大有作为的含钪铝合金

大有作为的含钪铝合金
钪极为珍贵，据美国矿务局估计其世界蕴藏量仅为大约７７０ｔ。

工业生产钪的主要原料来源是生产铀、钨、钛的尾矿。

我国钨渣中含钪约０．０２％，攀枝花等地的钛铁矿也是钪的主要来源。

上千万吨待处理的钨渣和年处理２００～３００万ｔ钛铁矿的生产规模，已使我国依托江西、两广等地钨、锡、铁的生产，成为压倒俄罗斯、乌克兰，首屈一指的钪供应和生产大国。

当前俄罗斯利用科拉半岛的磷灰石、哈萨克斯坦利用其含铀矿床、乌克兰依靠日尔梯耶沃达的铁矿与我国形成中、哈、乌、俄分庭抗礼共同生产钪的世界格局。

我国近年来在资源开发与钪的提取方面都取得了突破性进展，日趋成熟的工艺已将我国钪的生产能力提升到超越俄、乌的地位，达到年产数百公斤的水准。

钪的应用大多处于研发阶段，如冶金研究及作分析标准。

其氧化物在氧化锆基陶瓷中用作稳定剂（降低固体氧化物燃料电池的工作温度），在氮化硅陶瓷中用作致密剂，对改善先进陶瓷和传感器的工作性能有显著成效。

在许多应用中钪可用低价位的其它稀土代替，但在照明和激光应用中具有不可取代的作用。

用ＳｃＩ３可以制造光色与阳光相仿的高亮度电光源，如钪钠灯较白炽灯节电８０％，寿命可达２５０００ｈ，采用钪的钆钪镓石榴石晶体用直拉法已获得直径１３０ｍｍ、长１００ｍｍ的尺寸材料，尺寸大、质量高，适于制造千瓦级的高平均输出板条激光器。

其激射效率是钇铝石榴石的３．５倍，除用于金属加工外，还用于聚变研究及军事目的。

钪在周期表中与铝、钛是近邻，在化学元素发现史上曾被称作“类铝”，作为铝、镁、钛的合金添加元素，在改善合金的力学性能、热稳定性和强度方面有着巨大的应用潜力。

其实前苏联在推动铝锂合金在航空航天业的实用化方面，就利用了钪的作用。

他们生产的１４２１合金（Ａｌ－２．１Ｌｉ－５．２Ｍｇ－０．１２Ｚｒ）就使用了少量钪。

前苏联自６０年代末期就已经发现钪能使铝的晶粒细化并显著提高铝合金的强度，此后他们对纯金属钪、钪的金属间化合物及相关图进行了充分研究，并在此基础上研发出多种含钪铝合金，率先在米格２９型战斗机与导弹的导向尾翼上获得应用。

钪在铝合金内形成弥散的高度稳定的Ａｌ３Ｓｃ金属间相，与铝基体类质同晶，在铝合金内起沉淀强化剂、晶粒细化剂与再结晶抑制剂的作用。

最近的研究结果表明加钪可以显著改善铝合金的强度和塑性，比其它合金化元素对铝合金产生的强化效应大得多。

近数十年来，俄罗斯、乌克兰以及美、日、加等后来者在开发钪铝合金方面不断取得新进展，形成了包括Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｃ、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｓｃ、Ａｌ－Ｍｇ－Ｌｉ－Ｓｃ、Ａｌ－Ｃｕ－Ｌｉ－Ｓｅ、Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ－Ｓｃ等合金系列近２０个牌号的（含）钪铝合金。

我国对钪铝合金的研究尚处于起步阶段，中南工业大学、东北大学等单位已开展了这方面的工作。

钪的效率决定于它在铝合金中的浓度、与其它合金化元素相互作用的类型以及时效期间的相变和结构变化。

实际上钪在某些三元铝合金中产生的强化效应反而不如二元合金，因此Ａｌ－Ｃｕ－Ｓｃ和Ａｌ－Ｓｉ－Ｓｃ合金已不在考虑之列。

合理的添加量使铝合金的强度、塑性、抗蚀性与可焊性均有明显改善，钪铝合金的高附加值在一定程度上抵销了钪价昂贵带来的成本上的压力。

最近这方面的工作又向前跨出了一大步。

美国航天局兰利研究中心开发的牌号为Ｃ５５
７的三元钪铝合金Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｃ利用钪和锆的协同强化作用，通过Ａｌ３Ｓｃ和Ａｌ３Ｚｒ共格弥散体的形成及晶粒细化导致的额外强化作用，提高了强度的热稳定性，同时还把该合金的使用温度扩展到可在深冷的温度（甚至液氢）下工作，从而拓宽了这种与俄罗斯１５３５合金相当的含钪铝合金在机身结构与飞船结构上应用的范围。

２００２年乌克兰材料问题研究所与美国赖特--帕特森空军基地空军研究实验室合作，通过添加钪对属于７ｘｘｘ的Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ合金进行了改性研究。

Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ是航空航天部门使用的作为基础性结构材料的高强高韧性铝合金，乌、美这两家机构通过研究发现只要在Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ内加入少量钪和锆，合金内锌的含量可以突破７％的上限，增高到１２％，从而大幅度提高合金的强度等力学性能，他们通过这项用钪进行改性的研究认定，合金成分和热处理条件是提升合金性能的决定性因素。

实验还表明，钪和锆的总添加量低于０．２％，可细化铸态合金铸件和焊缝的显微组织，提高铸件的可加工和变形能力，并抑制变形合金在热处理时出现再结晶，最终提高变形铝合金的强度和塑性。

实践表明含钪合金是航空航天工程的基础性结构性料。

近年来，由于钪的供应渠道畅通、钪价呈下跌态势，且钪在铝合金中用量极少，固此在保障强度、塑性、可焊性、耐蚀性提高的前提下，成本大体上已不再是钪铝合金走向民用的重要障碍。

钪铝合金存在巨大的潜在商机，美国人最早看到了这一点。

１９９６年美国阿什赫斯特工艺公司通过与乌克兰合作率先开发出用于运动器械和长曲棍球球杆的手柄、棒球棒和垒球棒的高强度轻质钪铝合金。

这种钪铝合金球棒重量轻、刚度高，颇受美国球具市场和运动员的欢迎。

一只球棒售价高达３００美元以上。

高的附加值已吸引包括耐克公司在内的运动用品公司涉足钪铝球棒市场。

２００２年美国已有６家公司生产钪铝合金球棒。

此外阿什赫斯特还开发了能提高焊接强度、使抗疲劳性能较普通铝合金焊丝提高３倍、并减少热裂和热撕裂的钪铝合金焊丝，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。

钪铝合金的成本通过改善制造工艺，如用热还原法（加还原剂）以铝和卤化钪为原料制造铝钪母合金，还有进一步降低的空间。

成本的下降，钪铝焊丝的加盟，使近年强度已越过６５０ＭＰａ，塑性与可焊性俱佳的钪铝合金，成为制造轻量化自行车的理想材料。

客观条件的成熟，使善于抓住商机的美国伊斯顿自行车产品集团成为在自行车上使用钪铝合金的先行者。

他们在自行车车架、前叉及轮圈上使用了钪铝合金，减轻了它们的重量，用钪铝合金已开发出车架仅重１公斤多的高速跑车。

这种车能吸收一定量的震动显示出足够的刚度使扭力从骑车人身上转移到地面。

最近台湾穗高工业公司也开发了钪铝车架，并于２００３年初获得欧洲市场５万辆的订单，每辆车高达８０００元新台币（合人民币２０００元左右），初步实现了自行车产业向高附加值转型。

此外，钪铅合金在一些要求质量轻、强度高的地方也大有文章可做。

如野外露营帐棚支架、笔记本电脑外壳和手机外壳，甚至手枪等器械的枪身和子弹夹也都是扩大应用开发的领域。

我国拥有丰富的钪资源，由于工艺上的进展，近年来已越过俄乌成为钪产品的最大供应国。

同时我国又是产铝大国、自行车生产王国，就开发钪铝合金的原料以及所拥有的自行车市场而言，都是全球绝无仅有的。

在应用产品开发的技术方面，我国起步虽然不迟但发展缓慢。

而以轻量化、节约能源、降低材料消耗、有益环保为主要特点的钪铝合金的研发，从中近期的目标看，对发展我国的
航空航天产业如神舟系列飞船的升空、实施登月计划，以及陆运、海运交通工具将大有裨益。

把握时机、开拓市场、向更高层次的应用领域发展，钪铝合金必将折射出新世纪的绚丽光彩。