AlSc2 用途与合成方法
钪(Sc)是一种稀有金属,钪元素具有21个电子,电子排列为1S22S22P63S23P63D14S2, 金属钪的熔点高达1541 ℃ ,密度较低,化学性质较活泼。同时, 钪又是过渡族金属,在铝及铝合金中同时具有过渡族金属和稀土金属这两类金属的作用,但效果却远比这两类金属对铝合金的影响大。所以,金属钪是一种“神奇”的金属。
图1为铝钪合金实物图。 迄今为止,金属钪是人们所发现的对铝合金，最为有效的合金化元素,它对铝合金具有非常神奇的合金化作用,只要在铝中加入千分之几的钪，就对铝合金起强烈的变质作用,使合金的结构和性能发生明显的变化。微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化铝合金的晶粒,抑制合金的再结晶,而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能,甚至增强抗中子辐照损伤性能。 铝钪合金的制备方法根据文献资料,目前国内外铝钪合金的制备方法主要有三种:对掺法、金属热还原法和熔盐电解法。
对掺法是传统的铝钪合金生产方法。将一定比例的金属钪在氩气保护下掺入熔化的铝液中,经保温、充分搅拌,然后铸入模中。该方法可制得含钪1%～4%的中间合金,原理简单,易操作。但由于铝和钪之间金属熔点相差很大。铝为660 ℃ ,而钪为1541 ℃ ,为了得到铝钪合金,铝熔体需要过热到很高的温度。虽然对掺法原理简单,可操作性好,但很难控制合金成分,合金中铝钪均匀分布性较差。而且,用高纯的金属钪来生产铝钪合金,成本比较高。
金属热还原法 其中有三种方法比较受研究者的青睐:氟化钪真空铝热还原法,氧化钪-铝热直接还原法,氯化钪-铝镁热还原法。氟化钪真空铝热还原法是以氟化钪为原料,以活性铝粉为还原剂,在真空下进行还原,还原反应为:ScF3+ Al = Sc+ AlF3：此方法的优点是氟化钪容易制得,而且氟化钪较稳定,不吸水,操作也比较简单。但由于钪溶入液态铝中,随着铝中钪浓度的升高,钪向铝中扩散减慢。所以,钪可能在反应界面上积累,导致合金成分不均匀,需要重熔。这样降低了钪的回收率,大约只有70%左右。同时,生产氟化钪要用到剧毒的氟或者氟化氢,并且,含氟熔盐对反应设备防腐要求比较高。氧化钪-铝热直接还原法是以铝粉还原氧化钪。尽管热力学上计算表明,常压下氧化钪难以被铝还原成金属钪。但事实上:8Al+ Sc2O3= 2ScAl3+ Al2O3；这个反应是可以发生的。并且,选择适当的工艺,可以使还原率接近100%。氧化钪-铝热还原法工艺技术简单,但还没有大规模的实验报道。氯化钪-铝镁热还原法是以氧化钪为原料经过盐酸溶解,生成氯化钪,经蒸发,脱水,变成氯化钪晶体。
熔盐电解法 是在电解槽中生产铝钪合金。以石墨电极为阳极,以氩气保护,电解温度在800～1000 ℃之内,钪在阴极上被还原为金属。其中还原机理有两种:第一是钪的化合物(一般是氧化物)被铝还原成金属钪,构成铝基合金;第二是电解过程中,钪在阴极上析出,构成铝钪合金。虽然从热力学上看,ScCl3比ScF3更容易被还原,但ScCl3易潮解,且所用设备复杂,污染也比较严重。同时,氧化钪在氯盐体系中的溶解度比氟盐体系中的低熔盐电解法生产铝钪合金,尤其是以氧化钪-氟盐体系下生产铝钪合金,其生产方法可借鉴其它铝合金生产工艺。熔盐电解法可以大大降低铝钪合金的生产成本,产出的铝钪合金成分均匀,产量可以控制,有希望实现大规模的批量生产含钪不同的铝钪合金。 含钪的铝合金有诸多的优良性能,使铝钪合金的应用也十分广泛。目前,在船舶,航天工业,火箭,导弹,核能等高新技术领域内有很好的应用。但由于钪是稀有元素,它的价格比较贵,目前的应用主要是在高性能的铝合金上。随着钪生产工艺的不断提高和更多的材料科学的深入研究,我们有理由相信,铝钪合金将有一个很好的发展空间。我国钪的资源十分丰富。但却以氧化钪的初级产品形式出口,严重降低了钪资源的使用价值和经济价值。应加大铝钪合金的研究开发,在熔盐电解法生产铝钪合金上有所突破,使铝钪合金生产上一个新的台阶。 [1]林河成. 铝钪合金材料的生产、应用及市场[J]. 世界有色金属,2011,(12):68-71.
[2]杨少华,邱竹贤,张明杰. 铝钪合金的应用及生产[J]. 轻金属,2006,(04):55-57.
图1为铝钪合金实物图。 迄今为止,金属钪是人们所发现的对铝合金，最为有效的合金化元素,它对铝合金具有非常神奇的合金化作用,只要在铝中加入千分之几的钪，就对铝合金起强烈的变质作用,使合金的结构和性能发生明显的变化。微量钪加入到铝合金中不仅能显著细化铝合金的晶粒,抑制合金的再结晶,而且可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能,甚至增强抗中子辐照损伤性能。 铝钪合金的制备方法根据文献资料,目前国内外铝钪合金的制备方法主要有三种:对掺法、金属热还原法和熔盐电解法。
对掺法是传统的铝钪合金生产方法。将一定比例的金属钪在氩气保护下掺入熔化的铝液中,经保温、充分搅拌,然后铸入模中。该方法可制得含钪1%～4%的中间合金,原理简单,易操作。但由于铝和钪之间金属熔点相差很大。铝为660 ℃ ,而钪为1541 ℃ ,为了得到铝钪合金,铝熔体需要过热到很高的温度。虽然对掺法原理简单,可操作性好,但很难控制合金成分,合金中铝钪均匀分布性较差。而且,用高纯的金属钪来生产铝钪合金,成本比较高。
金属热还原法 其中有三种方法比较受研究者的青睐:氟化钪真空铝热还原法,氧化钪-铝热直接还原法,氯化钪-铝镁热还原法。氟化钪真空铝热还原法是以氟化钪为原料,以活性铝粉为还原剂,在真空下进行还原,还原反应为:ScF3+ Al = Sc+ AlF3：此方法的优点是氟化钪容易制得,而且氟化钪较稳定,不吸水,操作也比较简单。但由于钪溶入液态铝中,随着铝中钪浓度的升高,钪向铝中扩散减慢。所以,钪可能在反应界面上积累,导致合金成分不均匀,需要重熔。这样降低了钪的回收率,大约只有70%左右。同时,生产氟化钪要用到剧毒的氟或者氟化氢,并且,含氟熔盐对反应设备防腐要求比较高。氧化钪-铝热直接还原法是以铝粉还原氧化钪。尽管热力学上计算表明,常压下氧化钪难以被铝还原成金属钪。但事实上:8Al+ Sc2O3= 2ScAl3+ Al2O3；这个反应是可以发生的。并且,选择适当的工艺,可以使还原率接近100%。氧化钪-铝热还原法工艺技术简单,但还没有大规模的实验报道。氯化钪-铝镁热还原法是以氧化钪为原料经过盐酸溶解,生成氯化钪,经蒸发,脱水,变成氯化钪晶体。
熔盐电解法 是在电解槽中生产铝钪合金。以石墨电极为阳极,以氩气保护,电解温度在800～1000 ℃之内,钪在阴极上被还原为金属。其中还原机理有两种:第一是钪的化合物(一般是氧化物)被铝还原成金属钪,构成铝基合金;第二是电解过程中,钪在阴极上析出,构成铝钪合金。虽然从热力学上看,ScCl3比ScF3更容易被还原,但ScCl3易潮解,且所用设备复杂,污染也比较严重。同时,氧化钪在氯盐体系中的溶解度比氟盐体系中的低熔盐电解法生产铝钪合金,尤其是以氧化钪-氟盐体系下生产铝钪合金,其生产方法可借鉴其它铝合金生产工艺。熔盐电解法可以大大降低铝钪合金的生产成本,产出的铝钪合金成分均匀,产量可以控制,有希望实现大规模的批量生产含钪不同的铝钪合金。 含钪的铝合金有诸多的优良性能,使铝钪合金的应用也十分广泛。目前,在船舶,航天工业,火箭,导弹,核能等高新技术领域内有很好的应用。但由于钪是稀有元素,它的价格比较贵,目前的应用主要是在高性能的铝合金上。随着钪生产工艺的不断提高和更多的材料科学的深入研究,我们有理由相信,铝钪合金将有一个很好的发展空间。我国钪的资源十分丰富。但却以氧化钪的初级产品形式出口,严重降低了钪资源的使用价值和经济价值。应加大铝钪合金的研究开发,在熔盐电解法生产铝钪合金上有所突破,使铝钪合金生产上一个新的台阶。 [1]林河成. 铝钪合金材料的生产、应用及市场[J]. 世界有色金属,2011,(12):68-71.
[2]杨少华,邱竹贤,张明杰. 铝钪合金的应用及生产[J]. 轻金属,2006,(04):55-57.
