钪的研究进展及其在铝合金中的应用

朱 凯，王祝堂

(1.成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610091；2.中国有色金属加工工业协会，北京 100814)

1 钪的性质与储量

钪是一种稀土金属或稀土元素。稀土元素是元素周期表ⅢB族中钪、钇、镧系等17种元素的总称，常用R(rare稀少的)或RE(rare earth，稀土)表示。稀土是历史遗留的名称，从18世纪末开始被陆续发现。那时科学界习惯于把不溶于水的固体氧化物称为土。例如把氧化铝叫陶土，陶器就是以它为主要原料烧制的；把氧化镁叫苦土，有较浓的苦味。稀土是以氧化物状态分离出来，很稀少，因而被称为稀土。钪的获取过程是先从矿石中提取钪的氧化物Sc2O3，而后电解制取钪。钪是1879年瑞典化学家尼尔森(L.F.Nison)发现的。钪在地壳中的丰度为5 g/t，但并不是丰度最小的元素。

钪的物理性质：原子序数21，原子量44.955 9，熔点1 541 ℃，沸点2 836 ℃，24 ℃时密度2.989 g/cm3，熔化热3 369×4.184 J/mol，汽化热376 kJ/mol，25 ℃时电阻率52×10-6Ω·cm，无磁性，电负性1.28，原子半径0.164 1 nm，常见化合价+3，钪的光泽介于银和铁的之间，呈银白色微带黄色。杂质含量对它的性能影响很大。钪的硬度不大，相当柔软，可在非退火状态下轧成薄板。钪有两种晶型：在1 335 ℃以下为α-Sc，密集六方晶格，在1 335 ℃至熔点转变为β-Sc，体心立方晶格。

钪的化学性质与铝、钇、镧系元素的相似，很活泼。氧化态为+3。裸露钪很活泼，易与空气中的氧、二氧化碳、水等化合。当温度不大于200 ℃，表面上的Sc2O3薄膜可阻止钪的继续氧化，一旦温度高于200 ℃,Sc2O3膜会破坏，钪会剧烈氧化，特别是在温度高于250 ℃后。室温时钪易与卤素反应，只有在42 ℃以上才与氮、磷、砷等气体或蒸气反应。钪粉在600 ℃以上才与氮反应。钪只在高温下才与碳、硅、硼、氢反应。

在水溶液中钪离子都是+3价，但不是以简单的Sc3+离子形式存在，而是形成稳定的络离子，在过氯酸溶液中，Sc3+离子形成水合离子[Sc(H2O)6OH]3+。

钪与所有的无机酸都发生反应，但与铬酸盐反应缓慢，因表面有铬酸盐形成。钪与2.8 mol/L NaOH溶液几乎不起反应，碱度增加则缓慢溶解。加热时钪可以分解水。钪同铝一样具有两性性质。钪盐易水解，其溶液呈弱酸性。用醋酸钠溶液中和钪盐溶液则钪部分沉淀，加硫代硫酸钠煮沸则完全沉淀。以碱中和时，在pH=4.9开始产生白色胶状Sc(OH)3沉淀，至pH=5.45沉淀完全，而在pH>8.5时，Sc(OH)3又部分溶解形成钪酸根[ScO3]3-。钪离子在溶液中均为无色。

钪与其他金属能形成合金和金属间化合物，钪与铼可形成高熔点化合物Sc5Re24，其熔点高达2 575 ℃，仅比ScN的熔点(2 600 ℃)低。钪与铜可形成低熔点共晶体，875 ℃，钪能与镁、钇、锆、镧、钆等形成固溶体。钪与Ⅶ(锰及其同类)族元素及其右边的元素(稀有气体除外)都可以形成化合物。富钪的Sc3In金属间化合物是少数巡回电子铁磁体之一，受到科技界的关注。

氧化钪在高效多功能激光器、固体电解质、特种陶瓷、石油精制方面获得应用，是汽车尾气净化和有机合成材料的良好催化剂。

钪的复合氧化物是一种负热膨胀材料，是航空航天器零件、发动机部件、集成电路板、光学器件等制造中的特需材料。硒化钪、碲化钪和硫化钪是制造热敏电阻、热电发生器和一些半导体的难得材料。

中国稀土资源相当丰富，储量大，品种全，有价值元素的含量高，分布广，按氧化物计算2016年的工业储量约为国外总储量的2.4倍。国外稀土资源主要集中于美国、印度、巴西、澳大利亚和俄罗斯等，总计近8 000 kt，如此估算，中国的储量当在19 200 kt左右。在中国的钪资源中，铝土矿矿床的磷块岩矿床占优势，其次是钨矿、华南稀土矿、内蒙古白云鄂博稀土铁矿和四川攀枝花钒钛磁铁矿等。铝土矿和磷块岩的钪储量约为300 kt，占所有钪矿类型总储量的52%左右，其含量是世界铝土矿钪平均含量(按Sc2O3为38 μg/g)的2.5倍，是提取钪的主要资源；中国的钨资源居世界之最大，冶炼钨渣约含w(Sc)=0.02%的钪，几十年来积存的钨渣达12 000 kt以上，是提钪的宝贵来源；此外，生产铀、钛的尾矿也是工业生产钪的重要资源。

2 钪的提取与提纯[1]

由于钪的独立矿床十分罕见，几乎没有，不是提取的工业原料，但是钪常常分散存于铝、稀土、钒、钛、锆、锡、钨、铀、煤等矿物中，可以从这些矿物的工业生产废弃物中作为副品回收。因此，工业上是在综合处理有色金属矿石时伴生回收分散的钪，是否合理与经济价值取决于废弃物中钪的富集程度。在生产过程中顺便回收钪时，钪在产品中的分布十分重要；从废弃物中回收钪时，应建立合理的流程而不破坏主要工艺。

铝土矿是重要的提钪资源，在生产氧化铝时，铝土矿含的钪的98%(质量分数)以上钪富集于赤泥中，中国是全世界最大的氧化铝生产国，占总产量的55%以上，目前每年赤泥产量约1.5亿t，到了用之不竭的程度；钛铁矿精矿冶炼时，钪几乎全部进入炉渣中，富集了10倍有余，可以从炉渣回收钪，也可以从生产钛白粉的硫酸废液中回收钪；红土镍矿也是提取钪的重要资源；黑钨矿浸取渣、炼锡炉渣都含有微量钪，都是提取钪的原料。

美国、加拿大和澳大利亚等主要从铀和钨的副产物中回收钪；俄罗斯用的钪是从钛的副产物中提取的；德国、捷克和日本也都生产少量钪。中国提取钪的主要原料是黑钨矿，其中的钪含量有时高达0.05%(质量分数)以上；四川省的钛铁矿中含钪量达60 g/t；在高钛渣和人造金红石沸腾氯化时，钪在氯化烟尘中富集，其含量(质量分数)高达0.01%～0.05%，是湿法冶金回收钪的好原料。

钪的提取一般要经过四步：从含钪低的原料中富集钪；分离杂质制取工业粗氧化钪，即富钪精矿；精炼制取纯度大于99%的高纯氧化钪；制取纯钪。目前，钪的回收和制取已达到相当高的水平，中国是此产业的领跑者；通过溶剂萃取、离子交换法等可制得高达6 N(即99.9999%)的超高纯钪。

中国中冶新材料公司采用中冶集团自主研发的低成本红土镍矿提钪绿色法，在全球首次实现红土镍矿提取钪的工业化生产，建成了首个企业，一期氧化钪生产能力20 t/a，是世界最大者，可以为钪系材料研究及应用提供稳定的原料来源，消除含钪材料大规模应用的原料忧虑，降低含钪材料大规模应用的成本门槛，以及提供稳定的原料支撑。

此外，为保障中国重要战略储备资源安全，促进中国含钪材料产业化发展，中冶新能源公司联合中国恩菲工程技术有限公司、中国航发北京航空材料研究院、北京工业大学和河北工业大学，通过系统的硬件建设和人才队伍建设，组建了河北钪系材料工程研究中心，重点研发高纯氧化钪制备技术、铝-钪中间合金及纯钪制备技术、铝合金钪微合金化技术及新型高性能铝-钪合金开发、含钪钨基阴极材料制备技术，建设产业化示范生产线，形成系统的钪系材料研究体系并建立国家级研发中心。

钪浸出液成分非常复杂，必须除去杂质才能获得纯钪。分离杂质应用最广的是溶剂萃取法，其他常用的工艺还有离子交换法、液膜分离法和沉淀法等。同时由于浸出液的成分复杂，用任何一种工艺都难以把钪从与其他共存的元素中分离出来。所以在制定钪的分离提纯工艺时，宜使用组合工艺，交替使用这些方法，才能确保经济有效地分离，最终制得所需纯度的氧化钪。

1937年费希尔(Fischer)首先电解LiCl-KCl熔体中的ScCl3，钪在阴极上析出，随后蒸馏除锌，制得纯度99%的钪，但以后制备钪大多是用热还原无水ScCl3或ScF3制得粗钪，再经真空蒸馏提纯，钪的纯度一般只能达到99.98%。制备高纯钪的每一步骤都容易混进杂质，必须严格精准操作和使用高纯氧化钪。

3 含钪的合金制备

含钪的合金有着广泛的重要应用，其中尤为显著的是含有微量钪的铝合金，通常钪的含量都很少，质量分数没有超过0.5%的，在此应指出的是，只要是为了提高铝合金的性能而特意添加的合金化元素钪，不管其含量多少，都可以通称为铝钪合金。目前，中国、俄罗斯和其他主要工业发达国家都先后开展了Al-Sc合金生产和开发应用。钪是一种化学性质很活泼的金属，制备Al-Sc合金时，必须以Al-Sc、Mg-Sc或Al-Mg-Sc中间合金的形式加入，中间合金是制备Al-Sc合金的关键原料。当今制备含钪中间合金的主要工艺有对掺法、金属热还原法及熔盐电解法。对掺法是制备Al-Sc中间合金的传统工艺，用此法可制得含Sc质量分数为2%～4%的Al-Sc中间合金。用此法制备Al-Sc中间合金工艺简单，但是以纯钪为原料，成本高，如何降制造成本是面临的挑战，其他两种制备工艺也存在一些有待解决的问题，所以对掺法仍是目前用得最广的工艺。

有了合格的Al-Sc中间合金，就可以按常规理念与相关的文件精心配成分、熔炼与铸造，没有特殊要求。Al-Sc二元相图铝端共晶(Al-Al3Sc)熔点约643 ℃，但覆盖熔剂可稍多一些，以防钪氧化。

4 Al-Sc合金的发展

钪是许多有色金属的优秀变质剂，特别是对铝及铝合金具有神奇的晶粒细化作用，向铝中添加千分之几的钪就会形成细小的均匀弥散的Al3Sc质点，使材料的组织与性能发生明显的变化。在铝及铝合金用的细化剂中，钪的细化变质作用是最强的，获得了“细化剂之王”的美誉(图1)。添加质量分数为0.2%～0.4%的钪可以明显提高铝合金材料的高温力学性能、组织稳定性、可焊性和抗腐蚀性能，可避免长期高温工作时易产生的脆化现象。早在苏联时期，莫斯科巴伊科夫冶金研究所和全苏轻合金研究院的科学家向已有的铝合金添加微量钪开发出约20个含钪的铝合金，这是第一代Al-Sc合金，它们是超强韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新型高温铝合金、高强抗中子辐射铝合金。它们的问世与在许多关键部门的成功应用，使苏联及俄罗斯成为全世界Al-Sc合金研发与应用的领跑者。

图1 铝的晶粒尺寸与添加元素-铝相互作用参数Ω的关系Fig.1 Relationship between grain size of aluminum and added element-aluminum interaction parameter Ω

图1表示铝晶粒尺寸与添加元素-铝相互作用参数Ω的关系。可明显地看出，钪的细化效果最为显著，Ω又被称为晶粒细化准则(grain-refining criterion)，图中的实线为晶核型元素的，而虚线为表面活性型元素的[2]。有时除加钪之外，还添加锆，锆也能细化铝的晶粒，改善铝的组织，提高铝的性能，同时加入钪与锆，除了形成Al3Sc、Al3Zr之外，还会形成Al3(ScZr)三元化合物，更能优化铝的组织和性能。

Al-Sc-Zr三元相图如图2所示。

图2 Al-Sc-Zr三元相图Fig.2 Al-Sc-Zr ternary phase diagram

4.1 第一代Al-Sc合金[3]

苏联和俄罗斯科学院冶金研究所与轻金属研究院是全球Al-Sc合金研发领军者、发源地和应用者，始于20世纪70年代中期，1991年苏联解体后，有几位顶尖科学家移居其他国家，研发工作受到一些影响，但很快恢复过来。他们研发的第一代Al-Sc合金都是以现有的合金为基础，添加少量的钪，使其性能得到不同程度的改善，创造出了面貌迥异性能好的新合金，共有约20个，分别属于：Al-Mg系的015××系列，如01545、01570等；Al-Zn-Mg-Cu系的019××系列，如01970、01981等；Al-Mg-Li系的014××合金，如01420、01423等；Al-Cu-Li系的014xx系列，如01464合金等。苏联与俄罗斯的有关机构都没有参与美国铝业协会公司(AA)技术处的相关工作，因此它们的变形铝合金都从来没有在AA技术处注册过。

法国、美国、德国与中国等都对铝-钪合金做过一些研究，但工作的广度与深度远不如苏联与俄罗斯的，至今注册的合金只有4个常用合金(active alloys)，1个非常用合金。4个常用合金及成分(质量分数/%)是：法国的2023铝合金，2004年注册，0.10Si,0.15Fe,Cu3.6～4.5,Mn0.30,Mg1.0～1.6,Cr0.10,Ti0.05,Zr0.05～0.15,Sc0.01～0.06,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余Al;德国的5024铝合金，2008年注册，Si0.25,Fe0.40,Cu0.20,Mn0.020,Mg3.9～5.1,Cr0.10,Zn0.25,Ti0.20,Zr0.05～0.20,Sc0.10～0.40,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余Al;德国的5028铝合金，2014年注册，Si0.30,Fe0.40,Cu0.20,Mn0.30～1.0,Mg3.2～4.8,Cr0.03～0.15,Zn0.05～0.15,Sc0.02～0.40,其他杂质单个0.05、合计0.15,其余为Al;美国的7042铝合金，2009年注册，Si0.20,Fe0.20,Cu1.3～1.9,Mn0.20～0.40,Mg2.0～2.8,Cr0.05,Zn6.5～7.9,Zr0.11～0.20,Sc0.18～0.50,其他杂质单个0.05，合计0.15，其余Al。1个非常用合金(inactive alloy)是美国的5025铝合金，其成分(质量分数/%)：Si0.25,Fe0.25,Cu0.20,Mg4.5～6.0,Cr0.20,Zn0.25,Ti0.05～0.20,Zr0.10～0.25,Be0.0006,Sc0.05～0.55,其余Al。

4.2 第二代新型Al-Sc合金—海洋工程新合金

本文作者所说的新型Al-Sc合金即第二代Al-Sc合金，是俄罗斯联合铝业公司新近开发的海洋工程新合金。研发这种新合金的初心是，制造出一种性能优越的，成本效率高的、很有市场竞争力的万能型海洋工程合金，既是一种优秀的舰船铝合金，又是一种难得的各种海洋设施结构铝合金。

提高舰船竞争力的有效途径是减少其净质量，从而可以增加载荷和/或改善船舶技术参数，例如提高速度、降低燃料消耗、改善稳定性、增加航程，等等。

在舰船结构中，占净质量最多的是船壳，它的结构质量是整条船净质量的25%～40%，是减少船舰质量的关键，采用抗腐蚀和力学性能有相当高的Al-Mg-Sc合金厚板制造壳体是实现这一目标的最佳捷径。因为这类合金在冷加工状态和退火状态都有高的力学性能、优秀的可焊性、很强的抗海水和海洋气氛腐蚀性能。可替代久经考验的海洋工程5083型铝合金加工成各种半成品如薄板、厚板、挤压材与锻件等。

4.2.1 钪对铝材价格的影响

一方面钪是铝及铝合金最有效的晶粒细化剂，另一方面在现行用的合金化元素中钪又是价格最贵的。在过去五六年中，钪的价格虽然一直在下降，但仍未达到铝工业可以接受的水平，不会向所有的铝合金添加质量分数约0.25%的钪，钪仍是铝合金的一个昂贵的稀罕的细化剂，不轻易使用。

俄罗斯联合铝业公司近一段时间集中力量研发钪含量尽可能低一些的5×××系Al-Mg-Sc合金，以降低半成品的价格，而仍能保持钪的全盘优秀影响力。科学家选定5083型铝合金(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr)作为研究标杆，向其添加不同含量的钪。合金的屈服强度与Al3(Zr,Sc)强化相的关系如图3所示。图中合金O状态材料原点的成分相当于Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr的成分，L12结构的Al3(Zr,Sc)相的量随着钪的增加而上升，而锆的质量分数保持0.1%的恒定值。由图3可见，添加质量分数为0.05%的钪，合金的屈服强度上升很快，再增加钪含量，屈服强度仅缓缓地上升，与质量分数为0.05%的钪的并无多大差别。他们成功研制出了稀贵元素钪含量低的5×××系铝合金。

图3 L12结构的Al3(Zr,Sc)强化相体积分数对Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr(5083型)合金O状态2 mm厚度板材屈服强度的影响Fig.3 The effect of volume fraction of L12-structured Al3(Zr,Sc) strengthening phase on the yield strength of 2 mm-thick sheet of Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr(5083) alloy of O-temper

为了评估成分对材料经济效益的影响，研究者以每1 N/mm2的价格作标准，测定了4.5 mm厚O状态板材的力学性能，计算了3种成分合金的价格。

计算与分析结果显示，w(Sc)=0.05%～0.10%的合金板材每1 N/mm2屈服强度的价格至少比不含钪的5083铝合金的价格低10%以上。此时，如果用含钪的铝合金制造的船体结构(外壳)的质量减少了30%，那么用含w(Sc)=0.05%～0.10%的铝合金制造的船壳体成本与用5083铝合金板材制造的成本相等。计算结果显示，如果低钪含量铝合金的屈服强度比5083-O合金的高80%，则船壳体结构质量会减少，则制造成本会下降更多，w(Sc)=0.25%的铝合金在船壳制造成本在与5083-O的合金相比就没有竞争力了。低钪含量铝合金在舰船制造与海洋设施建设中除有价格方面的竞争优势外，在疲劳强度、抗蚀性、各种焊接工艺的可焊性等方面都各胜一筹。因此，可毫不夸张地说，低钪含量5083型铝合金是一类市场潜力大的优秀海洋工程铝合金。

4.2.2 工业性试生产结果

俄罗斯联合铝业公司弗曼(V.Mann)等对w(Sc)<0.1%的Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr合金进行了工业化铸造与热轧，热轧用的锭坯厚度300 mm～600 mm，宽1 400 mm～2 100 mm，热轧成带卷与单块板，热轧温度400 ℃～500 ℃，变形率77%～98%，研究了热轧温度与热变形率对板材屈服强度的影响，见表1。

表1 Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc合金热轧板的典型纵向力学性能Table 1 Typical longitudinal mechanical properties of Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc hot rolled sheet

经过热轧可形成如下的组织：

•高体积分数的弥散的L12结构的Al3(Zr,Sc)化合物组织；

•非再结晶的多边形的弥散的质点变形组织。

具有上述显微组织的热轧板有高的力学性能。值得注意的是，热轧板在高温下仍有稳定的力学性能，加热到400 ℃时屈服强度仍无明显下降。即使在钪质量分数仅有0.05%，也会形成大量弥散着的Al3(Zr,Sc)L12相质点，均匀地分散在α-Al基体中，同时，Al6Mn质点尺寸不大于200 nm，Al3(Zr,Sc)L12相质点的尺寸为10 nm～20 nm，亚晶粒的(subarain)平均尺寸不大于700 nm，合金的典型显微组织如图4所示。

图4 4.5 mm热轧板(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc-O)的透射电镜照片Fig.4 TEM photographs of 4.5mm hot rolled plate(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc-O)

力学性能分析显示，含钪合金的屈服强度为对比5083铝合金的1.8倍～2.3倍，同时有高的抗腐蚀性能(表2)，而与热处理可强化6061铝合金相比，它们的力学性能几乎相等，可是含钪5083型铝合金的抗腐蚀性能却要高得多。可焊性能研究表明，在氩弧焊接时，Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc合金薄板接头的力学性能比其他铝合金的(5083铝合金)高20%以上。

表2 含0.1%Sc的5083型铝合金的抗腐蚀性能Table 2 Corrosion resistance of 5083 aluminum alloy containing 0.1% SC

含钪的铝合金的腐蚀试验是按照综合军械控制系统(IACS)对可焊铝合金舰船壳体结构和海洋设施材料要求进行的。

5 中国对含钪铝合金的研究

5.1 建成世界最大氧化钪生产线和组建首个钪系材料工程研究中心

2019年1月21日，中冶新材料一期项目—氧化钪工程顺利投产，打通了生产线全流程，生产出了人们翘首以盼的高纯氧化钪，达产后该项目生产能力20 t/a，超过当前全世界的总产量，成为世界最大氧化钪研发生产基地。根据美国地质调查局的数据，2015年～2017年全球钪的产销量10 t～15 t，也就是全球对纯钪的需求目前不会超过5 t/a。

中冶新材料公司采用中冶集团自主研发的低成本红土镍矿提钪绿色工艺路线，在全球首次实现红土镍矿提钪的大规模工业化生产，产量可达20 t/a，可稳定地向市场大规模供应氧化钪，为含钪材料的研究及应用提供稳定的材料来源，消除了含钪材料大规模应用的原料忧虑，降低了含钪材料大规模应用的成本门槛，为国内Al-Sc合金生产提供稳定的原料支撑。

新组建的河北省钪系材料工程研究中心是一个国家研发中心，也是全球首个这样的研发基地，将在培育和辐射新兴科技及产业，推动和促进Al-Sc合金在航空航天、舰船与海洋设施、国防军工、新能源汽车和新一代信息产业等战略新兴产业的应用和发展发挥重要作用。

5.2 郑州轻研合金公司与东北轻合金有限责任公司的工作

中国在含钪的变形铝合金研发方面也做了一些工作，但与苏联及俄罗斯的工作相比还有较大差距，近期工作主要在郑州轻研合金科技有限公司与东北轻合金有限责任公司。

郑州轻研合金科技有限公司采用半连续铸造工艺于2018年成功铸得800 mm×200 mm的高强韧7×××系含钪的铝合金扁锭，热轧成厚50 mm～100 mm的板，而后冷轧成2 mm～10 mm的带材。板、带材的力学性能：抗拉强度Rm=530 N/mm2～730 N/mm2，伸长率A=12%～16%，远比成分相同不含钪的铝合金的高得多，同时还有优秀的可焊性能。目前，郑州轻研合金科技有限公司正在积极准备研制其他含钪的变形铝合金，如含钪的5B70铝合金，它的化学成分(质量分数/%，按GB/T 3190-2008)：Si0.10,Fe0.20,Cu0.05,Mn0.15～0.40,Mg5.5～6.5,Zn0.05,Sc0.20～0.40,Be0.0005～0.005,Ti0.02～0.05,Zr0.10～0.20,其他杂质单个0.05、合计0.15，其余为Al。按GB/T 3190，中国含钪的5×××系铝合金还有：5A70、5A71、5B71、5A25等。

东北轻合金有限责任公司的研制则走的是另一条路线，他们为节省高昂的Al-Sc中间合金原材料费用，降低商业化生产研制成本，先铸造含钪合金小规格锭坯，经均匀化退火与轧制，进行试验研究，摸清楚规律，而后再进行工业化生产，一举完成了高镁含钪5×××系铝合金成分设计优化全流程研制工作，既缩短了研制时间，又节约了Al-Sc中间铝合金投入量，节省了资金，为后续工业化研发提供了有力的技术支持。

东北轻合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所的路丽英、刘有金、贾宁等16位科技工作者研制的“大尺寸5B70 Al-Mg-Sc合金板材”是一种有良好综合性能的材料，可用于制造航天器的一些零部件，荣获2017年度中国有色金属工业科学技术一等奖。

东北轻合金有限责任公司、中南大学、航天材料及工艺研究所的王英君、张宏亮、刘平等12位科技工作者研制的“Al-Zn-Mg-Sc合金”于2018年获2017年度中国有色金属工业科学技术二等奖。

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6 Al-Sc合金的应用

钪的发现已有100多年，从20世纪70年代起进入应用开发阶段，近些年来，成为最为活跃的新兴材料之一，特别是Al-Sc合金。苏联及俄罗斯对钪的研究不但起步早，而且相当系统与全面，钪及其化合物的用量虽不大，但应用领域广，几乎涉及材料各个领域，如有色金属及其合金、电光源材料、精密陶瓷、固体电解质、催化材料、核工业材料、激光晶体、半导体和超导材料等许多领域。

2015年，欧盟委员会发布的《欧洲冶金路线图：生产商与终端用户展望》共涉及9种金属元素，其中在交通运输装备行业提出研究“Al-Mg-Sc合金的可焊性”。2018年2月，美国公布了35种关键矿产清单，钪就是其中之一，中国工信部发布的《高新材料首批次应用示范指导目录(2018年版)》共166种材料，其中有关钪及其产品的新材料有3种。

6.1 在金属材料中的应用

钪是许多有色金属的优良微合金化元素，特别是对铝有着神奇的合金化效果，只要向铝中添加千分之一的钪就会形成大量的Al3Sc质点，如同时加入微量锆则可形成三元新相Al3(Zr,Sc)，使合金的组织和性能发生意想不到的好作用。加入质量分数为0.2%～0.4%的Sc可以显著提高铝合金的高温强度、组织稳定性、可焊性和抗腐蚀性能，并可抑制长期高温下工作时的脆化现象。通过向现有铝合金添加微量钪可以开发出一系列新一代铝合金，如：超高强韧铝合金、新型高强抗蚀可焊铝合金、新型高温铝合金、高强抗中子辐射铝合金等，它们都在航空航天器、舰船、核反应堆、新能源汽车、高速列车等高端领域有一定或广泛应用。

在Al-Sc合金的研发和应用方面苏联及俄罗斯是世界的领跑者，它们已研发出约20个Al-Sc合金，如01570铝合金有很好的可焊性能，可以氩弧焊，也可以电子束焊，有余高接头在-196 ℃～250 ℃时的力学性能与基体金属的等同，无余高时，焊缝的力学性能约为基体金属的85%；在非热处理强化铝合金中，01570铝合金的可焊系数最高，航天器已用此合金焊接受力结构件。后来在01570铝合金基础上研制出01570C铝合金，在大型客机机身、高级乘人汽车、舰船结构制造中得到应用。

01571铝合金是一种良好的焊丝合金，其成分(质量分数/%)：Mg5.5～6.5,Sc0.30～0.40,Zr0.1～0.2,Ti0.02～0.05,以及微量的混合稀土和硼。此合金的抗拉强度稍低于01570铝合金的，但塑性则高一些，其焊丝用于焊接Al-Mg-Sc和Al-Zn-Mg-Sc合金。由于它含有钪、锆、钛，细化了焊缝组织，形成裂缝倾向大大下降。由于焊缝凝固速度很高，钪、锆、钛几乎全部溶于α-Al固溶体中，在随后的冷却中以Al3(Sc,Zr)和Al3Ti纳米粒子析出，提高焊缝的强度。

01545铝合金w(Mg)=4.0%～4.5%并含有微量钪及锆，由于其镁含量比01570铝合金的低，有相当好的加工成形性。俄罗斯科学家在此合金基础上研制出01545K铝合金，其w(Mg)=4.2%～4.8%。它在液氢温度20K有很高的抗拉强度和塑性，Rm≥600 N/mm2、Rp0.2≥430 N/mm2，A≥35%，已用于火箭液氢、液氧贮箱焊制。

01535铝合金除钪、锆含量与01570、01545铝合金的相等外，其镁含量则较低，w(Mg)=3.5%～4.5%，故其强度低一些，但有很好的塑性与成形性能，抗剥落腐蚀与应力腐蚀开裂的能力也相当强，抗拉强度Rm≥360 N/mm2，屈服强度Rp0.2≥290 N/mm2，伸长率A≥16%，是焊制低温液化气罐的良好材料。

01523铝合金是Al-Mg-Sc系中镁含量较低者，w(Mg)仅2%左右，但有很好的抗蚀性、成形性和抗中子辐照，但其强度性能比不含钪、锆合金的高得多，用于焊接与高腐蚀介质接触的零部件如含H2S高的原油容器管道，以及抗中子辐照的焊接结构件。

俄罗斯的成型Al-Zn-Mg-Sc系铝合金有3个：01970、01975、01981。它们的w(Zn)为4.5%～5.5%、w(Mg)约2%，w(Zn)/w(Mg)=2.6,w(Cu)=0.35%～1.0%,w(Sc+Zr)=0.30%～0.35%。

01975铝合金的化学成分与01970铝合金的相近，唯一不同之处是其钪含量低，w(Sc)只有约0.07%，它有很好的可塑性，可在挤压机上淬火，T6状态有高的强度，有优异的可焊性，也有相当强的抗剥落腐蚀和应力腐蚀能力，是制造高速列车车厢、地铁车厢、桥梁的良好材料。

01981铝合金是一种新型的含有铜的Al-Zn-Mg-Sc系合金，其性能与7055铝合金的大体相当，强度高、弹性模量也高，还有低的各向异性和高的断裂韧性。

向01420铝合金(Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr)中添加微量钪就形成了含钪的新型01421、01423铝合金，它们的密度2.5 g/cm2，并有良好的可焊性，已在航空航天器制造中获得应用。

现在成型的Al-Cu-Li-Sc合金有2个：01460和001464，有良好的可焊性和低温性能。01460铝合金可以氩弧焊；在液氢温度时的抗拉强度由室温时的550 N/mm2上升到680 N/mm2，伸长率A由7%达到10%。俄罗斯已用此合金焊接火箭低温燃料箱。

01464铝合金是01460铝合金的发展，密度2.65 g/cm3，弹性模量70 GN/mm2～80 GN/mm2，经形变热处理后有高的强度、塑性、可焊性、抗蚀性、抗冲击性与抗热裂性，还有相当强的热稳定性，可在120 ℃长期工作，是一种良好的航空航天铝合金。

钪还可以作为制备热敏特殊合金的添加元素，钪可改善钢、铸铁、钛合金、镍合金和Cr-W基高温合金等的力学性能和抗氧化性。向镁、铜等合金中添加钪，对它们的一些性能也有裨益。利用高温电解法使钪渗入基底金属，可在基底金属表层形成一层有益的薄的“钪化”层。

6.2 钪化物的应用

Sc2O3是目前石化工业用得较多的领域之一。含Sc2O3的Pt-Al催化剂用于精炼石油中的重油氢化精炼；Sc2O3也是CO及N2O氧化和合成氨等、生产乙烯和用废酸生产氯的高效催化剂。Sc2O3单晶已用于制造仪器，可用于制作高品质铁基永磁体，用Sc2O3取代铁氧体中部分氧化铁可提高矫顽力。在高温反应堆UO2燃料中加入少量Sc2O3可避免UO2转变成U3O6、发生晶型转变、体积增大和出现裂纹。Sc2O3是核反应堆最好的绝缘定位陶瓷(固定接收器和发射器的定位陶瓷，要求陶瓷的辐照肿胀小、膨胀系数小、热导率低)，它的辐照肿胀与辐照剂量关系不大，肿胀到一定程度后不再变化。Sc2O3的一些性能优于BeO、MgO、Al2O3、ZrO2的，是一种优秀的陶瓷材料，它的热冲击性能超过常用的MgO、Al2O3和ZrO2的，是良好的火焰喷涂玻璃组分。将Sc2O3加到ZrO2和Y2O3中，就成为一种导电材料，向ZrO2陶瓷中和Y2O3陶瓷中添加Sc2O3就成为一种导电耐火材料，含有Sc2O3的ZrO2陶瓷不会发生晶型转变，也就不会发生龟裂了。以Sc2O3稳定的氧化锆(ScSZ)替代传统的氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)用于固体氧化物燃料电池(SOFC)，可提高SOFC的功率1倍，是有良好应用前景的中温固体电解质材料。

用钪等稀土元素的复合氧化物制成的材料拥有负的热胀系数，有极好的应用前景，可与常规材料复合成热胀系数接近零的材料，成为一种难得的高端高温材料，可用于制造航空航天器元器件、发动机零部件、集成电路板、光学器件等，另外，在声、光、电、磁等功能材料方面无疑有潜在的应用价值。

在异丙基苯裂化过程中，ScY沸石催化剂比硅酸铝的活性大1 000倍。Sc2Se3和Sc2Te3等是良好的半导体材料。Sc2S3可作热敏电阻和热电发生器。钪的硼化物ScB6是制造电子管的阴极材料。ScI3是电光源材料，和NaI受激发时，钪、钠原子从高能激发态跳回低能级时，就辐射一定波长的光，这就是高亮度的钪钠灯。钪的谱级线为361 nm～424.7 nm，为近紫外和蓝色光，钠的谱线为589.6 nm，为黄色光，它们匹配成接近太阳光。回到基态的钪、钠原子又与碘原子化合成碘化物。钪钠灯具有发光效率高、显色性好、使用期长、破雾力强、体积小巧、使用方便等特点。与白炽灯相比，钪钠灯可节电80%，比汞灯节电50%，钪钠灯的使用寿命5 000 h～25 000 h，而白炽灯的仅1 000 h。钪钠灯广泛应用于电影电视摄像、体育场馆、机场、码头、车站、街道等场所的高亮度照明。

钪在激光技术领域有着广泛的应用，21世纪以来日本30%钪用于制造激光器，钇钪镓石榴石(Cr,Nd:Gd3Sc2Ga3O12)激光器早已受到工业发达国家的重视，它们都先后制成了大尺寸激光晶体，简称GSGG晶体，其钕离子浓度为钇铝石榴石的3倍，晶体尺寸大、质量高，适于制造千瓦级平均输出板条激光器，除在国民经济各部门有广泛的应用外，更可贵的是，可在激光武器制造中大显身手，美国曾计划用于核聚变研究和星球大战计划，也可用于潜艇水下激光器制造。

钪可用于可控热核反应中，它俘获中子有效截面为25 b，可用于制作反应堆核燃料外壳等部位的结构材料。Sc2S3可用作反应堆不含氧的特种耐火材料，氢化钪是粒子加速器的良好靶材。钪还是中子的优秀过滤器，可使2 keV的电子顺利通过，而阻止其他能量的中子通过。在高温反应堆UO2燃料中加入少量Sc2O3可避免UO2变成U2O3。

照射可使钪产生放射性同位素46Sc，可作为γ射线源和示踪原子用于科研和生产各个方面，如医疗方面可用于治疗深部恶性肿瘤。钪化氘(ScD3)和氚化物(ScT3)可用于铀矿探测。

7 结束语

钪是铝及铝合金最强烈的晶粒细化剂，在w(Sc)≤0.1%的微量合金化元素中也是对铝及铝合金综合性能最有益的元素，低钪含量(w(Sc)=0.05%～0.1%)5083型铝合金是综合性能最优秀的舰船与海洋工程材料，不但在各项性能方面全面胜出其他材料的，而且在价格方面也不逊于其他材料的，这种合金板材每1 MPa(N/mm2)屈服强度的价格至少比标准5083铝合金的低10%以上。性能的大面积提高是由于形成了弥散的L12结构的Al3(Sc,Zr)相与热处理时再结晶受到抑制。采用这种低钪含量5083型铝合金制造的舰船壳体结构的净质量至少比用传统材料制造的轻30%。同时，电子舰船净质量减少可以多装货物与武器弹药，可以减少燃料消耗；由于新合金的抗蚀性强，维护工作可减少。

中国钪资源世界第一，又建成了全球最大的20 t/a高端氧化钪生产线，组建了世界首个河北省钪系材料工程研究中心，具备了发展Al-Sc合金的一切条件，现在首要工作是要宣传Al-Sc合金的优越性，大力推广其应用。