摘要
含钪铝合金具有高强度、耐腐蚀、焊接性能好等优点，已成为新一代航空航天、舰船、核工业等高端应用领域用轻质合金结构材料，目前，铝钪中间合金生产成本较高的问题限制了其应用。本文系统研究了 NH4HF2与Sc2O3的氟化机理，通过室温氟化、碱性环境脱氨处理获得了纯净的Na3ScF6,基于铝热还原法制备了铝钪中间合金。本文主要研究内容和结论总结如下: (1)开展了 NH4HF2氟化Sc2O3的过程研究及机理分析。利用HSC Chemistry软件，依据热力学基本原理，对NH4HF2氟化Sc2O3反应的△rGΘm、△rHΘm和热力学平衡常数进行计算。利用热重和差热分析(TG-DSC)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线粉末衍射(PXRD)对反应产物的转变温度、形貌与结构进行分析，探究了氟化温度、时间、原料配比对氟化过程的影响。研究结果表明:研究温度下氟化反应为自发吸热反应，Sc2O3与NH4HF2室温下首先反应形成(NH4)3ScF6,随着温度的升高，(NH4)3ScF6将依次分解为NH4ScF4、(NH4)2Sc3F11，最后形成ScF3。氟化率随反应温度和反应时间的增加而提高，当NH4HF2与Sc2O3的质量比≥3时，在400℃下氟化2h，即可得到纯净的ScF3。 (2)开展了 Na3ScF6及铝钪中间合金的制备工艺。利用NH4HF2氟化Sc2O3的室温产物(NH4)3ScF6与NaOH的反应制得Na3ScF6,采用NaCl-KCl-Na3ScF6熔盐体系，利用铝热还原法制备铝钪中间合金。研究熔盐添加量、制备温度、保温时间、钪投入量对铝钪中间合金中Sc收率的影响，通过正交实验确定铝钪中间合金的最佳制备工艺。研究结果表明:温度是影响铝热还原的主要因素，在实验温度下，随着温度的升高，Sc收得率先升高后降低，增大熔盐量、延长保温时间会提高钪的收得率，保温40min后回收率达到平衡，Sc投入量增加将会降低收率。通过氩气搅拌、改变凝固顺序、降低铸锭高度和浇注温度，改善铝钪中间合金铸锭中Sc的偏析问题。还原温度725℃,保温时间40min,钪投入量2wt.％,熔盐投入量60％,平板钢模浇铸，获得Al-2wt.％Sc中间合金，Sc收率最高为95％。 (3)研究了铝钪中间合金对A356合金α-Al晶粒、共晶Si及其力学性能的影响。结果表明:在A356合金中添加0.45wt.％Sc可使α-Al晶粒减小50％。Sc的加入使共晶Si的形貌由针状变为纤维状和球状。变质后的A356合金硬度、极限抗拉强度(UTS)和延伸率分别为72.2HB、197.8MPa、6.0％,提高40％、40％和4.5％,合金性能显著提高。
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