态铝为下沉阴极,Sc_2O_3为电解质,熔盐体系KF/AlF_3摩尔比1.3,电解温度800℃,电解时间25min,电流密度1.592A/cm^2;此条件下所制备Al-Sc合金中Sc含量最高可达6.710%,平均电流效率达到57.28%。

EDTA容量法直接测定Al-Sc合金中的Sc

Al-Sc合金试样用盐酸溶解，用氨水及盐酸调pH值至2．5，用抗坏血酸还原铁，以二甲酚橙为指示剂，用EDTA滴定钪。该方法适用于含Sc 1％-20％的Al-Sc合金，简单、快速、准确。

温轧态Al-Sc二元合金的再结晶

研究了一种温轧态 Al-Sc 二元合金的再结晶温度、ScAl_3 相对合金再结晶的影响以及再结晶的形核机制。结果表明:温轧态 Al-Sc 二元合金的再结晶起始温度为 350℃,终了温度为510℃;细小,弥散的ScAl_3对位错的钉扎作用是合金再结晶温度高的原因;再结晶过程为亚晶聚合及亚晶长大形核机制的双重作用。

Al-Sc合金相结构的第一原理研究

采用第一原理赝势平面波方法计算了Al-Sc合金固溶体、有序相和无序相结构对应的形成焓.在无序合金的电子结构研究中,引入了可以描述无序合金结构环境的小尺寸超单胞模型——SQS模型.计算结果表明:超饱和固溶体中的Sc原子具有偏聚产生L1_2结构的Al_3Sc析出相和L1_0结构的AlSc析出相的趋势.依据对各相的电子结构及电子密度分析结果,初步探讨了时效处理导致超饱和固溶体Al(Sc)中偏聚产生L1_2结构Al_3Sc析出相的形成机理.

铝热还原制备Al-Sc合金的热力学调控

通过热力学分析,建立了1223 K下传统Al热还原Sc2O3制备Al-Sc合金反应平衡的热力学模型。结果表明,对于传统Al热还原法, Sc收率随合金的Sc浓度升高而降低。通过传统Al热还原方法制备了不同Sc浓度的合金,验证了模型的可用性。为提高Sc回收率,在传统Al热还原法之基础上提出分段逆流Al热还原制备Al-Sc合金的方法,并建立了1223 K温度下分三段情况下各段反应的热力学模型。结果表明,通过对各段反应的热力学调控,能保证最终制备出高含Sc量合金的同时提高Sc2O3原料利用率。通过分段逆流热还原法制备了Sc浓度2%(质量分数)左右的Al-Sc合金,综合Sc收率达到90%以上。

变形及热处理对Al-Sc二元合金力学性能与导电性能的影响

研究了Al-x Sc(x=0、0.10%、0.45%、0.70%)合金在挤压变形、拉拔变形和热处理过程中的力学性能和导电性能的变化。结果表明,铸态Al-Sc二元合金的强度都随Sc含量的增加而增加,而电导率逐渐降低。挤压变形后,Al-Sc合金的晶粒均有所细化,屈服和抗拉强度大幅提升,塑性略有下降;拉拔变形后,加工硬化使各Al-Sc合金的强度进一步提高,伸长率大幅降至1%左右;经过400℃保温2 min+300℃保温150 min的热处理后,Al-Sc合金的伸长率大幅提升,纯铝和Al-0.1%Sc合金的强度降低,然而添加0.45%和0.70%Sc的合金强度却有所升高,这主要是由于热处理后含Sc第二相析出导致的。两种变形过程对Al-Sc合金电导率的影响很小,热处理可通过分解铝钪固溶体大幅提高Al-Sc合金的电导率。最终制备的Al-0.45%Sc合金屈服强度,伸长率和电导率分别为210 MPa,7.2%,34.8×10^6S/m,兼具良好的力学性能和导电性能。

室温及液氮控温对轧制态Al-Sc合金力学性能及织构的影响

通过显微硬度、拉伸性能测试、显微组织分析、扫描电镜分析以及背散射电子衍射分析,研究了室温与液氮控温80%轧制变形对Al-Sc合金组织及力学性能的影响。结果表明:室温轧制与液氮控温轧制后合金的硬度分别为105 HV0. 3和162 HV0. 3,抗拉强度、屈服强度、伸长率分别为335 MPa、296 MPa、5. 5%和443 MPa、415 MPa、6. 7%;轧制后合金中多为小角度晶界,室温与液氮控温轧制后平均晶粒尺寸分别为40μm和1μm;由于层错能的影响,合金液氮控温轧制之后的主要织构类型为Brass织构{110}<112>、S织构{123}<634>和Copper织构{112}<111>。

NaF-NaCl-KCl熔盐体系中铝热还原法制备Al-Sc合金

在Na F-NaCl-KCl熔盐体系熔融状态下,用铝热法还原氟化钪制备出钪含量2.37%~8.13%的铝钪合金。引入金属间化合物Al3Sc作为生成物对反应式进行修正,热力学计算结果表明,该反应在1033 K温度下可以进行,且反应焓变为负值,反应放热。设计正交实验分别考察保温温度、保温时间与钪投入量三个因素对钪回收率的影响;设计单因素实验考察保温温度对钪回收率的影响。结果显示,在1033 K、钪投入量3%、保温1 h条件下得到最高钪回收率为94.13%。保温温度是钪回收率的主要影响因素,回收率随温度升高先上升后降低。钪投入量是钪回收率的次要影响因素,回收率随投入量增加而降低。保温时间对钪回收率的影响最小,延长保温时间能少量提高回收率,超过1h后回收率不再上升。

Al-Sc中间合金的制备工艺

列举了生产A l-Sc中间合金的各种典型方法,给出了各工艺的技术参数,并比较了各工艺的优缺点。结果表明,采用铝镁热还原法制备A l-Sc中间合金,具有较好的生产应用前景。。

Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体中电解制备Al-Sc中间合金的工艺研究

在Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔盐体系中,采用电解法制备Al-Sc中间合金,研究了阴极电流密度、电解时间、氧化铝及氧化钪加入量对电流效率的影响,并采用XRD和SEM对阴极析出产物进行了微观分析。结果表明:在电解温度950℃时,Na3AlF6-K3AlF6-AlF3熔体中电解制备Al-Sc中间合金的最佳实验条件为:氧化铝加入量1.0%、氧化钪加入量3.0%、电解时间90 min、阴极电流密度1.5 A/cm^2,在此条件下平均电流效率为82.91%,阴极析出产物呈大小不均的球状颗粒,由Al相和Al3Sc相组成。

铝热还原Sc_2O_3制备Al-Sc中间合金

采用铝热还原法进行了Al-Sc中间合金的制备。实验结果表明:在nNaF.AlF3-KCl-NaCl熔盐体系中,加入适量的ScF3,可以提高Sc2O3在熔盐体系中的溶解度;用液态铝还原Sc2O3制备Al-Sc中间合金,可以提高Al-Sc中间合金中Sc的含量(可达2%,质量分数),并提高Sc的收率和中间合金的质量,降低生产成本,为Al-Sc中间合金的广泛应用创造有利条件。

NaF-NaCl-KCl-ScF_3熔盐体系中铝热还原Sc_2O_3制备Al-Sc中间合金

在NaF-NaCl-KCl-ScF3熔盐体系中,采用铝热还原Sc2O3制备出Sc含量0.85%～4.20%的Al-Sc中间合金。引入金属间化合物Al3Sc作为铝热还原Sc2O3反应的生成物,热力学计算结果表明1 093～1 173K温度范围内反应可自发进行,且为放热反应。用等温饱和法测定Sc2O3在NaF-NaCl-KCl熔盐体系中的溶解度,结果表明,提高温度和NaF含量以及添加ScF3均能提高Sc2O3在熔盐中的溶解度,而添加ScF3的效果最显著。考察温度与ScF3添加量对铝热还原过程中Sc回收率的影响。结果表明,温度升高,Sc回收率先提高后降低,在1 133K时达到最大;ScF3添加量增加,Sc回收率亦先提高后降低,在3%ScF3添加量时取得最大值。在1 133K、3%ScF3添加量、保温1.5h条件下得到的Sc回收率最高可达86.06%。对制备的Al-Sc中间合金进行SEM与EDS分析,结果表明,Al-Sc中间合金中存在Al3Sc颗粒,呈方形或多边形,粒径较小,在基体中分布较分散。

力拓公司将向全球提供Al-Sc中间合金

Al-Sc中间合金(aluminum-scandium master alloy)是制造含钪的铝合金不可或缺的材料,提取纯钪,首先必先制得纯的氧化钪,但制备纯的氧化钪与进而制备纯钪并非易事,工艺复杂,成本较高。

新一代铝合金——铝钪合金的发展概况

Al—Sc合金因具有优异的性能和重要而又广泛的应用领域,近年来在美、日、加等国,特别是前苏联受到高度重视。本文重点介绍钪在国外铝合金中的应用概况,钪对纯铝、Al-Mg、Al-Cu-Mg和Al-Zn-Mg系合金的组织性能的改善作用以及Al-Sc合金的发展前景和存在的问题。

Al—Sc合金热力学性质的研究

以Ｍｉｅｄｅｍｍａ二元合金生成热模型为基础，结合一些基本热力学关系式，利用元素的基本性质计算了１７３３Ｋ下Ａ１－Ｓｃ合金中组元钪的活度及合金的部分热力学函数（Ｈ，Ｇ~Ｅ，Ｓ~Ｅ）．结果表明，在１７３３Ｋ下，溶液中钪的行为相对拉乌尔定律存在较大的负偏差；混合焓，过剩自由能与过剩熵在整个浓度范围内均为负值；混合焓最小值为－１６ｋＪ·ｍｏｌ^(－１)，过剩自由能最小值为－１４．０ｋＪ·ｍｏｌ^(－１)，过剩熵的绝对值较小，接近零．在１７３３Ｋ下，铝钪在全浓度范围内可完全互溶．

微合金化元素Cu/Ti在L1_(2)-Al_(3)Sc/Al界面的偏析行为

L1_(2)-Al_(3)Sc纳米析出相的热稳定性对于Al-Sc合金的耐热性意义重大.不同溶质原子在L1_(2)-Al_(3)Sc界面的偏析行为可能对Al-Sc合金中L1_(2)-Al_(3)Sc析出相的热稳定性造成影响.本文针对过渡族微合金化元素Cu和Ti的L1_(2)-Al_(3)Sc/Al界面偏析,开展第一性原理能量学计算研究.结果表明,Cu和Ti均倾向于以替换方式偏析在界面Al侧,但偏析驱动力和偏析占位有明显差异.在给定温度下,基体浓度对界面偏析量也有重要影响.基体浓度越高,偏析驱动力越大,界面平衡偏析量或最大界面覆盖率越大.温度为600 K、基体原子浓度为1%时,Ti对偏析界面的最大覆盖率可达80%(0.8单原子层),而Cu不超过4%(0.04单原子层).

CaCl_2-LiF体系制备铝钪合金

以氧化钪为原料、液态铝作阴极,在CaCl2-LiF（80%CaCl2-0%LiF）体系中通过熔盐电解制备了铝钪（Al-Sc）合金.实验考查了在800℃的温度条件下,电解时间、反电动势和槽电压的影响.结果表明,氯化钙-氟化锂体系的熔盐电解制备可制备出钪质量分数为2%~6%的铝钪合金.采用XRD、SEM和电子能谱分析等方法对合金样品进行了表征.结果表明,合金中连续相为铝基,间断相为ScAl3.