一种制备铝钪合金的铝热还原方法与流程

1.本发明涉及铝合金技术领域，具体是一种制备铝钪合金的铝热还原方法。


背景技术：

2.钪是一种柔软、银白色的过渡金属。在地壳中钪的含量约为0.0005％，是一种非常稀有的金属材料。在铝合金中加入微量的钪，可通过形成al3sc金属间化合物促进晶粒细化，提高再结晶温度250℃～280℃，是铝合金中最有效的变质剂，使其力学性能、焊接性能、成型性能和耐腐蚀性能等均得到很大提高。因此，铝钪合金在汽车轻量化、航空航天、军工兵器、舰船等领域展现出巨大的应用前景。此外，在平板显示、大规模集成电路等领域，采用铝钪合金靶材作为配线材料，可以提高硬度，改善应力迁移，有效避免与铝原子流出、断线有关的电子迁移和应力迁移，在信息材料领域有着极为重要的应用。
3.目前，铝钪合金的制备方法主要有对掺法、熔盐电解法和金属热还原法。对掺法是是将一定的高纯金属钪用铝箔包好后，在氩气的保护下掺入铝液中，保温足够时间，充分搅拌后浇铸即可得到铝钪中间合金。但由于铝与钪的熔点相差很大，铝熔体需过热到较大的温度，很难配制出成分稳定、分布均匀的中间合金产品，也难避免钪的烧损，生产成本偏高。
4.熔盐电解法采用钪的化合物为原料，高温下溶解在适当的熔盐中形成熔盐电解质体系。熔融电解质装在电解槽中，石墨阳极浸入电解质中，液态金属铝和浸入其中的石墨棒或石墨槽本身构成阴极。在直流电场的作用下，电解质中的sc
3
向阴极迁移，还原形成金属钪。电解产生的金属钪不断向铝熔体中扩散，形成铝钪合金熔体，浇铸冷却即得到铝钪中间合金。该方法装置复杂，电流效率低。在发明专利cn104746106b中，采用m3alf
6-alf3为基本电解质体系，采用点式下料的方法，获得含钪量在1.5-3.0％的铝钪中间合金。
5.金属热还原采用的是氟化钪或氧化钪为原料，金属铝或其他活泼金属为还原剂。高温下钪原料在金属熔体中被还原为金属钪，新生成的钪向金属熔体扩散，当熔体中钪的浓度达到规定值时，出炉浇铸冷却得到含钪中间合金。主要有氟化钪真空铝热还原法、氯化钪-铝镁热还原法、氧化钪-铝热直接还原法、氧化钪-冰晶石-氯化钠(钾)熔盐铝热还原法等几种。这几种方法主要的问题是钪的收率比较低，在70-80％之间。在发明专利cn106987735a中，利用感应电炉，将氯化物和氟化物混合后加入到表面覆盖熔盐的高温铝液中，直接制备出铝钪合金。在发明专利cn102337406b中，将氧化钪、氟化钪和熔盐按一定比例混合后，加入铝液中保温60分钟，冷却浇注。钪的收率在85-93％之间。
6.在上述方法中，对掺法金属烧损大，成本高，且成分不均匀或不稳定；熔盐电解法装置复杂，电流效率低；氟化钪真空热还原法需要在高温高真空，设备复杂；氯化钪金属热还原法尽管还原温度低，钪收率相对较高，但需要首先制备氯化钪熔盐，工艺流程长；氯化钪/氧化钪铝热还原工艺原理简单，但制备的产品钪含量偏低。因此开发含钪量高、收率高的铝钪合金制备新工艺具有很重要的意义。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种制备铝钪合金的铝热还原方法，解决了背景技术中钪的收率不高、合金中钪含量较低的问题，本发明利用氧化钪和铝粉作为原料，采用介电阻挡放电等离子体辅助球磨方法，通过等离子体和机械球磨的耦合，十分有效地加速粉末的细化及促进机械合金化进程，明显降低铝/氧化钪还原反应的活化能，促进固-固原子间的扩散，极大增强化合物的低温合成能力。将等离子体球磨处理后的氧化钪/铝粉体进一步混合冰晶石粉体后，投入到基体合金熔体中，可以提高氧化钪粉体的浸润性，降低氧化钪的还原反应温度，减少钪在铝液的烧损，从而提高钪的收率。同时，氧化钪通过细化和活化处理后，可以提高钪在合金中的含量及成分一致性。进一步利用此方法制备的铝钪合金通过压铸后，测得其力学性能十分优异。
8.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
9.一种制备铝钪合金的铝热还原方法，包括下列制备步骤：
10.(1)将氧化钪粉体和铝粉混合后加入到等离子体球磨机中，在惰性气氛下连续球磨；
11.(2)将上述球磨处理后的氧化钪/铝粉体进一步与冰晶石na3alf6粉体混合均匀，直接加入到高温基体铝液中保温，充分搅拌、混合均匀后冷却浇铸，即可得到铝钪中间合金。
12.对本发明进一步的描述，所述步骤(1)中连续球磨的时间为1-10h。
13.对本发明进一步的描述，所述步骤(1)中等离子体球磨机的球磨罐及磨球均为氧化锆，且球料质量比为40-60:1，等离子体电源放电参数为10-30kv，频率10-20khz，放电电流为1.0-3.0a。
14.对本发明进一步的描述，所述步骤(1)和(2)中的氧化钪粉体、铝粉和冰晶石粉的质量比为1：1-1.5：4-8。
15.对本发明进一步的描述，所述球磨罐中的惰性气氛为氮气、氩气中的一种或者几种。
16.对本发明进一步的描述，所述步骤(2)中高温铝液的温度为680-750℃，反应时间为60-120min。
17.与现有技术相比，本发明的优点：
18.本发明制备方法的铝钪合金其高收率、高钪含量；采用本发明制备的铝钪合金，钪的含量在0.1-4.0％之间，钪的收率＞98％，压铸后其平均屈服强度大于400mpa。
具体实施方式
19.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.实施例1：
21.一种制备铝钪合金的铝热还原方法，包括下列制备步骤：
22.(1)将氧化钪粉体和铝粉混合后，在等离子体球磨机中，在惰性气氛下连续球磨；
23.(2)将上述球磨处理后的氧化钪/铝粉体和冰晶石na3alf6粉体混合后，直接加入到
高温基体铝液中保温，充分搅拌、混合均匀后冷却浇铸，即可得到铝钪中间合金。
24.本实施例的一种优选技术方案，步骤(1)中连续球磨的时间为5h。
25.本实施例的一种优选技术方案，步骤(1)中离子体球磨机的球磨罐及磨球均为氧化锆，且球料质量比为40:1，等离子体电源放电参数为10kv，频率10khz，放电电流为1.5a。
26.本实施例的一种优选技术方案，步骤(1)和(2)中氧化钪粉体、铝粉和冰晶石粉的质量比为1：1：4。
27.本实施例的一种优选技术方案，球磨罐中的气氛为高纯氮气。
28.本实施例的一种优选技术方案，步骤(2)中高温铝液的温度为700℃，反应时间为120min。
29.实施例2：
30.一种制备铝钪合金的铝热还原方法，包括下列制备步骤：
31.(1)将氧化钪粉体和铝粉混合后，在等离子体球磨机中，在惰性气氛下连续球磨；
32.(2)将上述球磨处理后的氧化钪/铝粉体和冰晶石na3alf6粉体混合后，直接加入到高温基体铝液中保温，充分搅拌、混合均匀后冷却浇铸，即可得到铝钪中间合金。
33.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)中连续球磨的时间为10h。
34.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)中离子体球磨机的球磨罐及磨球均为氧化锆，且球料质量比为50:1，等离子体电源放电参数为20kv，频率15khz，放电电流为1.0a。
35.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)和(2)中氧化钪粉体、铝粉和冰晶石粉的质量比为1：1.2：6。
36.本实施例的一种优选技术方案，所述球磨罐中的气氛为高纯氩气。
37.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(2)中高温铝液的温度为750℃，反应时间为60min。
38.实施例3：
39.一种制备铝钪合金的铝热还原方法，包括下列制备步骤：
40.(1)将氧化钪粉体和铝粉混合后，在等离子体球磨机中，在惰性气氛下连续球磨；
41.(2)将上述球磨处理后的氧化钪/铝粉体和冰晶石na3alf6粉体混合后，直接加入到高温基体铝液中保温，充分搅拌、混合均匀后冷却浇铸，即可得到铝钪中间合金。
42.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)中连续球磨的时间为1h。
43.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)中离子体球磨机的球磨罐及磨球均为氧化锆，且球料质量比为60:1，等离子体电源放电参数为30kv，频率20khz，放电电流为3.0a。
44.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(1)和(2)中氧化钪粉体、铝粉和冰晶石粉的质量比为1：1.5：8。
45.本实施例的一种优选技术方案，所述球磨罐中的气氛为高纯氩气。
46.本实施例的一种优选技术方案，所述步骤(2)中高温铝液的温度为750℃，反应时间为90min。
47.按照上述方法，在7系铝合金基体上制备铝钪合金，将钪的含量固定在0.15％。进一步压铸后制备成标准样品，测量其力学性能，如下表所示：
[0048] 抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)延伸率(％)实施例14704404.6实施例24654205.2实施例34804434.8
[0049]
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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变形。