铝钪合金及其制备方法与流程

本发明属于高性能铝合金材料技术领域，具体而言，本发明涉及铝钪合金及其制备方法。

背景技术：

铝合金中添加钪元素，可显著细化合金晶粒组织和提高再结晶温度，从而改善铝合金的抗蚀性、耐热性、可焊性和抗中子辐射损伤性能。由于铝钪合金具有重量轻、强度高、塑性好、耐高温、耐腐蚀及可焊性好等优异特性，其作为先进的高性能轻质结构材料，可广泛应用于航空航天、汽车、轨道交通、军工科防等领域。

目前制备铝钪合金主要有对掺法、热还原法和熔盐电解法。对掺法是将金属钪直接加入到熔化的铝熔体中，恒温搅拌后浇铸而制得，但是铝和钪的熔点相差很大，使得对掺法所需温度高、恒温时间长，铝钪烧损严重，且铝钪熔合不均匀，铝钪合金组织成分偏析严重。熔盐电解法是将含钪原料加入到特定熔盐电解质体系中，在电场的作用下，电解质中的钪离子还原形成金属钪，进而形成铝钪合金，但所需装置复杂，需经常更换电解槽，钪的转化率不高，铝钪合金生产成本高，伴有大量固废熔盐产生，对环境造成一定的污染。热还原法以含钪化合物为原料，使用金属铝为还原剂，高温下含钪原料在铝熔体中被还原为金属钪，生成的金属钪向铝熔体中扩散或与铝形成铝钪化合物，当熔体中钪的浓度达到规定值时，浇铸得到铝钪合金，操作简便，对设备要求较低，生产成本低，有利于在工业化生产中实现。

目前常用的制备铝钪合金的方法大部分为热还原法和电解法，电解法有：先将无水kf和无水alf3混合后加入sc2o3混合均匀制得熔盐，将熔盐升温至720-1020℃熔化后保温30-60min，向其中加入金属铝作为还原剂，在720-1020℃下保温30-60min进行热还原反应，电解质部分去除后，将合金部分浇铸制得铝钪中间合金。热还原法有：将熔盐按照一定比例混合后，加入熔化的纯铝熔体中，然后在一定温度下发生还原反应制得铝钪中间合金，由于混合熔盐粉体中掺杂大量气体，加入熔融的铝液中极易产生氧化烧损，而造成混合熔盐成分变化，影响下一步铝热还原反应，使得铝钪中间合金成分不易控制；也有的采用的氟化剂为nh4hf2具有强刺激性、毒性，长时间接触对身体造成危害，并对环境污染严重，因此不利于工业化生产；有的以氟化钪和铝为原材料通过热还原法制备铝钪合金，缺点是还原反应需在真空反应器中进行，需要1100-1350℃的高温，显著增加生产成本，另外高真空度、高温环境对还原设备要求较高，不易实现工业化应用。由此可知，目前电解法装置复杂、成本较高，热还原法生产的铝钪合金面临组织、成分不均匀的问题。

因此，现有生产铝钪合金的方法有待进一步改进。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种铝钪合金及其制备方法。该方法采用熔盐制备和热还原反应两步法制备铝钪合金，简单快捷、熔盐成分可调、钪含量可控，铝钪合金成分组织均匀、钪含量稳定，成分偏析小。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备铝钪合金的方法，根据本发明的实施例，该方法包括：

(1)将卤化物干燥后混合，加热熔化保温后冷却，以便得到块状混合熔盐；

(2)将铝锭加热熔化后，加入所述块状混合熔盐，继续加热至熔盐完全熔化，然后分批次加入含钪化合物，并分批次补充加入所述块状混合熔盐，以发生还原反应得到铝钪合金。

根据本发明实施例的制备铝钪合金的方法，通过采用熔盐制备和热还原反应两步法制备铝钪合金，有效解决了热还原过程中氧化物氧化烧损的问题，显著提高了钪的利用率和实收率，降低了生产成本。通过将卤化物干燥后混合加热熔化保温后再冷却，形成块状混合熔盐，即将原本粉状的原料变为混合均匀的块状原料再加入至热还原反应中，有利于维持热还原反应过程中熔盐体系的稳定。且整个热还原过程中分阶段添加补充混合熔盐和含钪化合物，可有效改善因挥发而造成热还原反应过程中熔盐体系改变的问题，进一步提高了熔盐体系的稳定性，进而有利于避免熔盐体系不稳定带来的热还原反应不可控问题，同时可定量控制铝钪合金中钪的含量。由此，该方法简单快捷、熔盐成分可调、钪含量可控，铝钪合金成分组织均匀、钪含量稳定，成分偏析小。

另外，根据本发明上述实施例的制备铝钪合金的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述卤化物为选自氯化钠、氯化钾、氟化钠、六氟铝酸钠中的至少之一。由此，可进一步提高热还原反应的效率和效果。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述卤化物的粒度为50-300目。由此，可进一步提高热还原反应的效率和效果。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述卤化物包括氯化钠、氯化钾、氟化钠和六氟铝酸钠。由此，可进一步提高热还原反应的效率和效果。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述氯化钠、氯化钾、氟化钠和六氟铝酸钠的质量比为1：1-2：2：4-6。由此，可进一步提高热还原反应的效率和效果。

在本发明的一些实施例中，在步骤(1)中，所述加热温度为800-900℃，保温时间为10-30min。由此，可进一步提高块状混合熔盐的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述铝锭与所述块状混合熔盐的质量比为10：5-6。由此，可进一步提高钪的实收率。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述铝锭与所述含钪化合物的质量比为4-20：1。由此，可进一步提高铝钪合金的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述含钪化合物为选自氧化钪、氟化钪和氯化钪中的至少之一。由此，可进一步提高铝钪合金的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述含钪化合物为氧化钪和氟化钪的混合物。由此，可进一步提高铝钪合金的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述氧化钪和所述氟化钪的质量比为3：0.5-2。由此，可进一步提高铝钪合金的品质。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述分批次加入含钪化合物为：每5-15min添加所述含钪化合物质量的5-30％。由此，可进一步提高铝钪合金的品质和钪的实收率。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述分批次补充加入所述块状混合熔盐为：每10-30min补充添加首次加入的所述块状混合熔盐质量的5-10％。由此，可进一步提高铝钪合金的品质和钪的实收率。

在本发明的一些实施例中，在步骤(2)中，所述还原反应的温度为850-1000℃，时间为30-180min。由此，可进一步提高铝钪合金的品质和钪的实收率。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种铝钪合金，根据本发明的实施例，所述铝钪合金是采用上述制备铝钪合金的方法制备得到的。由此，该铝钪合金成分偏析小，组织、成分均匀，成本低，且钪含量可控且稳定。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的制备铝钪合金的方法流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种制备铝钪合金的方法，根据本发明的实施例，参考图1，该方法包括：

s100：将卤化物干燥后混合，加热熔化保温后冷却

该步骤中，将卤化物干燥后混合，加热熔化保温后冷却，以便得到块状混合熔盐。发明人发现，通过将卤化物干燥后混合加热熔化保温后再冷却，形成块状混合熔盐，即将原本粉状的原料变为混合均匀的块状原料再加入至热还原反应中，有利于维持热还原反应过程中熔盐体系的稳定，进而有利于避免熔盐体系不稳定带来的热还原反应不可控问题。进一步的，熔化保温有利于促进块状混合熔盐中各组分均匀分布。具体的，卤化物的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为选自氯化钠、氯化钾、氟化钠、六氟铝酸钠中的至少之一，优选的，卤化物包括氯化钠、氯化钾、氟化钠和六氟铝酸钠。进一步优选的，卤化物为氯化钠、氯化钾、氟化钠和六氟铝酸钠的混合物，氯化钠、氯化钾、氟化钠和六氟铝酸钠的质量比也不受特别限制，例如可以为1：1-2：2：4-6，如为1：1/1.2/1.4/1.6/1.8/2：2：4/4.25/4.5/4.75/5/5.25/5.5/5.75/6。发明人发现，在该质量比范围内，所得的块状混合熔盐的密度、粘度及熔点所影响的后期分离、流动性及反应温度，均可使整个热还原反应过程达到最佳状态。进一步的，卤化物原始状态为粉末状，其粒度可以为50-300目，如可以为50目、100目、150目、200目、250目、300目。发明人发现，该颗粒尺寸可以使熔盐反应更充分，且烧损不严重。进一步的，卤化物干燥可以在干燥箱中加热至110℃左右，然后保温120min左右。干燥后卤化物的含水率小于2.0wt.％。发明人发现，含水率过高可使混合熔盐中部分组分发生水解或副反应，对熔盐体系造成毒性。进一步的，可以将干燥后卤化物混合均匀后，放入石墨坩埚内加热熔化，搅拌并保温。需要说明的是，加热温度和保温时间并不受特别限制，本领域技术人员可以根据所选择的卤化物进行选择，例如加热温度可以为800-900℃，如可以为800℃、820℃、840℃、860℃、880℃、900℃，保温时间可以为10-30min，如可以为10min、15min、20min、25min、30min。

s200：将铝锭加热熔化后，加入块状混合熔盐，继续加热至熔盐完全熔化，然后分批次加入含钪化合物，并分批次补充加入块状混合熔盐

该步骤中，将铝锭加热熔化后，加入块状混合熔盐，继续加热至熔盐完全熔化，然后分批次加入含钪化合物，并分批次补充加入块状混合熔盐，以发生还原反应得到铝钪合金。发明人发现，通过将铝锭熔化后再加入块状混合熔盐，因混合熔盐为块状，可避免在将混合熔盐加入熔化后的铝锭的过程中及在混合熔盐熔化过程中卤化物的浪费，进而进一步维护热还原反应过程中熔盐体系的稳定，促进铝锭和含钪化合物的反应，提高钪的实收率，进而提高铝钪合金的品质。同时，块状混合熔盐是在铝锭加热熔化后再加入的，可减少混合熔盐熔化的时间，进而可进一步避免熔盐的浪费，维持还原反应体系的稳定。待初始加入的块状混合熔盐熔化后，即具备了热还原反应条件后，分批次加入含钪化合物，使得含钪化合物与铝锭反应充分，显著提高钪的利用率和实收率，同时在还原反应过程中分批次补充加入块状混合熔盐，使得铝锭和含钪化合物的反应环境始终维持稳定，进而进一步促进热还原反应的进行，使得所得铝钪合金成分偏析小，组织均匀，且钪含量稳定。具体的，待铝锭加热至700℃熔化后，加入块状混合熔盐，需要说明的是，铝锭与首次加入的块状混合熔盐的质量比不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为10：5-6，如为10：5/5.1/5.4/5.6/5.8/6，发明人发现，高于或低于此范围会造成熔盐的烧损或反应不彻底。继续加热至熔盐完全熔化，向其中分阶段加入含钪化合物并搅拌。含钪化合物的具体类型也不受特别限制，例如可以为选自氧化钪、氟化钪和氯化钪中的至少之一，优选氧化钪和氟化钪的混合物。且氧化钪和氟化钪的质量比可以为3：0.5-2。例如可以为3：0.5/1/1.5/2。发明人发现，此范围外的混合物比例会使得钪还原不充分，且会提高成本。铝锭与含钪化合物的质量比也不受特别限制，例如可以为4-20：1，如为4/6/9/10/13/15/17/20：1。发明人发现，此范围内可使钪化合物中钪的实收率大幅提高，合金中成分符合标准要求。分批次加入含钪化合物可以为每5-15min添加含钪化合物质量的5-30％。发明人发现，补充含钪化合物，平衡反应向右移动，可使还原反应更充分。同时，每隔一段时间补充添加块状混合熔盐，具体可以为每10-30min补充添加首次加入的块状混合熔盐质量的5-10％。发明人发现，这样可避免反应过程中因挥发而造成的熔盐体系组分的变化。整个过程都伴有搅拌，搅拌的具体形式不受特别限制，例如可以为机械搅拌，具体搅拌方式本领域技术人员可以根据反应情况灵活选择，例如可以采用机械搅拌每20分钟搅拌一次，每次搅拌1分钟。进一步的，整个还原反应在850-1000℃下进行，持续30-180min。发明人发现，此范围外还原反应不能发生或者是熔盐烧损严重，熔盐体系不可控，得不到所设计的合金成分。反应结束后，将上层反应后混合熔盐液去除，浇筑下层即可得到铝钪合金。

根据本发明实施例的制备铝钪合金的方法，通过采用熔盐制备和热还原反应两步法制备铝钪合金，有效解决了热还原过程中氧化物氧化烧损的问题，显著提高了钪的利用率和实收率，降低了生产成本。通过将卤化物干燥后混合加热熔化保温后再冷却，形成块状混合熔盐，即将原本粉状的原料变为混合均匀的块状原料再加入至热还原反应中，有利于维持热还原反应过程中熔盐体系的稳定。且整个热还原过程中分阶段添加补充混合熔盐和含钪化合物，可有效改善因挥发而造成热还原反应过程中熔盐体系改变的问题，进一步提高了熔盐体系的稳定性，进而有利于避免熔盐体系不稳定带来的热还原反应不可控问题，同时可定量控制铝钪合金中钪的含量。由此，该方法简单快捷、熔盐成分可调、钪含量可控，铝钪合金成分组织均匀、钪含量稳定，成分偏析小。

在本发明的再一个方面，本发明提出了一种铝钪合金，根据本发明的实施例，所述铝钪合金是采用上述制备铝钪合金的方法制备得到的。由此，该铝钪合金成分偏析小，组织、成分均匀，成本低，且钪含量可控且稳定。需要说明的是，上述制备铝钪合金的特点和优势同样适用于该铝钪合金，对此不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

(1)将50目粉末状卤化物熔盐在110℃下干燥120min，然后按照naf：kcl：nacl：na3alf6＝1：1：2：5的比例配料，配得120g的粉末状混合熔盐，混合均匀后放入坩埚内加热至850℃，熔化并搅拌，保温20min后，倒入容器中冷却，制得块状混合熔盐；

(2)称取200g铝锭，放入石墨坩埚中加热至700℃熔化，然后向其中添加100g块状混合熔盐，加热至熔盐块完全熔化，在900℃下开始进行还原反应，并且每10min称取5g含钪化合物加入熔体中，含钪化合物中sc2o3：scf3＝3：0.5，整个过程每20min搅拌一次，每次搅拌1min，且每15min添加10g块状混合熔盐，还原反应60min后，将上层反应后混合熔盐液去除，下层浇铸制得含钪2.14wt％的铝钪合金，钪的实收率为96.8％。

实施例2

(1)将200目粉末状卤化物熔盐在110℃下干燥120min，然后按照naf：kcl：nacl：na3alf6＝1：2：2：6的比例配料，配得350g的粉末状混合熔盐，混合均匀后放入坩埚内加热至900℃，熔化并搅拌，保温30min后，倒入容器中冷却，制得块状混合熔盐；

(2)称取500g铝锭，放入石墨坩埚中加热至700℃熔化，然后向其中添加300g块状混合熔盐，加热至熔盐块完全熔化，在1000℃下开始进行还原反应，并且每10min称取10g含钪化合物加入熔体中，含钪化合物中sc2o3：scf3＝3：1，整个过程每20min搅拌一次，每次搅拌1min，且每15min添加20g块状混合熔盐，还原反应30min后，将上层反应后混合熔盐液去除，下层浇铸制得含钪1.74wt％的铝钪合金，钪的实收率为97.3％。

实施例3

(1)将300目粉末状卤化物熔盐在110℃下干燥120min，然后按照naf：kcl：nacl：na3alf6＝1：1：2：4的比例配料，配得250g的粉末状混合熔盐，混合均匀后放入坩埚内加热至800℃，熔化并搅拌，保温10min后，倒入容器中冷却，制得块状混合熔盐；

(2)称取400g铝锭，放入石墨坩埚中加热至700℃熔化，然后向其中添加220g块状混合熔盐，加热至熔盐块完全熔化，在850℃下开始进行还原反应，并且每10min称取5g含钪化合物加入熔体中，含钪化合物中sc2o3：scf3＝3：2，整个过程每20min搅拌一次，每次搅拌1min，且每15min添加10g块状混合熔盐，还原反应180min后，将上层反应后混合熔盐液去除，下层浇铸制得含钪2.32wt％的铝钪合金，钪的实收率为96.4％。

实施例4

(1)将200目粉末状卤化物熔盐在110℃下干燥120min，然后按照naf：kcl：nacl：na3alf6＝1：1：2：6的比例配料，配得200g的粉末状混合熔盐，混合均匀后放入坩埚内加热至860℃，熔化并搅拌，保温20min后，倒入容器中冷却，制得块状混合熔盐；

(2)称取300g铝锭，放入石墨坩埚中加热至700℃熔化，然后向其中添加150g块状混合熔盐，加热至熔盐块完全熔化，在950℃下开始进行还原反应，并且每10min称取6g含钪化合物加入熔体中，含钪化合物中sc2o3：scf3＝3：2，整个过程每20min搅拌一次，每次搅拌1min，且每15min添加15g块状混合熔盐，还原反应120min后，将上层反应后混合熔盐液去除，下层浇铸制得含钪2.57wt％的铝钪合金，钪的实收率为95.7％。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。