钪-铝合金热裂缝的克星
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发布时间：2008-07-31
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１８７１年，门捷列夫在他的周期律的基础上曾预言有第２１号元素存在，这个元素是金属，直到１８７９年尼尔松才从斯堪的纳维亚(Ｓｃａｎｄｉｎａｖｉａ)半岛的矿样中离析出来，因此命名为钪(ｓｃａｎｄｉｕｍ)。钪的主要矿物是钪钇石(Ｓｃ，Ｙ)Ｓｉ２Ｏ７，它存在于伟晶花岗岩及一些锡石、钨矿和稀土矿中。地壳中钪的平均含量为９×１０－８。钪的熔点１５４１℃，沸点２８３６℃；２４℃时的密度为２９８９ｋｇ／ｍ３，比任一其他稀土元素的都小。↑
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↑是铝合金的“三剂”↑ 含微量Ｓｃ(约０.３％)的铝合金有着优异的性能，因为它是后者的理想“三剂”：弥散强化剂，晶粒细化剂，再结晶抑制剂。Ａｌ３Ｓｃ是一种Ｌｌ２型相，与母相铝共格，但有着极大的共格失配，因而使晶格发生强烈的应变，阻碍晶粒长大。Ａｌ３Ｓｃ与母相铝的失配达１.２％左右，而Ａｌ３Ｚｒ与母相的失配仅０.８％，它也是一种极为有效的强化弥散体。可是，Ａｌ３Ｓｃ不但能阻碍铝合金再结晶晶粒长大，而且能完全抑制再结晶的发生，因为钪可使铝合金的再结晶温度上升到６００℃，这比绝大多数热处理可强化铝合金的固溶处理温度(一般为５００℃)高得多。铝合金中的过渡族元素(锆、铬、锰、钒、钛等)虽有阻碍再结晶的作用，但是不能完全抑制再结晶的发生，因为热处理可强化铝合金的固溶处理温度高于其再结晶温度(约３５０℃)。向铝合金同时添加钪与锆，可形成极为细小的共格三元化合物即Ａｌ３(ＺｒｘＳｃ１－ｘ)，也是一个强有力的再结晶相与有效的热稳定相。↑
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↑可改善铝合金的组织↑ 我们知道一些铝合金在热和／或冷加工后再进行固溶热处理与时效处理，其强度性能会有所下降。例如，一种Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ－Ｚｒ合金即７ＸＸＸ系合金在冷加工状态下(变形率８４％)的屈服强度为６３０ＭＰａ，而经热处理后，屈服强度不但未上升，反而下降到６０５ＭＰａ。可是含微量钪的同一合金的情况则大不相同，钪虽只使冷加工状态的合金的屈服强度略有上升，达到６３６ＭＰａ，可是对热处理后的合金屈服强度则上升到６４３ＭＰａ。↑
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↑可提高铝合金的可焊性能↑ 自发明飞机以来，铝合金就与航空事业结下了不解之缘，没有铝合金就没有今天这样兴旺发达的航空工业。然而，大家都看到飞机的零部件是用铆钉连接的，一般小型的民航机如中国哈尔滨飞机公司生产的“运八”飞机上有５０多万个铆钉，而美国波音飞机公司制造的“波音７３７”客机竟有近２００万个铆钉。为什么不用焊接呢主要是由于铝合金的可焊性能不好，一焊就产生热裂缝。我们把金属在高温下产生的裂缝叫热裂缝。↑ 把钪加到铝合金中，铝合金的可焊性能得到极大的提高，焊接时不再产生热裂缝，焊件的强度也提高了，焊缝的强度性能几乎与母材的相等。钪为什么有这种神奇般的功效呢一是因为它能强热地细化晶粒，二是因为它能大幅度提高合金的再结晶温度，三是因为它阻碍晶粒长大。↑ 在作６０６１合金(一种常用的Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－Ｃｕ合金)的热裂缝敏感性试验时，常规合金的裂缝总长度为３２ｍｍ～４３ｍｍ，可是含钪合金的热裂缝则观察不到。２６１８合金(一种Ａｌ－Ｃｕ－Ｍｇ－Ｚｒ系合金)是一种高强度铝合金，用于制造航空器与航天器结构件，但其可焊性差，一焊就产生热裂缝。然而用含钪的焊丝焊接时，就能顺利地焊接热裂缝消失。↑
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↑梦幻成真↑ 航空器与航天器的铝合金结构如用焊接连接，可使生产成本降低，制造周期缩短，结构强度提高，劳动环境改善。飞机的生产周期将大大缩短，制造成本可下降约８％，经济效益与社会效益卓著。↑ 含钪的铝合金的开发研制最早始于苏联，现在中国、俄国、美国等国家的冶金工作者与材料科学家在研究方面都做了大量工作，第一个含钪的铝合金５０２５合金于１９９６年１０月１５日在美国铝业协会(这是一个国际性的铝行业组织)正式注册，其成分为(％)：０.２５Ｓｉ，０.２５Ｆｅ，０.１０Ｃｕ，０.２０Ｍｎ，(４.５～６.０)Ｍｇ，０.２０Ｃｒ，０.２５Ｚｎ，(０.０５～０.２０)Ｔｉ，(０.１０～０.２５)Ｚｒ，０.０００８Ｂｅ，(０.０５～０.５５)Ｓｃ。钪将为铝合金的焊接作出巨大贡献。↑
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