分享：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 !!" #。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 "$"%&， 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 %""’("" 万 # 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 )*+( 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 ,"&，寿命可达 %-""" .，采用钪的钆钪镓石榴石晶体用直拉法已获 得直径 /(" 00、长 /"" 00 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 ($- 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 /1%/ 合金 （234%$/564-$%784 "$/%9:）就使用了少量钪。前苏联自 ;" 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 %< 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 23()* 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 234784)*、2349=4784)*、234784 564)*、234>?4564)@、2349=4784>?4)* 等合金 系列近 %" 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 !"#$%#&’ 和 !"#&(#&’ 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 $)*+ 的三元 钪铝合金 !",-.,&’ 利用钪和锆的协同强化作用， 通过 !"/&’ 和 !"012 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 3*0* 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。4554 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 +666 的 !"718#-.# $% 合金进行了改性研究。!"#18#-.#$% 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 !"#18#-.#$% 内加入少量钪和锆，合金内锌 的含量可以突破 +9的上限，增高到 :;9，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 <=49，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。>??@ 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 0<< 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。 4<<4 年美国已有 @ 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 0 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 @*<-AB，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 : 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 ;<<0 年初获得欧洲市场 * 万辆的 订单，每辆车高达 C<<< 元新台币 （合人民币 ;<<< 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。

文章来源——金属世界