含Sc鋁合金的應(yīng)用研究新進(jìn)展與前景展望

張思平

（西南鋁業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，重慶401326）

0 前言

鈧（Sc）的密度低，在鋁及鋁合金中同時(shí)具有過(guò)渡族金屬和稀土金屬這兩類(lèi)金屬的作用，但效果卻遠(yuǎn)比這兩類(lèi)金屬對(duì)鋁合金的影響大。含Sc鋁合金強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好，有強(qiáng)烈的時(shí)效硬化效應(yīng)，是發(fā)展高強(qiáng)度、高耐熱性和高抗蝕性結(jié)構(gòu)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(qiáng)化相的A1-Sc合金或含Sc鋁合金。鋁鈧合金具有高強(qiáng)度、塑性好、耐蝕性等優(yōu)異性能，開(kāi)發(fā)出一系列航空航天、軍工、核能等尖端領(lǐng)域的超高強(qiáng)高韌合金、耐蝕合金、高強(qiáng)抗中子輻照合金等，具有廣泛的應(yīng)用發(fā)展前景。目前為止，Sc是人們發(fā)現(xiàn)的對(duì)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(guó)家在研究開(kāi)發(fā)鋁鈧合金方面不斷取得新進(jìn)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(chē)等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[2]。我國(guó)對(duì)鋁鈧合金的研究開(kāi)發(fā)尚處于預(yù)研和初步應(yīng)用研究階段，西南鋁、東北輕、中南大學(xué)、重慶大學(xué)、東北大學(xué)等單位開(kāi)展了這方面的工作。東北大學(xué)用連續(xù)鑄擠法生產(chǎn)了少量小規(guī)格的Al-Mg-Sc合金材料，并獲得少量應(yīng)用，但未形成批量生產(chǎn)與較大規(guī)模應(yīng)用。西南鋁工業(yè)化生產(chǎn)了含Sc的鋁鋰合金、Al-Mg-Sc合金及含Sc的可陽(yáng)極氧化的手機(jī)殼體用鑄造鋁合金。

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

1 國(guó)外應(yīng)用研究的最新進(jìn)展

1.1 熱處理不可強(qiáng)化可焊性高的Al-Mg-Sc系合金

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司（RUSAL）研制開(kāi)發(fā)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(yōu)點(diǎn)：（1）成本低較。它的Sc含量＜0.14%，有利于降低成本；（2）力學(xué)性能高。含微量Sc的Al-Mg系合金的抗拉強(qiáng)度（UTS）比5083合金的高30%以上，而其屈服強(qiáng)度則比5083合金的大一倍以上，焊縫抗拉強(qiáng)度也比5083的大25%左右，但其伸長(zhǎng)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(guī)5×××系合金的相當(dāng)，熱影響區(qū)與焊縫的力學(xué)性能幾乎與基體材料的相當(dāng)。鈧可在合金內(nèi)形成多邊形化合物，有很強(qiáng)的晶粒細(xì)化作用，對(duì)提高力學(xué)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(dāng)，其薄板試樣在3%NaCl+1%HCl溶液中浸泡24h后仍完好如初，沒(méi)有發(fā)生點(diǎn)腐蝕。

俄羅斯牌號(hào)為01570的A1-Mg-Sc系合金，其屈服強(qiáng)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(xué)成分及典型性能

按美國(guó)鋁業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)，愛(ài)勵(lì)鋁業(yè)公司生產(chǎn)的AA5024-H116鋁-鈧合金的注冊(cè)成分為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：Si0.25，F(xiàn)e0.40，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(zhì)單個(gè)0.05、總計(jì)0.15，其余Al。

愛(ài)勵(lì)鋁業(yè)公司德國(guó)科布倫茨軋制廠(chǎng)（Aleris Aluminium Koblenz GmbH）生產(chǎn)的AA5024-116鋁-鈧合金板材已用于制造飛機(jī)機(jī)身與航天器結(jié)構(gòu)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(jī)身零件不管是單式還是復(fù)式的，彎曲都可以通過(guò)高溫蠕變成形生產(chǎn)，用此法生產(chǎn)的工件不會(huì)產(chǎn)生歪曲也不會(huì)產(chǎn)生回彈，可以保持尺寸精準(zhǔn)，有高的成本競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)還可以采用傳統(tǒng)的鉚接。

AA5024-H116合金板材的典型厚度為1.6～8.0mm，在O狀態(tài)下交貨，也可以生產(chǎn)其他規(guī)格的。由于合金的密度低，又有中等的力學(xué)強(qiáng)度、高的抗腐蝕性能和嚴(yán)格的尺寸公差，可取代2×××合金作為機(jī)身蒙皮材料即板材。它的優(yōu)點(diǎn)是：低的密度，2650kg/m3；良好的可焊性；優(yōu)秀的損傷容限；良好的抗腐蝕性；不凡的蠕變成形；相當(dāng)高的熱穩(wěn)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(xué)性能見(jiàn)表2[4]。

表2 AA5024-H116合金板材的典型力學(xué)性能

抗腐蝕試驗(yàn)結(jié)果：硝酸質(zhì)量損失試驗(yàn)（NAMLT），按ASTM G67-04，要求＜15mg/cm2，實(shí)測(cè)值＜6mg/cm2；按ASTM G44-99試驗(yàn)做SCC試驗(yàn)時(shí)，在應(yīng)力250N/mm作用下30d未見(jiàn)裂紋；做成品腐蝕試驗(yàn)時(shí)（ASSET），按ASTM G66-99，要求等級(jí)優(yōu)于或等于PC，實(shí)測(cè)典型值為PA。

AA5024-H116合金板材已通過(guò)AMS、MMPDS、空客公司AIMS 03-04-055的認(rèn)證。

1.2 Al-Zn-Mg-Sc系和Al-Zn-Mg-Cu-Sc系合金

俄羅斯最新開(kāi)發(fā)的Al-Zn-Mg-Sc系合金，其牌號(hào)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(xué)性能，T6材料的抗拉強(qiáng)度Rm=530N/mm2，伸長(zhǎng)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(yè)價(jià)值的強(qiáng)度最高的合金，抗拉強(qiáng)度Rm可超過(guò)800N/mm2。俄羅斯、烏克蘭和美國(guó)賴(lài)特-帕特森空軍研究實(shí)驗(yàn)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(guò)一般不大于7%的上限，從而大幅度提高7×××系合金的各項(xiàng)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(kāi)發(fā)的Al-Mg-Li-Sc系合金，其牌號(hào)為01421及01423合金，是在Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr合金基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)的新合金，有高的力學(xué)性能和低的密度（2500kg/m3），在高強(qiáng)度鋁合金中是密度最低的。01421合金的力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度Rm=530N/mm2，屈服強(qiáng)度Rp0.2=380N/mm2，伸長(zhǎng)率A=6%。

俄羅斯最新開(kāi)發(fā)的Al-Cu-Li-Sc合金，其牌號(hào)為01460及01464合金。01460合金的化學(xué)成分：Al-3Cu-2Li-（0.2～0.3）（Sc+Zr）。T4材料的力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度Rm=550N/mm2，屈服強(qiáng)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(xué)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(fā)展，經(jīng)形變熱處理后具有高的強(qiáng)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(wěn)定性，板材的抗拉強(qiáng)度Rm=560N/mm2，屈服強(qiáng)度Rp0.2=520N/mm2，伸長(zhǎng)率A=9%，可用于制造在120℃長(zhǎng)期工作的結(jié)構(gòu)件。

2 國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究的最新進(jìn)展

國(guó)內(nèi)的高校、科研院所及部分企業(yè)，對(duì)含Sc鋁合金的作用和機(jī)理進(jìn)行了研究，其研究?jī)?nèi)容主要集中在含Sc鋁合金的強(qiáng)化機(jī)理、晶粒細(xì)化、腐蝕性能及焊接性能等方面，對(duì)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(lái)說(shuō)，大多是跟蹤、仿制型的研究，還沒(méi)有形成規(guī)模化和商業(yè)化的生產(chǎn)應(yīng)用。

杜剛等[8]采用掃描電子顯微鏡和電子探針研究液態(tài)金屬的冷卻速率對(duì)A1-6Mg-0.2Sc-0.15Zr合金中初生相的結(jié)構(gòu)、形貌及成分的影響。結(jié)果表明：在較低的冷卻速率下（隨爐冷卻），液態(tài)金屬中析出的初生相為L(zhǎng)l2結(jié)構(gòu)的Al3（Sc，Zr）相和D023結(jié)構(gòu)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(fù)雜的形貌和較高的體秘分?jǐn)?shù)；當(dāng)冷卻速率較大時(shí)（鋼模具冷卻）D023結(jié)構(gòu)的Al3（Sc，Zr）相的析出受到抑制而形成Ll2結(jié)構(gòu)的 Al3（Sc，Zr） 相或亞穩(wěn)態(tài)的 Al3（Sc，Zr）相；當(dāng)冷卻速率足夠大時(shí)（銅模具冷卻），α（A1）基體在較高的過(guò)冷度下快速結(jié)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(duì)含3%Sc的AA7150鍛造鋁合金性能的影響。結(jié)果表明：鋁合金在空氣中自然冷卻時(shí)，T6時(shí)效態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度與抗剝落腐蝕性能?chē)?yán)重降低；而室溫水淬的T6時(shí)效態(tài)合金比室溫油淬的T6時(shí)效態(tài)合金具有更好的塑性。當(dāng)預(yù)先采用（80℃，30 s）水淬或（80℃，30s）油淬再15℃水淬時(shí)，T6時(shí)效態(tài)合金的抗拉強(qiáng)度明顯得到提高，且抗剝落腐蝕性能也得到了改善。預(yù)先80℃淬火能提高T6時(shí)效態(tài)合金性能的主要原因是時(shí)效態(tài)合金晶界析出相的尺寸與離散度明顯增大。

重慶大學(xué)賈志宏教授帶領(lǐng)的鋁合金新材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)，采用低頻電磁鑄造技術(shù)制備了含Sc的Al-Zn-Mg-Cu合金[10]。在Al-Zn-Mg-Cu合金中復(fù)合添加微量的Sc、Zr，在均勻化熱處理過(guò)程中會(huì)析出均勻、細(xì)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(qiáng)烈釘扎位錯(cuò)和亞晶界，阻礙晶界的遷移和亞晶粒的長(zhǎng)大，有效抑制合金的再結(jié)晶行為，提高合金再結(jié)晶溫度。次生Al3（Sc，Zr）相粒子與合金中的位錯(cuò)有著強(qiáng)烈的交互作用，位錯(cuò)在切過(guò)或繞過(guò)該粒子時(shí)必須要消耗額外的能量，提高了合金的強(qiáng)度。

李燦等[11]研究了Sc、Zr復(fù)合微合金化對(duì)6082鋁合金組織和力學(xué)性能的影響。研究表明，在6082鋁合金中復(fù)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(xì)化鑄態(tài)合金的晶粒，粗大的枝晶網(wǎng)胞的尺寸減小，且晶粒細(xì)小、均勻；合金力學(xué)性能有很大程度的提高，鑄態(tài)抗拉強(qiáng)度可達(dá)到213.14MPa，與未添加Sc和Zr元素合金的強(qiáng)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(xiàn)的韌窩數(shù)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(duì)A356.2鋁合金的晶粒細(xì)化作用?？焖倌藺1-Ti-B-Sc細(xì)化劑能明顯細(xì)化合金晶粒，經(jīng)快速凝固處理的A1-Ti-B-Sc細(xì)化劑的細(xì)化效果要優(yōu)于未處理的普通鑄態(tài)的A1-Ti-B-Sc；而對(duì)于相同狀態(tài)的細(xì)化劑，細(xì)化劑中鈧的含量越高，細(xì)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(zhì)點(diǎn)，起到很好的細(xì)化晶粒作用；同時(shí)，鈧元素還可以細(xì)化A1-Ti-B中的Al3Ti、TiB2等微粒，使其發(fā)揮更好的細(xì)化效果。鈧元素的加入和快速凝固技術(shù)的使用都會(huì)促進(jìn)細(xì)化劑對(duì)A356.2鋁合金的細(xì)化效果，快速凝固A1-Ti-B-0.5%Sc的細(xì)化效果最佳；當(dāng)A356.2鋁合金中加入0.2%快速凝固A1-Ti-B-0.5%Sc時(shí)，平均晶粒尺寸可由124.5μm細(xì)化至25.7μm，A356.2鋁合金的硬度可由HV75增長(zhǎng)至HV 96。

近些年，西南鋁開(kāi)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(fù)合添加對(duì)鋁鋰合金、鋁鎂合金力學(xué)性能、高溫性能、斷裂韌性及焊接性能的影響，開(kāi)展了工業(yè)化大規(guī)格含Sc鋁鋰合金、5A70合金和5D70合金熔鑄及板材生產(chǎn)加工技術(shù)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(chǎn)加工工藝[13]。同時(shí)，西南鋁研究了復(fù)合添加Ti、Zr、Sc微合金化對(duì)5A06、5A02合金擠壓棒材粗晶組織的影響。結(jié)果表明：5A06合金擠壓時(shí)主要以動(dòng)態(tài)再結(jié)晶為主，粗晶組織主要是在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的。單獨(dú)增加Ti的含量，或者添加Ti、Zr元素，對(duì)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(fù)合，充分發(fā)揮合金元素Ti、Zr、Sc復(fù)合微合金化抑制合金再結(jié)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(yè)化生產(chǎn)中，成功地消除了5A06、5A02合金擠壓棒材的粗晶組織缺陷，實(shí)現(xiàn)了市場(chǎng)化應(yīng)用[14]。

為提高5052合金板材的力學(xué)性能和沖壓成型性能，西南鋁研究開(kāi)發(fā)了含Sc的5052合金，生產(chǎn)了規(guī)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(yīng)用于磁懸浮列車(chē)車(chē)體上。

為適應(yīng)3C鋁合金市場(chǎng)應(yīng)用的需求，西南鋁研究開(kāi)發(fā)了含Sc的高表面手機(jī)殼體K56S鑄造鋁合金，經(jīng)壓鑄成型后的K56S鋁合金手機(jī)殼體，可直接陽(yáng)極氧化，沒(méi)有黑點(diǎn)、黑線(xiàn)和材料紋等缺陷，實(shí)現(xiàn)了小批量合金鋁材的市場(chǎng)化應(yīng)用。

3 含Sc鋁合金應(yīng)用研究前景展望

3.1 含鈧鋁合金應(yīng)用的主要障礙

金屬Sc雖然有較好的應(yīng)用前景，但含鈧鋁合金發(fā)展的障礙主要是Al-Sc中間合金價(jià)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(jià)500元/kg，則1t鋁合金（含0.2%Sc）需增加原材料費(fèi)用5萬(wàn)元，而同期純鋁錠價(jià)格僅為每噸1.3萬(wàn)元左右。如果將來(lái)Al-2%Sc成本降低3/4，則1t變形鋁合金需增加原材料費(fèi)用1.75萬(wàn)元。Al-2%Sc中間合金的高應(yīng)用成本，嚴(yán)重制約了含Sc鋁合金的市場(chǎng)化商業(yè)應(yīng)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(dòng)含Sc鋁合金的商業(yè)化應(yīng)用，包括變形鋁合金和鑄造鋁合金。（1） 不對(duì)Sc進(jìn)行高度提純而是直接利用。Sc在鋁合金中應(yīng)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(zhì)比達(dá)到50甚至30，就可使帶入合金的有害雜質(zhì)控制在0.01%以下，可以滿(mǎn)足合金應(yīng)用需要。因此，只要得到純度在90%以上的氧化物，就可以滿(mǎn)足生產(chǎn)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(jià)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(wèn)題。我國(guó)Sc資源豐富，是氧化鈧初級(jí)產(chǎn)品的主要輸出國(guó)，但Al-Sc中間合金制備技術(shù)落后，生產(chǎn)成本高，嚴(yán)重制約了Al-Sc的發(fā)展。突破Al-Sc中間合金制備技術(shù)瓶頸，降低其生產(chǎn)制造成本，有望在高端鋁合金產(chǎn)品上獲得更為廣泛的應(yīng)用；（3）研制開(kāi)發(fā)Al-Sc-Zr、Al-Sc-Ti等復(fù)合中間合金。鈧的生產(chǎn)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(yè)上變形鋁合金常用的微合金化元素。研究表明，復(fù)合添加Sc和Zr、Ti微量合金元素，鋁合金晶粒明顯細(xì)化，合金的室溫、高溫強(qiáng)度及韌性性能，均可獲得明顯的強(qiáng)化和提升。因此，研制開(kāi)發(fā)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(chǎn)成本，有效降低含Sc中間合金的價(jià)格。

通過(guò)鋁基含Sc中間合金的研制與開(kāi)發(fā)，研發(fā)含Sc合金的新型制備技術(shù)，使含Sc中間合金價(jià)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(yīng)用將十分廣闊。

3.3 含鈧鋁合金的應(yīng)用研究前景展望

通過(guò)添加微量Sc這一途徑，有希望在現(xiàn)有鋁合金的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出一系列的新一代高性能鋁合金材料，諸如超高強(qiáng)高韌鋁合金、高強(qiáng)耐蝕鋁合金、高強(qiáng)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(yōu)異的綜合性能，在航天、核能和艦船工業(yè)上將具有非常誘人的應(yīng)用前景，另外也可用于汽車(chē)和高速列車(chē)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(jìng)爭(zhēng)力的高性能鋁合金材料。

3.3.1 在航天航空和國(guó)防中的應(yīng)用前景

含鈧鋁合金在艦船、航天航空工業(yè)、火箭導(dǎo)彈、核能等高新尖技術(shù)部門(mén)的應(yīng)用前景十分廣闊。前蘇聯(lián)通過(guò)近十年的研發(fā)，使Al-Sc合金在低密度和高強(qiáng)度方面優(yōu)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(zhàn)斗機(jī)和導(dǎo)彈的導(dǎo)向尾翼上。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室與烏克蘭材料科學(xué)研究所開(kāi)展了用鈧改性Al-Zn-Mg-Cu合金低溫力學(xué)性質(zhì)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(xì)化而均勻的顯微組織。再經(jīng)熱擠壓和固溶處理，即形成室溫屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度分別高達(dá)790MPa和820MPa，室溫延伸率5%～8%的強(qiáng)度與塑性大幅度提高的新型鋁合金。就強(qiáng)度而言達(dá)到了與中等強(qiáng)度鈦合金如Ti-5Al-2.5Sn（我國(guó)牌號(hào)為T(mén)A7） 相抗衡的程度。鑒于鈦的密度為鋁的1.5～1.7倍，從而開(kāi)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(yè)航空航天應(yīng)用中使用，如飛機(jī)的艙壁、熱屏蔽、翼梁、上部蒙皮用的薄板等。機(jī)座導(dǎo)軌、各種旋轉(zhuǎn)輪和運(yùn)動(dòng)齒輪可用的鍛件和擠壓件、燃料和排放系統(tǒng)都已啟用含鈧鋁合金，它們?cè)诤娇蘸教觳块T(mén)的應(yīng)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(yīng)用前景

由于含鈧鋁合金具有比普通鋁合金更高的強(qiáng)度、足夠的延展性及上佳的可焊性，對(duì)于要求輕量化且用量不大的民用產(chǎn)品而言，含Sc鋁合金已成為極具吸引力的時(shí)尚和前衛(wèi)十足的新材料。復(fù)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(fā)揮Sc元素的變質(zhì)細(xì)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(qiáng)度含Sc鋁合金運(yùn)動(dòng)器械。目前，已開(kāi)發(fā)出的高強(qiáng)度、輕質(zhì)含Sc鋁合金運(yùn)動(dòng)器械，如長(zhǎng)曲棍球桿手柄、棒球棒、壘球棒和野外露營(yíng)支持帳篷支架等含鈧鋁合金。由于球棒質(zhì)輕、剛度高，球棒的市場(chǎng)售價(jià)為300美元/根，具有很高的附加值和經(jīng)濟(jì)效益。

目前，由于含Sc鋁合金的高強(qiáng)度和優(yōu)良的焊接性能，該合金已用于制造山地車(chē)和公路自行車(chē)的車(chē)架及零配件。和最熱銷(xiāo)的鋁自行車(chē)比，車(chē)架重量減輕了12%，屈服強(qiáng)度提高了50%，疲勞壽命延長(zhǎng)了24%。伊斯頓（Easton）自行車(chē)產(chǎn)品集團(tuán)的美國(guó)公司已將這種新材料用于車(chē)架、輪圈、前叉用鋁合金管的制造。該公司已將車(chē)架的重量減輕到只有1kg左右。此外，我國(guó)臺(tái)灣的穗高工業(yè)公司也積極參與了含鈧鋁合金在自行車(chē)上的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。在2003年該公司就已接到歐洲市場(chǎng)5萬(wàn)臺(tái)含Sc鋁合金自行車(chē)的訂單，每臺(tái)單價(jià)高達(dá)8000新臺(tái)幣（合人民幣2000元），大幅度提高了產(chǎn)品的附加值。

（2）高表面、高強(qiáng)度、輕質(zhì)含Sc鋁合金電子材料。采用Sc元素改性常用的鋁合金，發(fā)揮含Sc鋁合金強(qiáng)度與韌性及焊接性能的良好配合優(yōu)勢(shì)，由常用鋁合金結(jié)構(gòu)材料向高附加值材料轉(zhuǎn)型。如筆記本電腦、高端智能手機(jī)殼體材料等3 C電子電信產(chǎn)品等，也都開(kāi)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(jīng)沖壓制造的電腦機(jī)殼，制造程序簡(jiǎn)單（鎂合金機(jī)殼要經(jīng)過(guò)壓鑄、精整等多道工序，且成品率低），目前已開(kāi)始應(yīng)用于手機(jī)殼體。

（3）交通運(yùn)輸輕量化含Sc鋁合金材料。汽車(chē)輕量化向全鋁車(chē)過(guò)渡的過(guò)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(kāi)辟一個(gè)大的市場(chǎng)。目前，開(kāi)發(fā)的鈧鋁合金焊絲，可將鋁合金的焊接強(qiáng)度、抗疲勞性能提高3倍，并減少熱開(kāi)裂。塑性與可焊性俱佳的含鈧鋁合金成為制造輕量化汽車(chē)、軌道交通車(chē)輛的理想材料，Al-Mg-Zn-Sc等5系焊料合金在運(yùn)輸業(yè)輕量化中將大有作為。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)鈧資源豐富，鈧的研究和工業(yè)生產(chǎn)也有一定的基礎(chǔ)。目前，我國(guó)含鈧鋁合金的研究工作大多局限于變形鋁合金方面，關(guān)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(chǎn)技術(shù)瓶頸，降低含Sc中間合金的生產(chǎn)制備成本和使用價(jià)格，系統(tǒng)、深入地研究Sc在鑄造鋁合金中的變質(zhì)、細(xì)化、改性等作用；進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)含Sc系列的變形鋁合金，充分挖掘鋁合金的潛能，發(fā)展我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高新技術(shù)和國(guó)防建設(shè)用高性能鋁合金材料，充分發(fā)揮我國(guó)的鈧資源優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。