工信部8种重点发展新铝材（二）7B50合金预拉伸板及含钪的铝合金
日期：
2019-07-31
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在美国铝业协会注册的变形铝合金中，并没有7B50这个合金，但是按中国国标GB/T3190-2008却有这个合金。
7B50合金的锌含量比7050合金的大0.3个百分点，并含有0.0002%Be~0.002%Be，Ti的含量也多0.04个百分点，其他元素的含量则几乎完全相同，所以他们的组织与性能相同。 微量Be的加入主要是为了提高氧化膜的致密性，减轻或防止熔炼时镁的烧损。 钪（Sc）是一种稀土元素，稀土元素是元素周期表ⅢB族中的钪、钇、镧系等17种元素的总称，常用R或RE表示。钪是第一个稀土元素，是1879年瑞典化学家尼尔松（L·F·Nilson）发现的。 钪的化学活性很强，当和氧作用时，生成很稳定的Sc2O3，它的标准生成热和标准自由焓负值比钙、铝、镁氧化物的值还大。钪的物理性质：原子序数21、原子量44.956、熔点1541℃、沸点2836℃、24℃时密度2.989g/cm3、熔化热3.369×4.181J/mol、汽化热89.9 ×4.184KJ/mol、25℃时电阻率52×10-6Ω·cm、密排六方晶格、常见化合价+3。 稀土金属在地壳中的丰度0.0153%，与常见金属锌、锡、钴的丰度相近，钪的丰度为5g/t。 全球最大氧化钪研发生产基地在中国，生产铝-钪合金首先必须生产出氧化钪，再制成铝-钪中间合金，再将中间合金加到铝合金溶体中，方可制成含钪的铝-钪合金。当下，含钪的铝合金中的钪含量都是微量的，都≤0.5%，但是不管含钪多少，只要含有钪的铝合金皆被称为铝-钪合金或含钪的铝合金。 2018年中国中冶新材料有限公司一期项目顺利建成，其氧化钪车间于2019年1月21日产出了高纯氧化钪，该车间一期氧化钪生产能力20t/a,从而成为最大者。据美国地质矿产局公布的资料，2015年~2017年，全球钪的产销量10t/a~15t/a。中冶新材料公司采用自主研发的低成本红土镍矿提取氧化钪的工艺，这是一条绿色的大规模生产氧化钪的工艺路线。从而可向市场大规模稳定地提供高品质氧化钪，为铝-钪合金的发展提供稳定的原料支撑，同时有利于产品成本的降低。 为保障国家重要战略储备资源安全，促进国内含钪材料产业化发展，中冶新能源公司已联合中国恩菲工程技术有限公司、中国航发北京航空材料研究院、北京工业大学和河北工业大学，通过系统的硬件建设和人才队伍建设，成立了河北省钪系材料工程研究中心，重点研发高纯氧化钪制备技术、铝合金钪微合金技术及新型高性能铝-钪合金开发、含钪钨基阴极材料制备技术，建设产业化示范生产线，形成系统钪系材料研究体系并打造国家级研发中心，培育和辐射新兴科技及产业，推动和促进航空航天、国防军工、新能源、新能源汽车和下一代信息技术等战略新兴产业的发展。 将钪加入各种铝合金、镁合金中，可提高其高温强度，用以制造舰船发动机叶轮、飞机及汽车发动机和导弹零部件，向铝-锆合金加入适量的稀土用作电缆，可提高电缆的强度性能和耐磨性，而不降低其电导率，具有中国特色的稀土铝线缆。 俄罗斯、美国、日本、德国、中国等都对铝-钪合金作过与正在对其进行研究。在俄罗斯铝-钪合金已在航空航天器制造中获得大量应用。把钪加入铝中可形成Al3Sc，如果和锆一同加入铝中又可形成Al3Zr，它们是铝的结晶核心，可以极大地细化铝的晶粒，使铝的晶粒细小均匀，钪是细化铝及铝合金晶粒最有效的，故有“细化剂王”之称。 在铝及合金中只要加入千分之几的钪就会生成Al3Sc新相，使合金的组织和性能发生明显变化。加入0.2%Sc~0.4%Sc可以显著提高合金的高温轻度、组织稳定性、可焊性和抗腐蚀性能，并可避免长期高温工作时易产生的脆化现象。通过添加微量钪可在现有铝合金基础上开发出新一代铝合金如高强韧铝合金、新型高强耐蚀可焊铝合金、新的高温铝合金、高强度钪中子铝合金。在铝-钪合金研发和应用方面，俄罗斯起了领跑者作用，如1420合金已用于制造米格-29、图-204及雅克-36垂直起落等飞机的结构件，1421合金挤压材以用于制造运输机纵梁。美国用铝-钪合金制造焊丝和体育器材，如棒球和垒球棒、曲棍球杆和自行车纵梁等。 与不含钪的同成分合金相比，含钪的铝合金具有更高的强度性能和韧性，更高的抗蚀性，是继铝-锂合金之后又一新的一代航空航天、舰船轻型材料。在苏联时代，铝-钪合金集中在科学院巴依科夫研究所和全苏轻合金研究所研发，1991年苏联解体后进入俄罗斯时代，但这两个研究所仍致力于铝-钪合金研发，它们研发出Al-Mg-Sc系、Al-Zn-Sc系、Al-Zn-Mg-Cu-Sc系、Al-Mg-Li-Sc系和Al-Cu-Li-Sc系共17个牌号的铝-钪合金，产品主要用于航空航天、舰船等的焊接受力结构件，以及在碱性腐蚀介质环境中工作的铝合金管材、铁路运输油罐、高速列车关键零部件等。 截至2018年4月在美国铝业协会公司（AA）注册的铝-钪合金只有4个：法国2004年注册的2023合金，含0.06%Sc~0.15%Sc；德国2008年注册的5024合金，含0.10%Sc~0.40%Sc；德国2014年注册的5028合金，含0.02%Sc~0.40%Sc;2009年美国注册的7042合金，含0.18%Sc~0.50%Sc，这是迄今含钪最高的铝合金。 俄罗斯的铝-钪合金都成型于苏联时代，进入俄罗斯时代并没有取得惊人的有里程碑意义的成就。 此系合金共有8个：01570、01570C、01571、01545、01545K、01535、01523、01515，它们的合金化元素为Mg、Sc、Zr、此外还含微量Mn及Ti，为了降低合金溶体的氧化，还可以加入微量的Be。 01570合金的镁含量最高，与含镁量6%的Al-Mg合金相当，但后者的抗拉强度为340N/mm2、屈服强度为180N/mm2,这就是说加入钪与锆后，合金的强度性能有了很大提高。01570合金还有良好的超塑性和可焊性能。 01571合金为焊丝合金，还含有微量的混合稀土与硼，它的强度比01570合金的稍低，但塑性则高一些，用于焊接Al-Mg-Sc与Al-Zn-Mg-Sc合金。由于含有Sc、Zr、Ti等微量元素，焊缝铸态组织得到显著细化，焊缝的热裂倾向也小了许多，同时由于焊缝的结晶速度甚快，微量Sc、Zr最大程度地溶入了Al-Mg合金固溶体中，在后来的热处理过程中以纳米级的Al3Sc、Al3Zr粒子析出，显著提高了Al-Mg-Sc和Al-Zn-Mg-Sc合金焊接接头强度。 01545合金的镁含量比01570合金的少，为4.0%~4.5%，因而塑性与成形加工性能比01570合金的好，后来又研制成功含4.2%Mg~4.8%Mg的01545K合金，它在液氢温度20K时有很好的力学性能，Rm≥600N/mm2，Rpo.2≥430N/mm2，A10≥15%，是焊接液氢与液氧火箭燃料贮罐的材料。 01535合金的镁含量为3.5%~4.5%，比01570合金及01545合金的都低一些，但有良好的塑性，有利于成品加工，也减少了剥落腐蚀和应力腐蚀开裂风险，它的抗拉强度Rm≥360N/mm2，Rpo.2≥N/mm2，伸长率≥16%，主要用于焊接低温结构件，如液化气罐等。 01523合金的镁含量低，仅约2%，但有很好的抗蚀性、成形性和抗中子辐照性，可是强度却比不含钪的AlMg2合金的高得多。 01523合金用于焊接在高腐蚀性介质中工作的构件，如运送H2S含量高的原油容器管道，以及受中子辐照的焊接零部件。 01515合金是一种含镁量很低的铝-镁-钪-锆合金，热导率高和有较高的屈服强度Rpo.2，在航空航天器交换器制造中有着广泛的应用。 在俄罗斯此系合金有3个成型的：01970、01975、01981，Zn的含量4.5%~5.5%，Mg含量约2%，Zn/Mg比2.6，Cu含量0.35%~1.0%，（Sc+Zr）含量0.30%~35%。 01970合金抵抗再结晶的能力甚强，即使冷变形率很大，其开始再结晶温度也比固溶处理温度高。例如，冷变形达85%的板材在450℃淬火后仍保持着完整的非再结晶组织。 还有一种牌号为01975的钪含量低的铝-镁系合金，只含0.07%Sc，在现有全球的铝-钪合金中，是含钪量最少的，其他成分与01970合金的相同。01975合金有很好的塑性与压力加工性能，挤压后可在空气中在线淬火，时效后的材料有良好的综合性能：高的强度性能和抗剥落腐蚀性能，良好的抗应力腐蚀性，优异的可焊性，是挤压高速列车、地铁和桥梁等承力结构的重要材料。 在此系含钪的合金中，上世纪90年代，俄罗斯研制成一种新型的Al-Zn-Mg-Cu-Sc合金，其性能与7055合金的相当，但有更好的工艺性能，高的强度、高的弹性、低的各向异性和好的断裂韧性。 俄罗斯研发的这两类铝-钪合金虽然尚未在工业中获得广泛应用，但铝钪合金的特有优秀性能已初显端倪，已在航空航天工业得到应用，用于制造一些重要的结构件。向01420铝-镁-锂-锆（Al-5.5Mg-2Li-0.15Zr）合金添加<0.30%SC，形成了牌号为01421及01423的两种铝-镁-锂-钪合金，它们的密度为2.5g/cm3，成为很轻的变形铝合金之一，并有很好的可焊性。 01460合金的成分（质量%）：3Cu、2Li、0.2~0.3（Sc+Zr），其余为Al。该合金时效后的典型力学性能：抗拉强度Rm =55N/mm2，屈服强度Rp0.2=490N/mm2，伸长率A=7%，可用氩弧法焊接，并有良好的低温性能，当测试温度从室温降至液氢温度时，抗拉强度从550N/mm2上升到680N/mm2，伸长率则由7%增加到10%。俄罗斯已用此合金制造航天器发射火箭液态燃料贮箱。 新世纪以来，俄罗斯在01460合金基础上研制出01464合金，其密度为2.65g/cm3，正弹性模量E=（70~80）GN/mm2，经热机械处理后，可具有更好的综合性能，高的强度、塑性、抗蚀性、可焊性、抗冲击性与抗裂性，还有较高的热稳定性，可于120℃长期工作。 在2018年12月26日工信部发布的《重点新材料首批次应用示范指导目标（2018年版）》的通告中，列有两类重点研发的新型铝合金：一类是含钪的结构铝合金，另一类为含钪的焊丝铝合金。对中国来说，它们都是新材料，都是短板，都亟待发展。希望有关企业、科研院所、大专院校能在相关部门的牵头下组织起来，统一步调，联合攻关，既有合作，又有分工，争取在四五年时间内完成研制任务，形成有中国特色的铝-钪合金系列，其中有约5种铝-钪结构合金，2种铝-钪焊丝合金。
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