朱 凱，王祝堂

(1.成都飛機工業(yè)(集團)有限責任公司，四川 成都 610091；2.中國有色金屬加工工業(yè)協(xié)會，北京 100814)

1 鈧的性質與儲量

鈧是一種稀土金屬或稀土元素。稀土元素是元素周期表ⅢB族中鈧、釔、鑭系等17種元素的總稱，常用R(rare稀少的)或RE(rare earth，稀土)表示。稀土是歷史遺留的名稱，從18世紀末開始被陸續(xù)發(fā)現(xiàn)。那時科學界習慣于把不溶于水的固體氧化物稱為土。例如把氧化鋁叫陶土，陶器就是以它為主要原料燒制的；把氧化鎂叫苦土，有較濃的苦味。稀土是以氧化物狀態(tài)分離出來，很稀少，因而被稱為稀土。鈧的獲取過程是先從礦石中提取鈧的氧化物Sc2O3，而后電解制取鈧。鈧是1879年瑞典化學家尼爾森(L.F.Nison)發(fā)現(xiàn)的。鈧在地殼中的豐度為5 g/t，但并不是豐度最小的元素。

鈧的物理性質：原子序數(shù)21，原子量44.955 9，熔點1 541 ℃，沸點2 836 ℃，24 ℃時密度2.989 g/cm3，熔化熱3 369×4.184 J/mol，汽化熱376 kJ/mol，25 ℃時電阻率52×10-6Ω·cm，無磁性，電負性1.28，原子半徑0.164 1 nm，常見化合價+3，鈧的光澤介于銀和鐵的之間，呈銀白色微帶黃色。雜質含量對它的性能影響很大。鈧的硬度不大，相當柔軟，可在非退火狀態(tài)下軋成薄板。鈧有兩種晶型：在1 335 ℃以下為α-Sc，密集六方晶格，在1 335 ℃至熔點轉變?yōu)棣?Sc，體心立方晶格。

鈧的化學性質與鋁、釔、鑭系元素的相似，很活潑。氧化態(tài)為+3。裸露鈧很活潑，易與空氣中的氧、二氧化碳、水等化合。當溫度不大于200 ℃，表面上的Sc2O3薄膜可阻止鈧的繼續(xù)氧化，一旦溫度高于200 ℃,Sc2O3膜會破壞，鈧會劇烈氧化，特別是在溫度高于250 ℃后。室溫時鈧易與鹵素反應，只有在42 ℃以上才與氮、磷、砷等氣體或蒸氣反應。鈧粉在600 ℃以上才與氮反應。鈧只在高溫下才與碳、硅、硼、氫反應。

在水溶液中鈧離子都是+3價，但不是以簡單的Sc3+離子形式存在，而是形成穩(wěn)定的絡離子，在過氯酸溶液中，Sc3+離子形成水合離子[Sc(H2O)6OH]3+。

鈧與所有的無機酸都發(fā)生反應，但與鉻酸鹽反應緩慢，因表面有鉻酸鹽形成。鈧與2.8 mol/L NaOH溶液幾乎不起反應，堿度增加則緩慢溶解。加熱時鈧可以分解水。鈧同鋁一樣具有兩性性質。鈧鹽易水解，其溶液呈弱酸性。用醋酸鈉溶液中和鈧鹽溶液則鈧部分沉淀，加硫代硫酸鈉煮沸則完全沉淀。以堿中和時，在pH=4.9開始產生白色膠狀Sc(OH)3沉淀，至pH=5.45沉淀完全，而在pH>8.5時，Sc(OH)3又部分溶解形成鈧酸根[ScO3]3-。鈧離子在溶液中均為無色。

鈧與其他金屬能形成合金和金屬間化合物，鈧與錸可形成高熔點化合物Sc5Re24，其熔點高達2 575 ℃，僅比ScN的熔點(2 600 ℃)低。鈧與銅可形成低熔點共晶體，875 ℃，鈧能與鎂、釔、鋯、鑭、釓等形成固溶體。鈧與Ⅶ(錳及其同類)族元素及其右邊的元素(稀有氣體除外)都可以形成化合物。富鈧的Sc3In金屬間化合物是少數(shù)巡回電子鐵磁體之一，受到科技界的關注。

氧化鈧在高效多功能激光器、固體電解質、特種陶瓷、石油精制方面獲得應用，是汽車尾氣凈化和有機合成材料的良好催化劑。

鈧的復合氧化物是一種負熱膨脹材料，是航空航天器零件、發(fā)動機部件、集成電路板、光學器件等制造中的特需材料。硒化鈧、碲化鈧和硫化鈧是制造熱敏電阻、熱電發(fā)生器和一些半導體的難得材料。

中國稀土資源相當豐富，儲量大，品種全，有價值元素的含量高，分布廣，按氧化物計算2016年的工業(yè)儲量約為國外總儲量的2.4倍。國外稀土資源主要集中于美國、印度、巴西、澳大利亞和俄羅斯等，總計近8 000 kt，如此估算，中國的儲量當在19 200 kt左右。在中國的鈧資源中，鋁土礦礦床的磷塊巖礦床占優(yōu)勢，其次是鎢礦、華南稀土礦、內蒙古白云鄂博稀土鐵礦和四川攀枝花釩鈦磁鐵礦等。鋁土礦和磷塊巖的鈧儲量約為300 kt，占所有鈧礦類型總儲量的52%左右，其含量是世界鋁土礦鈧平均含量(按Sc2O3為38 μg/g)的2.5倍，是提取鈧的主要資源；中國的鎢資源居世界之最大，冶煉鎢渣約含w(Sc)=0.02%的鈧，幾十年來積存的鎢渣達12 000 kt以上，是提鈧的寶貴來源；此外，生產鈾、鈦的尾礦也是工業(yè)生產鈧的重要資源。

2 鈧的提取與提純[1]

由于鈧的獨立礦床十分罕見，幾乎沒有，不是提取的工業(yè)原料，但是鈧常常分散存于鋁、稀土、釩、鈦、鋯、錫、鎢、鈾、煤等礦物中，可以從這些礦物的工業(yè)生產廢棄物中作為副品回收。因此，工業(yè)上是在綜合處理有色金屬礦石時伴生回收分散的鈧，是否合理與經濟價值取決于廢棄物中鈧的富集程度。在生產過程中順便回收鈧時，鈧在產品中的分布十分重要；從廢棄物中回收鈧時，應建立合理的流程而不破壞主要工藝。

鋁土礦是重要的提鈧資源，在生產氧化鋁時，鋁土礦含的鈧的98%(質量分數(shù))以上鈧富集于赤泥中，中國是全世界最大的氧化鋁生產國，占總產量的55%以上，目前每年赤泥產量約1.5億t，到了用之不竭的程度；鈦鐵礦精礦冶煉時，鈧幾乎全部進入爐渣中，富集了10倍有余，可以從爐渣回收鈧，也可以從生產鈦白粉的硫酸廢液中回收鈧；紅土鎳礦也是提取鈧的重要資源；黑鎢礦浸取渣、煉錫爐渣都含有微量鈧，都是提取鈧的原料。

美國、加拿大和澳大利亞等主要從鈾和鎢的副產物中回收鈧；俄羅斯用的鈧是從鈦的副產物中提取的；德國、捷克和日本也都生產少量鈧。中國提取鈧的主要原料是黑鎢礦，其中的鈧含量有時高達0.05%(質量分數(shù))以上；四川省的鈦鐵礦中含鈧量達60 g/t；在高鈦渣和人造金紅石沸騰氯化時，鈧在氯化煙塵中富集，其含量(質量分數(shù))高達0.01%～0.05%，是濕法冶金回收鈧的好原料。

鈧的提取一般要經過四步：從含鈧低的原料中富集鈧；分離雜質制取工業(yè)粗氧化鈧，即富鈧精礦；精煉制取純度大于99%的高純氧化鈧；制取純鈧。目前，鈧的回收和制取已達到相當高的水平，中國是此產業(yè)的領跑者；通過溶劑萃取、離子交換法等可制得高達6 N(即99.9999%)的超高純鈧。

中國中冶新材料公司采用中冶集團自主研發(fā)的低成本紅土鎳礦提鈧綠色法，在全球首次實現(xiàn)紅土鎳礦提取鈧的工業(yè)化生產，建成了首個企業(yè)，一期氧化鈧生產能力20 t/a，是世界最大者，可以為鈧系材料研究及應用提供穩(wěn)定的原料來源，消除含鈧材料大規(guī)模應用的原料憂慮，降低含鈧材料大規(guī)模應用的成本門檻，以及提供穩(wěn)定的原料支撐。

此外，為保障中國重要戰(zhàn)略儲備資源安全，促進中國含鈧材料產業(yè)化發(fā)展，中冶新能源公司聯(lián)合中國恩菲工程技術有限公司、中國航發(fā)北京航空材料研究院、北京工業(yè)大學和河北工業(yè)大學，通過系統(tǒng)的硬件建設和人才隊伍建設，組建了河北鈧系材料工程研究中心，重點研發(fā)高純氧化鈧制備技術、鋁-鈧中間合金及純鈧制備技術、鋁合金鈧微合金化技術及新型高性能鋁-鈧合金開發(fā)、含鈧鎢基陰極材料制備技術，建設產業(yè)化示范生產線，形成系統(tǒng)的鈧系材料研究體系并建立國家級研發(fā)中心。

鈧浸出液成分非常復雜，必須除去雜質才能獲得純鈧。分離雜質應用最廣的是溶劑萃取法，其他常用的工藝還有離子交換法、液膜分離法和沉淀法等。同時由于浸出液的成分復雜，用任何一種工藝都難以把鈧從與其他共存的元素中分離出來。所以在制定鈧的分離提純工藝時，宜使用組合工藝，交替使用這些方法，才能確保經濟有效地分離，最終制得所需純度的氧化鈧。

1937年費希爾(Fischer)首先電解LiCl-KCl熔體中的ScCl3，鈧在陰極上析出，隨后蒸餾除鋅，制得純度99%的鈧，但以后制備鈧大多是用熱還原無水ScCl3或ScF3制得粗鈧，再經真空蒸餾提純，鈧的純度一般只能達到99.98%。制備高純鈧的每一步驟都容易混進雜質，必須嚴格精準操作和使用高純氧化鈧。

3 含鈧的合金制備

含鈧的合金有著廣泛的重要應用，其中尤為顯著的是含有微量鈧的鋁合金，通常鈧的含量都很少，質量分數(shù)沒有超過0.5%的，在此應指出的是，只要是為了提高鋁合金的性能而特意添加的合金化元素鈧，不管其含量多少，都可以通稱為鋁鈧合金。目前，中國、俄羅斯和其他主要工業(yè)發(fā)達國家都先后開展了Al-Sc合金生產和開發(fā)應用。鈧是一種化學性質很活潑的金屬，制備Al-Sc合金時，必須以Al-Sc、Mg-Sc或Al-Mg-Sc中間合金的形式加入，中間合金是制備Al-Sc合金的關鍵原料。當今制備含鈧中間合金的主要工藝有對摻法、金屬熱還原法及熔鹽電解法。對摻法是制備Al-Sc中間合金的傳統(tǒng)工藝，用此法可制得含Sc質量分數(shù)為2%～4%的Al-Sc中間合金。用此法制備Al-Sc中間合金工藝簡單，但是以純鈧為原料，成本高，如何降制造成本是面臨的挑戰(zhàn)，其他兩種制備工藝也存在一些有待解決的問題，所以對摻法仍是目前用得最廣的工藝。

有了合格的Al-Sc中間合金，就可以按常規(guī)理念與相關的文件精心配成分、熔煉與鑄造，沒有特殊要求。Al-Sc二元相圖鋁端共晶(Al-Al3Sc)熔點約643 ℃，但覆蓋熔劑可稍多一些，以防鈧氧化。

4 Al-Sc合金的發(fā)展

鈧是許多有色金屬的優(yōu)秀變質劑，特別是對鋁及鋁合金具有神奇的晶粒細化作用，向鋁中添加千分之幾的鈧就會形成細小的均勻彌散的Al3Sc質點，使材料的組織與性能發(fā)生明顯的變化。在鋁及鋁合金用的細化劑中，鈧的細化變質作用是最強的，獲得了“細化劑之王”的美譽(圖1)。添加質量分數(shù)為0.2%～0.4%的鈧可以明顯提高鋁合金材料的高溫力學性能、組織穩(wěn)定性、可焊性和抗腐蝕性能，可避免長期高溫工作時易產生的脆化現(xiàn)象。早在蘇聯(lián)時期，莫斯科巴伊科夫冶金研究所和全蘇輕合金研究院的科學家向已有的鋁合金添加微量鈧開發(fā)出約20個含鈧的鋁合金，這是第一代Al-Sc合金，它們是超強韌鋁合金、新型高強耐蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強抗中子輻射鋁合金。它們的問世與在許多關鍵部門的成功應用，使蘇聯(lián)及俄羅斯成為全世界Al-Sc合金研發(fā)與應用的領跑者。

圖1 鋁的晶粒尺寸與添加元素-鋁相互作用參數(shù)Ω的關系Fig.1 Relationship between grain size of aluminum and added element-aluminum interaction parameter Ω

圖1表示鋁晶粒尺寸與添加元素-鋁相互作用參數(shù)Ω的關系?？擅黠@地看出，鈧的細化效果最為顯著，Ω又被稱為晶粒細化準則(grain-refining criterion)，圖中的實線為晶核型元素的，而虛線為表面活性型元素的[2]。有時除加鈧之外，還添加鋯，鋯也能細化鋁的晶粒，改善鋁的組織，提高鋁的性能，同時加入鈧與鋯，除了形成Al3Sc、Al3Zr之外，還會形成Al3(ScZr)三元化合物，更能優(yōu)化鋁的組織和性能。

Al-Sc-Zr三元相圖如圖2所示。

圖2 Al-Sc-Zr三元相圖Fig.2 Al-Sc-Zr ternary phase diagram

4.1 第一代Al-Sc合金[3]

蘇聯(lián)和俄羅斯科學院冶金研究所與輕金屬研究院是全球Al-Sc合金研發(fā)領軍者、發(fā)源地和應用者，始于20世紀70年代中期，1991年蘇聯(lián)解體后，有幾位頂尖科學家移居其他國家，研發(fā)工作受到一些影響，但很快恢復過來。他們研發(fā)的第一代Al-Sc合金都是以現(xiàn)有的合金為基礎，添加少量的鈧，使其性能得到不同程度的改善，創(chuàng)造出了面貌迥異性能好的新合金，共有約20個，分別屬于：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。蘇聯(lián)與俄羅斯的有關機構都沒有參與美國鋁業(yè)協(xié)會公司(AA)技術處的相關工作，因此它們的變形鋁合金都從來沒有在AA技術處注冊過。

法國、美國、德國與中國等都對鋁-鈧合金做過一些研究，但工作的廣度與深度遠不如蘇聯(lián)與俄羅斯的，至今注冊的合金只有4個常用合金(active alloys)，1個非常用合金。4個常用合金及成分(質量分數(shù)/%)是：法國的2023鋁合金，2004年注冊，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,其他雜質單個0.05、合計0.15,其余Al;德國的5024鋁合金，2008年注冊，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,其他雜質單個0.05、合計0.15,其余Al;德國的5028鋁合金，2014年注冊，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,其他雜質單個0.05、合計0.15,其余為Al;美國的7042鋁合金，2009年注冊，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,其他雜質單個0.05，合計0.15，其余Al。1個非常用合金(inactive alloy)是美國的5025鋁合金，其成分(質量分數(shù)/%)：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

本文作者所說的新型Al-Sc合金即第二代Al-Sc合金，是俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司新近開發(fā)的海洋工程新合金。研發(fā)這種新合金的初心是，制造出一種性能優(yōu)越的，成本效率高的、很有市場競爭力的萬能型海洋工程合金，既是一種優(yōu)秀的艦船鋁合金，又是一種難得的各種海洋設施結構鋁合金。

提高艦船競爭力的有效途徑是減少其凈質量，從而可以增加載荷和/或改善船舶技術參數(shù)，例如提高速度、降低燃料消耗、改善穩(wěn)定性、增加航程，等等。

在艦船結構中，占凈質量最多的是船殼，它的結構質量是整條船凈質量的25%～40%，是減少船艦質量的關鍵，采用抗腐蝕和力學性能有相當高的Al-Mg-Sc合金厚板制造殼體是實現(xiàn)這一目標的最佳捷徑。因為這類合金在冷加工狀態(tài)和退火狀態(tài)都有高的力學性能、優(yōu)秀的可焊性、很強的抗海水和海洋氣氛腐蝕性能?？商娲媒浛简灥暮Ｑ蠊こ?083型鋁合金加工成各種半成品如薄板、厚板、擠壓材與鍛件等。

4.2.1 鈧對鋁材價格的影響

一方面鈧是鋁及鋁合金最有效的晶粒細化劑，另一方面在現(xiàn)行用的合金化元素中鈧又是價格最貴的。在過去五六年中，鈧的價格雖然一直在下降，但仍未達到鋁工業(yè)可以接受的水平，不會向所有的鋁合金添加質量分數(shù)約0.25%的鈧，鈧仍是鋁合金的一個昂貴的稀罕的細化劑，不輕易使用。

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司近一段時間集中力量研發(fā)鈧含量盡可能低一些的5×××系Al-Mg-Sc合金，以降低半成品的價格，而仍能保持鈧的全盤優(yōu)秀影響力?？茖W家選定5083型鋁合金(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr)作為研究標桿，向其添加不同含量的鈧。合金的屈服強度與Al3(Zr,Sc)強化相的關系如圖3所示。圖中合金O狀態(tài)材料原點的成分相當于Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr的成分，L12結構的Al3(Zr,Sc)相的量隨著鈧的增加而上升，而鋯的質量分數(shù)保持0.1%的恒定值。由圖3可見，添加質量分數(shù)為0.05%的鈧，合金的屈服強度上升很快，再增加鈧含量，屈服強度僅緩緩地上升，與質量分數(shù)為0.05%的鈧的并無多大差別。他們成功研制出了稀貴元素鈧含量低的5×××系鋁合金。

圖3 L12結構的Al3(Zr,Sc)強化相體積分數(shù)對Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr(5083型)合金O狀態(tài)2 mm厚度板材屈服強度的影響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

為了評估成分對材料經濟效益的影響，研究者以每1 N/mm2的價格作標準，測定了4.5 mm厚O狀態(tài)板材的力學性能，計算了3種成分合金的價格。

計算與分析結果顯示，w(Sc)=0.05%～0.10%的合金板材每1 N/mm2屈服強度的價格至少比不含鈧的5083鋁合金的價格低10%以上。此時，如果用含鈧的鋁合金制造的船體結構(外殼)的質量減少了30%，那么用含w(Sc)=0.05%～0.10%的鋁合金制造的船殼體成本與用5083鋁合金板材制造的成本相等。計算結果顯示，如果低鈧含量鋁合金的屈服強度比5083-O合金的高80%，則船殼體結構質量會減少，則制造成本會下降更多，w(Sc)=0.25%的鋁合金在船殼制造成本在與5083-O的合金相比就沒有競爭力了。低鈧含量鋁合金在艦船制造與海洋設施建設中除有價格方面的競爭優(yōu)勢外，在疲勞強度、抗蝕性、各種焊接工藝的可焊性等方面都各勝一籌。因此，可毫不夸張地說，低鈧含量5083型鋁合金是一類市場潛力大的優(yōu)秀海洋工程鋁合金。

4.2.2 工業(yè)性試生產結果

俄羅斯聯(lián)合鋁業(yè)公司弗曼(V.Mann)等對w(Sc)<0.1%的Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr合金進行了工業(yè)化鑄造與熱軋，熱軋用的錠坯厚度300 mm～600 mm，寬1 400 mm～2 100 mm，熱軋成帶卷與單塊板，熱軋溫度400 ℃～500 ℃，變形率77%～98%，研究了熱軋溫度與熱變形率對板材屈服強度的影響，見表1。

表1 Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc合金熱軋板的典型縱向力學性能Table 1 Typical longitudinal mechanical properties of Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc hot rolled sheet

經過熱軋可形成如下的組織：

?高體積分數(shù)的彌散的L12結構的Al3(Zr,Sc)化合物組織；

?非再結晶的多邊形的彌散的質點變形組織。

具有上述顯微組織的熱軋板有高的力學性能。值得注意的是，熱軋板在高溫下仍有穩(wěn)定的力學性能，加熱到400 ℃時屈服強度仍無明顯下降。即使在鈧質量分數(shù)僅有0.05%，也會形成大量彌散著的Al3(Zr,Sc)L12相質點，均勻地分散在α-Al基體中，同時，Al6Mn質點尺寸不大于200 nm，Al3(Zr,Sc)L12相質點的尺寸為10 nm～20 nm，亞晶粒的(subarain)平均尺寸不大于700 nm，合金的典型顯微組織如圖4所示。

圖4 4.5 mm熱軋板(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc-O)的透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 TEM photographs of 4.5mm hot rolled plate(Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc-O)

力學性能分析顯示，含鈧合金的屈服強度為對比5083鋁合金的1.8倍～2.3倍，同時有高的抗腐蝕性能(表2)，而與熱處理可強化6061鋁合金相比，它們的力學性能幾乎相等，可是含鈧5083型鋁合金的抗腐蝕性能卻要高得多?？珊感阅苎芯勘砻鳎跉寤『附訒r，Al-4.9Mg-0.5Mn-0.15Cr-0.1Sc合金薄板接頭的力學性能比其他鋁合金的(5083鋁合金)高20%以上。

表2 含0.1%Sc的5083型鋁合金的抗腐蝕性能Table 2 Corrosion resistance of 5083 aluminum alloy containing 0.1% SC

含鈧的鋁合金的腐蝕試驗是按照綜合軍械控制系統(tǒng)(IACS)對可焊鋁合金艦船殼體結構和海洋設施材料要求進行的。

5 中國對含鈧鋁合金的研究

5.1 建成世界最大氧化鈧生產線和組建首個鈧系材料工程研究中心

2019年1月21日，中冶新材料一期項目—氧化鈧工程順利投產，打通了生產線全流程，生產出了人們翹首以盼的高純氧化鈧，達產后該項目生產能力20 t/a，超過當前全世界的總產量，成為世界最大氧化鈧研發(fā)生產基地。根據(jù)美國地質調查局的數(shù)據(jù)，2015年～2017年全球鈧的產銷量10 t～15 t，也就是全球對純鈧的需求目前不會超過5 t/a。

中冶新材料公司采用中冶集團自主研發(fā)的低成本紅土鎳礦提鈧綠色工藝路線，在全球首次實現(xiàn)紅土鎳礦提鈧的大規(guī)模工業(yè)化生產，產量可達20 t/a，可穩(wěn)定地向市場大規(guī)模供應氧化鈧，為含鈧材料的研究及應用提供穩(wěn)定的材料來源，消除了含鈧材料大規(guī)模應用的原料憂慮，降低了含鈧材料大規(guī)模應用的成本門檻，為國內Al-Sc合金生產提供穩(wěn)定的原料支撐。

新組建的河北省鈧系材料工程研究中心是一個國家研發(fā)中心，也是全球首個這樣的研發(fā)基地，將在培育和輻射新興科技及產業(yè)，推動和促進Al-Sc合金在航空航天、艦船與海洋設施、國防軍工、新能源汽車和新一代信息產業(yè)等戰(zhàn)略新興產業(yè)的應用和發(fā)展發(fā)揮重要作用。

5.2 鄭州輕研合金公司與東北輕合金有限責任公司的工作

中國在含鈧的變形鋁合金研發(fā)方面也做了一些工作，但與蘇聯(lián)及俄羅斯的工作相比還有較大差距，近期工作主要在鄭州輕研合金科技有限公司與東北輕合金有限責任公司。

鄭州輕研合金科技有限公司采用半連續(xù)鑄造工藝于2018年成功鑄得800 mm×200 mm的高強韌7×××系含鈧的鋁合金扁錠，熱軋成厚50 mm～100 mm的板，而后冷軋成2 mm～10 mm的帶材。板、帶材的力學性能：抗拉強度Rm=530 N/mm2～730 N/mm2，伸長率A=12%～16%，遠比成分相同不含鈧的鋁合金的高得多，同時還有優(yōu)秀的可焊性能。目前，鄭州輕研合金科技有限公司正在積極準備研制其他含鈧的變形鋁合金，如含鈧的5B70鋁合金，它的化學成分(質量分數(shù)/%，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,其他雜質單個0.05、合計0.15，其余為Al。按GB/T 3190，中國含鈧的5×××系鋁合金還有：5A70、5A71、5B71、5A25等。

東北輕合金有限責任公司的研制則走的是另一條路線，他們?yōu)楣?jié)省高昂的Al-Sc中間合金原材料費用，降低商業(yè)化生產研制成本，先鑄造含鈧合金小規(guī)格錠坯，經均勻化退火與軋制，進行試驗研究，摸清楚規(guī)律，而后再進行工業(yè)化生產，一舉完成了高鎂含鈧5×××系鋁合金成分設計優(yōu)化全流程研制工作，既縮短了研制時間，又節(jié)約了Al-Sc中間鋁合金投入量，節(jié)省了資金，為后續(xù)工業(yè)化研發(fā)提供了有力的技術支持。

東北輕合金有限責任公司、中南大學、航天材料及工藝研究所的路麗英、劉有金、賈寧等16位科技工作者研制的“大尺寸5B70 Al-Mg-Sc合金板材”是一種有良好綜合性能的材料，可用于制造航天器的一些零部件，榮獲2017年度中國有色金屬工業(yè)科學技術一等獎。

東北輕合金有限責任公司、中南大學、航天材料及工藝研究所的王英君、張宏亮、劉平等12位科技工作者研制的“Al-Zn-Mg-Sc合金”于2018年獲2017年度中國有色金屬工業(yè)科學技術二等獎。

視聽說課前學習任務設計包括課前視聽任務和課前口語任務的設計等。設計基于學生的興趣和已有認知水平，結合材料呈現(xiàn)的交際事件類型(講座、采訪、公眾演講、戲劇電影等)、篇章特點(描寫類、說明類等)和交際功能。[12]

6 Al-Sc合金的應用

鈧的發(fā)現(xiàn)已有100多年，從20世紀70年代起進入應用開發(fā)階段，近些年來，成為最為活躍的新興材料之一，特別是Al-Sc合金。蘇聯(lián)及俄羅斯對鈧的研究不但起步早，而且相當系統(tǒng)與全面，鈧及其化合物的用量雖不大，但應用領域廣，幾乎涉及材料各個領域，如有色金屬及其合金、電光源材料、精密陶瓷、固體電解質、催化材料、核工業(yè)材料、激光晶體、半導體和超導材料等許多領域。

2015年，歐盟委員會發(fā)布的《歐洲冶金路線圖：生產商與終端用戶展望》共涉及9種金屬元素，其中在交通運輸裝備行業(yè)提出研究“Al-Mg-Sc合金的可焊性”。2018年2月，美國公布了35種關鍵礦產清單，鈧就是其中之一，中國工信部發(fā)布的《高新材料首批次應用示范指導目錄(2018年版)》共166種材料，其中有關鈧及其產品的新材料有3種。

6.1 在金屬材料中的應用

鈧是許多有色金屬的優(yōu)良微合金化元素，特別是對鋁有著神奇的合金化效果，只要向鋁中添加千分之一的鈧就會形成大量的Al3Sc質點，如同時加入微量鋯則可形成三元新相Al3(Zr,Sc)，使合金的組織和性能發(fā)生意想不到的好作用。加入質量分數(shù)為0.2%～0.4%的Sc可以顯著提高鋁合金的高溫強度、組織穩(wěn)定性、可焊性和抗腐蝕性能，并可抑制長期高溫下工作時的脆化現(xiàn)象。通過向現(xiàn)有鋁合金添加微量鈧可以開發(fā)出一系列新一代鋁合金，如：超高強韌鋁合金、新型高強抗蝕可焊鋁合金、新型高溫鋁合金、高強抗中子輻射鋁合金等，它們都在航空航天器、艦船、核反應堆、新能源汽車、高速列車等高端領域有一定或廣泛應用。

在Al-Sc合金的研發(fā)和應用方面蘇聯(lián)及俄羅斯是世界的領跑者，它們已研發(fā)出約20個Al-Sc合金，如01570鋁合金有很好的可焊性能，可以氬弧焊，也可以電子束焊，有余高接頭在-196 ℃～250 ℃時的力學性能與基體金屬的等同，無余高時，焊縫的力學性能約為基體金屬的85%；在非熱處理強化鋁合金中，01570鋁合金的可焊系數(shù)最高，航天器已用此合金焊接受力結構件。后來在01570鋁合金基礎上研制出01570C鋁合金，在大型客機機身、高級乘人汽車、艦船結構制造中得到應用。

01571鋁合金是一種良好的焊絲合金，其成分(質量分數(shù)/%)：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。此合金的抗拉強度稍低于01570鋁合金的，但塑性則高一些，其焊絲用于焊接Al-Mg-Sc和Al-Zn-Mg-Sc合金。由于它含有鈧、鋯、鈦，細化了焊縫組織，形成裂縫傾向大大下降。由于焊縫凝固速度很高，鈧、鋯、鈦幾乎全部溶于α-Al固溶體中，在隨后的冷卻中以Al3(Sc,Zr)和Al3Ti納米粒子析出，提高焊縫的強度。

01545鋁合金w(Mg)=4.0%～4.5%并含有微量鈧及鋯，由于其鎂含量比01570鋁合金的低，有相當好的加工成形性。俄羅斯科學家在此合金基礎上研制出01545K鋁合金，其w(Mg)=4.2%～4.8%。它在液氫溫度20K有很高的抗拉強度和塑性，Rm≥600 N/mm2、Rp0.2≥430 N/mm2，A≥35%，已用于火箭液氫、液氧貯箱焊制。

01535鋁合金除鈧、鋯含量與01570、01545鋁合金的相等外，其鎂含量則較低，w(Mg)=3.5%～4.5%，故其強度低一些，但有很好的塑性與成形性能，抗剝落腐蝕與應力腐蝕開裂的能力也相當強，抗拉強度Rm≥360 N/mm2，屈服強度Rp0.2≥290 N/mm2，伸長率A≥16%，是焊制低溫液化氣罐的良好材料。

01523鋁合金是Al-Mg-Sc系中鎂含量較低者，w(Mg)僅2%左右，但有很好的抗蝕性、成形性和抗中子輻照，但其強度性能比不含鈧、鋯合金的高得多，用于焊接與高腐蝕介質接觸的零部件如含H2S高的原油容器管道，以及抗中子輻照的焊接結構件。

俄羅斯的成型Al-Zn-Mg-Sc系鋁合金有3個：01970、01975、01981。它們的w(Zn)為4.5%～5.5%、w(Mg)約2%，w(Zn)/w(Mg)=2.6,w(Cu)=0.35%～1.0%,w(Sc+Zr)=0.30%～0.35%。

01975鋁合金的化學成分與01970鋁合金的相近，唯一不同之處是其鈧含量低，w(Sc)只有約0.07%，它有很好的可塑性，可在擠壓機上淬火，T6狀態(tài)有高的強度，有優(yōu)異的可焊性，也有相當強的抗剝落腐蝕和應力腐蝕能力，是制造高速列車車廂、地鐵車廂、橋梁的良好材料。

01981鋁合金是一種新型的含有銅的Al-Zn-Mg-Sc系合金，其性能與7055鋁合金的大體相當，強度高、彈性模量也高，還有低的各向異性和高的斷裂韌性。

向01420鋁合金(Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr)中添加微量鈧就形成了含鈧的新型01421、01423鋁合金，它們的密度2.5 g/cm2，并有良好的可焊性，已在航空航天器制造中獲得應用。

現(xiàn)在成型的Al-Cu-Li-Sc合金有2個：01460和001464，有良好的可焊性和低溫性能。01460鋁合金可以氬弧焊；在液氫溫度時的抗拉強度由室溫時的550 N/mm2上升到680 N/mm2，伸長率A由7%達到10%。俄羅斯已用此合金焊接火箭低溫燃料箱。

01464鋁合金是01460鋁合金的發(fā)展，密度2.65 g/cm3，彈性模量70 GN/mm2～80 GN/mm2，經形變熱處理后有高的強度、塑性、可焊性、抗蝕性、抗沖擊性與抗熱裂性，還有相當強的熱穩(wěn)定性，可在120 ℃長期工作，是一種良好的航空航天鋁合金。

鈧還可以作為制備熱敏特殊合金的添加元素，鈧可改善鋼、鑄鐵、鈦合金、鎳合金和Cr-W基高溫合金等的力學性能和抗氧化性。向鎂、銅等合金中添加鈧，對它們的一些性能也有裨益。利用高溫電解法使鈧滲入基底金屬，可在基底金屬表層形成一層有益的薄的“鈧化”層。

6.2 鈧化物的應用

Sc2O3是目前石化工業(yè)用得較多的領域之一。含Sc2O3的Pt-Al催化劑用于精煉石油中的重油氫化精煉；Sc2O3也是CO及N2O氧化和合成氨等、生產乙烯和用廢酸生產氯的高效催化劑。Sc2O3單晶已用于制造儀器，可用于制作高品質鐵基永磁體，用Sc2O3取代鐵氧體中部分氧化鐵可提高矯頑力。在高溫反應堆UO2燃料中加入少量Sc2O3可避免UO2轉變成U3O6、發(fā)生晶型轉變、體積增大和出現(xiàn)裂紋。Sc2O3是核反應堆最好的絕緣定位陶瓷(固定接收器和發(fā)射器的定位陶瓷，要求陶瓷的輻照腫脹小、膨脹系數(shù)小、熱導率低)，它的輻照腫脹與輻照劑量關系不大，腫脹到一定程度后不再變化。Sc2O3的一些性能優(yōu)于BeO、MgO、Al2O3、ZrO2的，是一種優(yōu)秀的陶瓷材料，它的熱沖擊性能超過常用的MgO、Al2O3和ZrO2的，是良好的火焰噴涂玻璃組分。將Sc2O3加到ZrO2和Y2O3中，就成為一種導電材料，向ZrO2陶瓷中和Y2O3陶瓷中添加Sc2O3就成為一種導電耐火材料，含有Sc2O3的ZrO2陶瓷不會發(fā)生晶型轉變，也就不會發(fā)生龜裂了。以Sc2O3穩(wěn)定的氧化鋯(ScSZ)替代傳統(tǒng)的氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)用于固體氧化物燃料電池(SOFC)，可提高SOFC的功率1倍，是有良好應用前景的中溫固體電解質材料。

用鈧等稀土元素的復合氧化物制成的材料擁有負的熱脹系數(shù)，有極好的應用前景，可與常規(guī)材料復合成熱脹系數(shù)接近零的材料，成為一種難得的高端高溫材料，可用于制造航空航天器元器件、發(fā)動機零部件、集成電路板、光學器件等，另外，在聲、光、電、磁等功能材料方面無疑有潛在的應用價值。

在異丙基苯裂化過程中，ScY沸石催化劑比硅酸鋁的活性大1 000倍。Sc2Se3和Sc2Te3等是良好的半導體材料。Sc2S3可作熱敏電阻和熱電發(fā)生器。鈧的硼化物ScB6是制造電子管的陰極材料。ScI3是電光源材料，和NaI受激發(fā)時，鈧、鈉原子從高能激發(fā)態(tài)跳回低能級時，就輻射一定波長的光，這就是高亮度的鈧鈉燈。鈧的譜級線為361 nm～424.7 nm，為近紫外和藍色光，鈉的譜線為589.6 nm，為黃色光，它們匹配成接近太陽光。回到基態(tài)的鈧、鈉原子又與碘原子化合成碘化物。鈧鈉燈具有發(fā)光效率高、顯色性好、使用期長、破霧力強、體積小巧、使用方便等特點。與白熾燈相比，鈧鈉燈可節(jié)電80%，比汞燈節(jié)電50%，鈧鈉燈的使用壽命5 000 h～25 000 h，而白熾燈的僅1 000 h。鈧鈉燈廣泛應用于電影電視攝像、體育場館、機場、碼頭、車站、街道等場所的高亮度照明。

鈧在激光技術領域有著廣泛的應用，21世紀以來日本30%鈧用于制造激光器，釔鈧鎵石榴石(Cr,Nd:Gd3Sc2Ga3O12)激光器早已受到工業(yè)發(fā)達國家的重視，它們都先后制成了大尺寸激光晶體，簡稱GSGG晶體，其釹離子濃度為釔鋁石榴石的3倍，晶體尺寸大、質量高，適于制造千瓦級平均輸出板條激光器，除在國民經濟各部門有廣泛的應用外，更可貴的是，可在激光武器制造中大顯身手，美國曾計劃用于核聚變研究和星球大戰(zhàn)計劃，也可用于潛艇水下激光器制造。

鈧可用于可控熱核反應中，它俘獲中子有效截面為25 b，可用于制作反應堆核燃料外殼等部位的結構材料。Sc2S3可用作反應堆不含氧的特種耐火材料，氫化鈧是粒子加速器的良好靶材。鈧還是中子的優(yōu)秀過濾器，可使2 keV的電子順利通過，而阻止其他能量的中子通過。在高溫反應堆UO2燃料中加入少量Sc2O3可避免UO2變成U2O3。

照射可使鈧產生放射性同位素46Sc，可作為γ射線源和示蹤原子用于科研和生產各個方面，如醫(yī)療方面可用于治療深部惡性腫瘤。鈧化氘(ScD3)和氚化物(ScT3)可用于鈾礦探測。

7 結束語

鈧是鋁及鋁合金最強烈的晶粒細化劑，在w(Sc)≤0.1%的微量合金化元素中也是對鋁及鋁合金綜合性能最有益的元素，低鈧含量(w(Sc)=0.05%～0.1%)5083型鋁合金是綜合性能最優(yōu)秀的艦船與海洋工程材料，不但在各項性能方面全面勝出其他材料的，而且在價格方面也不遜于其他材料的，這種合金板材每1 MPa(N/mm2)屈服強度的價格至少比標準5083鋁合金的低10%以上。性能的大面積提高是由于形成了彌散的L12結構的Al3(Sc,Zr)相與熱處理時再結晶受到抑制。采用這種低鈧含量5083型鋁合金制造的艦船殼體結構的凈質量至少比用傳統(tǒng)材料制造的輕30%。同時，電子艦船凈質量減少可以多裝貨物與武器彈藥，可以減少燃料消耗；由于新合金的抗蝕性強，維護工作可減少。

中國鈧資源世界第一，又建成了全球最大的20 t/a高端氧化鈧生產線，組建了世界首個河北省鈧系材料工程研究中心，具備了發(fā)展Al-Sc合金的一切條件，現(xiàn)在首要工作是要宣傳Al-Sc合金的優(yōu)越性，大力推廣其應用。