航空航天铝-钪合金新进展

航空航天铝-钪合金新进展

在展览会上，俄罗斯联合铝业公司（Rusal）与爱励铝业公司（Aleris）都展出了航空航天器用铝-钪合金，如果我们把2xxx系Al-Cu-Mg合金与7xxx系Al-Zn-Mg-Cu 合金作为第一代航空航天器合金，那么铝-锂系合金就是第二代，铝-钪合金就是当前与未来的第三代了。早在上世纪50年代科学家发现钪（Sc）对铝的组织有强烈的细化作用，对晶粒的细化效果居任一其他元素之首。俄罗斯、乌克兰、美国、中国在含钪的铝合金研究与生产方面均取得了很大的成就，特别是俄罗斯，无论是在研究方面，还是在材料生产与应用方面均是领军的。中国的东北大学、中南工业大学等对含钪的铝合金进行了卓有成效的研究，但大都是跟踪型的，东北大学用连续铸挤法生产了少量小规格的Al-Mg-Sc合金材料，并获得少量应用，但未形成批量生产与较大规模应用。

过去，阻碍含Sc铝合金大批量应用的主要障碍是价格高昂与不易提取纯净的SC2O3，但是现在这些问题已不复存在。因为俄罗斯联合铝业公司生产的高纯SC2O3的价格已于2016年5月降至289美元/kg。

俄罗斯联合铝业公司铝-钪合金

所谓铝-钪合金是指含有微量钪的铝合金，钪含量不超过0.4%，同时与锆一同加入，由于Al-Sc合金有优异的综合性能，是继Al-Li合金之后新一代航空航天器、舰船等的轻质结构材料，现开发出5个系列17个牌号的工业含Sc铝合金。从展会上获知，它们是：

1.热处理不可强化的可焊性高的Al-Mg-Sc系合金，20多个，其牌号为01515、01523、01535、01545、01570等，它们的成分及力学性能见表1，该系合金的研究与应用最为成功。

在这次展会上，俄罗斯联合铝业公司（RUSAL）推出的含小于0.14%Sc的Al-Mg 系合金是这类合金的佼佼者，是新一代的Al-Mg-Sc合金，具有里程碑意义，它具有如下优点：

成本低较。它的Sc含量<0.14%，有利于降低成本。

力学性能高。含微量Sc的Al-Mg系合金的抗拉强度（UTS）比5083合金的高30%以上，而其屈服强度则比5083合金的大一倍以上，焊缝抗拉强度也比5083的大25%左右，但其伸长率则比5083合金低4%左右。

良好的可焊性。Al-Mg-Sc合金的可焊性能与常规5xxx系合金的相当，热影响

区与焊缝的力学性能几乎与基体材料的相当。钪可在合金内形成多边形化合物，有很强的晶粒细化作用，对提高力学性能极为有利。

高的抗腐蚀性能。Al-Mg-Sc合金的抗腐蚀性能几乎与5083合金的相当，其薄板试样在3%NaCl+1%HCl溶液中浸泡24h后仍完好如初，没有发生点腐蚀。

2.Al-Zn-Mg-Sc系合金，2个，其牌号为01970及01975，其成分：4.5%Zn——5.5%Zn、2%Mg、Zn/Mg=2.6、0.3%Cu——1.0%Cu、0.30%（Sc+Zr）——0.35%（Sc+Zr）。它们有很高的力学性能，T6材料的抗拉强度Rm=530N/mm2，伸长率A=8%，有高的抗剥落腐蚀能力与良好的可焊性与超塑性。

3.Al-Mg-Li-Sc系合金，2个，牌号为01421及01423，是在Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr合金基础上形成的新合金，有高的力学性能和低的密度（2500kg/m3），在高强度铝合金中是密度最低的。01421合金的力学性能：抗拉强度Rm=530N/mm2，屈服强度Rp0.2=380N/mm2，伸长率A=6%。

4.Al-Cu-Li-Sc合金，2个，牌号为01460及01464。01460合金的成分：Al-3Cu-2Li-（0.2——0.3）（Sc+Zr），T4材料的力学性能：抗拉强度Rm=550N/mm2，屈服强度Rp0.2=490N/mm2，有良好的可焊性能和低温性能，在液氢温度下的上述力学性能分别上升到680N/mm2、560N/mm2、10%，俄罗斯已用它制造火箭低温燃料箱。

01464合金是01460合金的发展，经形变热处理后具有高的强度、塑性、抗蚀性、可焊性、抗冲击性和抗裂性，而且有良好的热稳定性，板材的抗拉强度Rm=560N/mm2，屈服强度Rp0.2=520N/mm2，伸长率A=9%，可用于制造在120℃长期工作的结构件。

5.Al-Zn-Mg-Cu-Sc系合金

该系合金是目前有商业价值的强度最高的合金，抗拉强度Rm可超过800N/mm2，俄罗斯、乌克兰和美国赖特-帕特森空军研究实验室的研究表明，向Al-Zn-Mg-Cu系合金添加少量Sc和Zr，Zn的含量可以超过一般不大于7%的上限，从而大幅度提高7xxx系合金的各项性能。

6.中间合金的电解生产

含钪的铝合金都是通过添加Al-Sc中间合金法加入Sc，因此，制取中间合金成为生产铝-钪合金的关键技术之一。目前，可以生产Al-Sc中间合金的有中国、俄罗斯、美国和乌克兰等，但都是用传统工艺制取的，中国可以生产含2%、5%、10%Sc的中间合金，从展会上获悉，俄罗斯联合铝业公司独创的电解法提取高纯SC2O3的工艺已投入商业化生产，在乌拉尔铝厂（UAZ）建了一条中间实业生产线，并准备建正式的电解槽系列，以满足全球对非常有竞争力的高纯氧化钪的需求，2016年全球SC2O3的

需求估计（10t——15t）/a。

高纯SC2O3电解法提取工艺的研制成功有着里程碑意义，可以提高铝-钪合金的品质，可以降低生产成本，对推广其材料应用，降低装备质量，减少能源消耗与保护环境都有着重要意义。

爱励铝业公司AA5024-H116铝-钪合金

爱励铝业公司德国科布伦茨轧制厂（AlerisAluminiumKoblenzGmbH）生产的AA5024-116铝-钪合金板材已用于制造飞机机身与航天器结构零件。所有的零件都可以用激光束焊接（LBW）或摩擦搅拌焊（FSW）法连接。机身零件不管是单式还是复式的（singleordouble）弯曲（curvature）都可以通过高温需变成形生产，用此法生产的工件不会产生歪曲也不会产生回弹，可以保证保持尺寸精准，同时有高的成本竞争力，同时还可以采用传统的铆连接。

1.优点与应用

AA5024-H116合金板材的典型厚度为1.6mm——8.0mm，在O状态下交货，也可以生产其他规格的，由于合金的密度低，又有中等的力学强度，高的抗腐蚀性能，严格的尺寸偏差，可取代2xxx合金作为机身蒙皮材料即板材，它的优点有：低的密度，2650kg/m3；良好的可焊性；优秀的损伤容限；良好的抗腐蚀性；不凡的蠕变成形性（creep-formable）；相当高的热稳定性；可回收性好（easy-to-recucle）。

抗腐蚀试验结果：硝酸质量损失试验（NAMLT），按ASTMG67-04，要求<15mg/cm2，实测值<6mg/cm2；按ASTMG44-99试验做SCC试验时，在应力250N/mm 作用下30d未见裂纹；做成层腐蚀试验时（ASSET），按ASTMG66-99，要求等级优于或等于PC，实测典型值为PA。

AA5024-H116合金板材已通过AMS、MMPDS、空客公司AIMS03-04-055的认证。

2.化学成分

按美国铝业协会的标准，5024合金的注册成分（质量%）：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，其他杂质单个0.05、总计0.15，其余Al。

3.力学性能

AA5024-H116合金的正弹性模量E=72GN/m2，压缩弹性模量G=74GN/m2，其他力学性能见表2。

含微量钪的铝合金除在航空航天器有着较大应用潜力外，并已在兵工器械与一些民用产品（运动器材、通用工业、交通运输装备等方面）上获得了应用。