工信部8種重點發展新鋁材（二）：7B50合金預拉伸板及含鈧的鋁合金

7B50合金大規格預拉伸板（bǎn）

在美國（guó）鋁業協會注冊（cè）的變形（xíng）鋁合金中，並沒有7B50這個合金，但是按中國國標GB/T3190-2008卻有這個合金。

7B50合金的鋅含量比7050合金的大0.3個百分點，並含有0.0002%Be~0.002%Be，Ti的含量（liàng）也多0.04個百分點，其他元素的含量則幾乎完全（quán）相同（tóng），所以他們的組織與性能相同（tóng）。

微量Be的加入主要是為了提高氧化膜的致密性，減輕或防止熔煉時鎂的燒損。

含鈧的（de）鋁合金

鈧（Sc）是一種（zhǒng）稀土元素，稀土元素是元素周期表ⅢB族中的鈧、釔、鑭係等17種元素（sù）的總稱，常（cháng）用R或RE表示。鈧是第一個稀土元素，是1879年瑞典（diǎn）化學（xué）家（jiā）尼爾鬆（L·F·Nilson）發現（xiàn）的。

鈧的化學活性很強（qiáng），當和氧作用時，生成很穩定的Sc2O3，它的標（biāo）準生成熱和標準（zhǔn）自由焓負值比鈣、鋁（lǚ）、鎂氧化（huà）物的值還大。鈧的物理性質：原子序數21、原子量44.956、熔點1541℃、沸點2836℃、24℃時密度2.989g/cm3、熔（róng）化熱3.369×4.181J/mol、汽化熱89.9 ×4.184KJ/mol、25℃時電阻率52×10-6Ω·cm、密排六方晶格、常見化合價+3。

稀土金屬在地殼中的豐度0.0153%，與常見金（jīn）屬鋅、錫、鈷的豐度相近，鈧的豐（fēng）度（dù）為5g/t。

世界最大氧化鈧研發生產基地

全（quán）球最大氧化鈧研發生產基地在中國，生產鋁-鈧合金（jīn）首先必須生產出氧化鈧，再製成鋁-鈧（kàng）中間合金，再（zài）將中（zhōng）間合金加（jiā）到鋁合金溶體中，方可製成含鈧的鋁-鈧合金。當下，含鈧的鋁合金中的鈧含量（liàng）都是微（wēi）量的，都≤0.5%，但是不管含鈧多少，隻要含有（yǒu）鈧的鋁合金皆被（bèi）稱為鋁-鈧合金或含（hán）鈧的鋁合金。

2018年中國中冶（yě）新材料有限公司（sī）一（yī）期項目順利（lì）建成，其氧化鈧車間於2019年1月21日產出了高純氧化鈧（kàng），該（gāi）車間一（yī）期氧化鈧生產能力20t/a,從而成為最大者。據（jù）美國地質礦（kuàng）產局公布的資料，2015年~2017年，全球鈧的產銷量10t/a~15t/a。中冶新材料公司采用自主研發的低成本紅土鎳礦提取氧化鈧（kàng）的（de）工藝，這是一（yī）條綠色的大規模生產氧化鈧的工藝路線（xiàn）。從而可向（xiàng）市場大規模穩定（dìng）地提供高品質氧化鈧，為鋁-鈧合金的發展提供穩定的原（yuán）料支撐，同時有利於產（chǎn）品成本（běn）的降低。

為保（bǎo）障國家重要戰略儲（chǔ）備資源安全，促進（jìn）國內含鈧材（cái）料產業化發展，中冶新能源公司已聯合中國恩菲（fēi）工程技術有（yǒu）限公司、中國（guó）航發北京航空材料研究院、北京工業大學和河北工（gōng）業大學，通過係統的硬件建設和人才隊伍建設，成立了（le）河北省鈧係材料工程研究中心，重（chóng）點研發高純（chún）氧化（huà）鈧（kàng）製備技術（shù）、鋁合金（jīn）鈧微合金技術及新型高（gāo）性能鋁-鈧（kàng）合金開發、含鈧鎢基陰極材料製備（bèi）技術，建設產業（yè）化示範生產線，形成係統（tǒng）鈧係材料研（yán）究（jiū）體（tǐ）係並打造國家級研（yán）發中心（xīn），培育和輻射新興科技（jì）及產業，推動和促進（jìn）航空航天、國防（fáng）軍工、新能源、新能源汽（qì）車和下（xià）一代信息（xī）技術等戰略新興產業的發展。

鈧在鋁合金中的作用

將鈧加入各種鋁合（hé）金、鎂合金（jīn）中，可提高（gāo）其高溫強度，用以製造艦（jiàn）船發（fā）動（dòng）機葉輪、飛機及汽車發動機和導彈零部件，向鋁-鋯（gào）合金加入適量的稀土用作電纜，可提高（gāo）電纜的強度性能和耐磨性，而（ér）不降低其電導率，具有中國特色的稀土鋁線纜。

俄羅斯、美國、日（rì）本（běn）、德（dé）國、中國等都對鋁-鈧合金（jīn）作過與正在對其進行研究。在俄羅（luó）斯鋁（lǚ）-鈧合金已在航空航天器製造中獲得大量應用（yòng）。把鈧加入鋁中可形成Al3Sc，如（rú）果和鋯一同加入鋁中又可形成Al3Zr，它（tā）們是鋁的（de）結（jié）晶核心，可以極大地細（xì）化鋁的晶粒，使鋁的晶粒細小均勻，鈧是細化鋁及鋁合金晶粒（lì）最有效的，故有“細化劑王”之稱。

在（zài）鋁及合金中隻要加入千分之幾的鈧就會生成Al3Sc新相，使合金的組織和性能發生明顯變化。加入0.2%Sc~0.4%Sc可以顯著提高合金的高溫輕度（dù）、組織穩定性（xìng）、可焊性和（hé）抗（kàng）腐蝕性能，並可避免長期高溫工作時易產生的脆化現象。通過添加（jiā）微量（liàng）鈧可在現有鋁合金基礎上（shàng）開發（fā）出新一代鋁合（hé）金如高強韌（rèn）鋁合金、新型高強耐蝕可焊（hàn）鋁合金、新（xīn）的高溫鋁合金、高強度鈧中子鋁合金。在鋁-鈧（kàng）合金研發和應用方麵，俄羅斯起了（le）領跑者作用，如1420合（hé）金已用於製（zhì）造米格-29、圖-204及雅克-36垂直起落等飛機的結（jié）構（gòu）件，1421合金擠壓材已用（yòng）於製（zhì）造運輸機縱梁（liáng）。美國用鋁-鈧合金製造焊絲和體育器材，如棒球和壘球棒、曲棍球杆和自（zì）行車縱梁等。

俄羅斯的（de）鋁-鈧合金（jīn）

與不含鈧（kàng）的同成分合金（jīn）相比，含鈧的鋁合金具有更高（gāo）的強度性能（néng）和韌性，更高的抗蝕（shí）性，是（shì）繼鋁-鋰合金之後又一新的一代航空航天（tiān）、艦船輕型材料（liào）。在蘇聯時代，鋁-鈧合金（jīn）集（jí）中在科學院巴（bā）依科夫研究所（suǒ）和全蘇輕合金研究所研發，1991年（nián）蘇聯解體後進入俄（é）羅斯時代，但這兩個研究所仍（réng）致力於鋁-鈧合金（jīn）研發，它們研發出Al-Mg-Sc係、Al-Zn-Sc係、Al-Zn-Mg-Cu-Sc係、Al-Mg-Li-Sc係和Al-Cu-Li-Sc係共17個牌號的鋁-鈧合金，產品主要用於航空航天、艦船等的焊接受力結構件，以及在堿性腐蝕介質環境中工作的鋁合金管材、鐵路運輸油罐、高速列車關鍵零部（bù）件等。

截至2018年4月在美國鋁業（yè）協會公司（AA）注冊的鋁-鈧合（hé）金隻有4個：法國2004年注冊的2023合金，含0.06%Sc~0.15%Sc；德國2008年注冊的5024合（hé）金，含0.10%Sc~0.40%Sc；德國2014年注冊的5028合金，含0.02%Sc~0.40%Sc；2009年美國注冊的（de）7042合（hé）金，含0.18%Sc~0.50%Sc，這是迄今含鈧最高的鋁合金。

俄羅斯的鋁-鈧合金都成型於（yú）蘇聯時代，進入俄羅斯（sī）時代並沒有（yǒu）取得驚人（rén）的有裏程碑意義的成就。

鋁-鎂-鈧係合金

此（cǐ）係合金共有8個：01570、01570C、01571、01545、01545K、01535、01523、01515，它們的（de）合金化（huà）元素為Mg、Sc、Zr、此外還含微量Mn及Ti，為了降低合金溶體（tǐ）的氧化，還可以加入微量的Be。

01570合金的鎂含量最高，與含鎂（měi）量（liàng）6%的Al-Mg合金相當，但後者的抗拉強度為340N/mm2、屈服強度為180N/mm2,這（zhè）就（jiù）是說加入鈧與鋯後，合金（jīn）的強度性能（néng）有了很大提高。01570合金還有良好的（de）超（chāo）塑性和可焊性能。

01571合（hé）金為焊絲合金，還含有微量的混合稀土與硼，它的強度比01570合金的稍低（dī），但塑性（xìng）則高一些，用於焊接Al-Mg-Sc與Al-Zn-Mg-Sc合金。由（yóu）於含有Sc、Zr、Ti等（děng）微量元素，焊縫鑄態組織得到顯著細化（huà），焊縫的熱（rè）裂傾向（xiàng）也小了許多，同時由於焊縫的（de）結（jié）晶速度甚快，微量Sc、Zr最大程度地溶入了Al-Mg合金固溶體中，在後來的熱處理過程中以納米級的Al3Sc、Al3Zr粒子析出，顯著提高了Al-Mg-Sc和Al-Zn-Mg-Sc合金焊接接頭強度。

01545合金的鎂含量比01570合（hé）金的少，為4.0%~4.5%，因（yīn）而塑性與成形加工性能比（bǐ）01570合金的好，後來又研製成功（gōng）含4.2%Mg~4.8%Mg的01545K合（hé）金，它在液氫溫度（dù）20K時有很好的力學性能，Rm≥600N/mm2，Rpo.2≥430N/mm2，A10≥15%，是焊接液氫與液（yè）氧火（huǒ）箭燃（rán）料貯罐的材料。

01535合金的鎂含量為3.5%~4.5%，比01570合金（jīn）及01545合金的都低一些（xiē），但（dàn）有良好的塑性，有利於成品加（jiā）工，也減少了剝落（luò）腐（fǔ）蝕和應力腐蝕開裂風險，它的抗拉強度Rm≥360N/mm2，Rpo.2≥N/mm2，伸長率≥16%，主要用於（yú）焊接低溫結構件，如液化氣罐等（děng）。

01523合（hé）金的鎂含量（liàng）低，僅約2%，但有（yǒu）很好的抗蝕性、成形性和抗中子輻照性（xìng），可是強（qiáng）度卻比不含鈧的（de）AlMg2合金（jīn）的高得（dé）多。

01523合金用於（yú）焊接（jiē）在高腐（fǔ）蝕性介質（zhì）中工作的構件，如運送H2S含量高的原油容器管道，以及（jí）受中子輻（fú）照的（de）焊接零部件。

01515合金（jīn）是（shì）一種含鎂量很低的鋁（lǚ）-鎂-鈧-鋯合（hé）金，熱導率高和有較高的屈（qū）服強度Rpo.2，在航空航天器（qì）交換器製造中有著廣泛的應用（yòng）。

鋁-鋅-鎂-銅-鈧合金

在俄羅斯（sī）此係合金有3個成型的：01970、01975、01981，Zn的含量（liàng）4.5%~5.5%，Mg含量約2%，Zn/Mg比2.6，Cu含量0.35%~1.0%，（Sc+Zr）含量0.30%~35%。

01970合金抵抗再結晶的能力甚強，即使冷變形率（lǜ）很大，其開始（shǐ）再結晶溫度也比（bǐ）固溶處理溫度高。例如（rú），冷變形達85%的板材在450℃淬火後仍（réng）保持著完整的非（fēi）再結晶組織（zhī）。

還有一種牌號為01975的鈧含量低的（de）鋁-鎂係合金，隻含0.07%Sc，在現有全球的鋁-鈧（kàng）合金中，是含鈧量最少的，其（qí）他（tā）成分與01970合金的（de）相同。01975合金有很好的塑性與壓力加工性（xìng）能，擠（jǐ）壓後可在空氣中在線淬火，時效後的材料有良好的綜合性能：高的強度性能和（hé）抗剝落腐（fǔ）蝕性能，良（liáng）好的抗應力腐蝕性（xìng），優異的可焊性，是擠壓高速列車、地鐵（tiě）和橋梁等（děng）承力結構的（de）重要（yào）材料。

在此係含鈧的（de）合金中，上世紀90年（nián）代，俄羅斯研（yán）製成一種新型的Al-Zn-Mg-Cu-Sc合金，其性能與7055合金（jīn）的相當，但有更好的（de）工（gōng）藝性能，高的強（qiáng）度（dù）、高的彈性、低的各向異性和好的斷裂韌性。

鋁-鎂-鋰-鈧合金及鋁-銅-鋰-鈧合金

俄羅斯研發的這兩類鋁-鈧合金雖（suī）然尚未在工業中獲得（dé）廣泛應用，但鋁鈧合金的特（tè）有優秀性能（néng）已初顯端倪，已在航空航天工業得到應用，用於製造一些重要的結構件。向01420鋁-鎂-鋰-鋯（Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr）合金添加<0.30%SC，形成了牌號為01421及01423的兩（liǎng）種鋁-鎂-鋰-鈧合（hé）金，它們的密度為2.5g/cm3，成為（wéi）很輕的變形鋁合金之一，並有很好的可焊性。

01460合（hé）金的成分（質量%）：3Cu、2Li、0.2~0.3（Sc+Zr），其餘為Al。該合金時效（xiào）後的典型力學（xué）性能：抗拉強度Rm =55N/mm2，屈服強度Rp0.2=490N/mm2，伸長率A=7%，可用氬弧法焊接，並有良好的低溫性能，當測試溫度從室溫降至液氫溫（wēn）度時，抗拉強度從550N/mm2上升到680N/mm2，伸（shēn）長率則由7%增加到10%。俄羅斯已用此合金製造航天器發射火（huǒ）箭液態燃料貯箱（xiāng）。

新世（shì）紀以來，俄羅斯在01460合金（jīn）基礎上研製出（chū）01464合金，其密度為2.65g/cm3，正彈性（xìng）模量（liàng）E=（70~80）GN/mm2，經熱機械處（chù）理後，可具有更好的綜合性能，高的強度、塑性、抗蝕性、可焊（hàn）性、抗衝擊性與抗裂（liè）性，還有較高的熱穩定性，可於120℃長期工作（zuò）。

在2018年12月26日工（gōng）信部發布的《重點新材料首批次應用示範指導目標（2018年版）》的通告中，列有兩類重點（diǎn）研發的新型鋁合（hé）金：一類是含（hán）鈧的（de）結構鋁合金，另一類（lèi）為含鈧的焊絲鋁（lǚ）合金。對中國（guó）來說，它們都是新材料，都是（shì）短板，都亟待發展。希望（wàng）有（yǒu）關企業（yè）、科（kē）研院所、大專院校能在相關部門（mén）的（de）牽頭（tóu）下組織起來，統一步調，聯合攻關，既有合作，又有分工，爭（zhēng）取在四五年時間內完成研製任（rèn）務，形（xíng）成有中國特色（sè）的（de）鋁（lǚ）-鈧合（hé）金係列，其中有約5種（zhǒng）鋁-鈧結構合金，2種鋁-鈧焊絲合金。（王祝堂）

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