分享：大有作為的含鈧鋁合金

鈧極為珍貴，據(jù)美國礦務(wù)局估計其世界蘊藏 量僅為大約 !!" #。工業(yè)生產(chǎn)鈧的主要原料來源是 生產(chǎn)鈾、鎢、鈦的尾礦。我國鎢渣中含鈧約 "$"%&， 攀枝花等地的鈦鐵礦也是鈧的主要來源。上千萬 噸待處理的鎢渣和年處理 %""’("" 萬 # 鈦鐵礦的生 產(chǎn)規(guī)模，已使我國依托江西、兩廣等地鎢、錫、鐵 的生產(chǎn)，成為壓倒俄羅斯、烏克蘭，首屈一指的鈧 供應(yīng)和生產(chǎn)大國。當前俄羅斯利用科拉半島的磷灰 石、哈薩克斯坦利用其含鈾礦床、烏克蘭依靠日爾 梯耶沃達的鐵礦與我國形成中、哈、烏、俄分庭抗 禮共同生產(chǎn)鈧的世界格局。我國近年來在資源開發(fā) 與鈧的提取方面都取得了突破性進展，日趨成熟的 工藝已將我國鈧的生產(chǎn)能力提升到超越俄、烏的地 位，達到年產(chǎn)數(shù)百公斤的水準。

鈧的應(yīng)用大多處于研發(fā)階段，如冶金研究及作 分析標準。其氧化物在氧化鋯基陶瓷中用作穩(wěn)定劑 （降低固體氧化物燃料電池的工作溫度），在氮化硅 陶瓷中用作致密劑，對改善先進陶瓷和傳感器的工 作性能有顯著成效。在許多應(yīng)用中鈧可用低價位的 其它稀土代替，但在照明和激光應(yīng)用中具有不可取 代的作用。用 )*+( 可以制造光色與陽光相仿的高亮 度電光源，如鈧鈉燈較白熾燈節(jié)電 ,"&，壽命可達 %-""" .，采用鈧的釓鈧鎵石榴石晶體用直拉法已獲 得直徑 /(" 00、長 /"" 00 的尺寸材料，尺寸大、 質(zhì)量高，適于制造千瓦級的高平均輸出板條激光 器。其激射效率是釔鋁石榴石的 ($- 倍，除用于金 屬加工外，還用于聚變研究及軍事目的。

鈧在周期表中與鋁、鈦是近鄰，在化學元素 發(fā)現(xiàn)史上曾被稱作 “類鋁”，作為鋁、鎂、鈦的合 金添加元素，在改善合金的力學性能、熱穩(wěn)定性 和強度方面有著巨大的應(yīng)用潛力。其實前蘇聯(lián)在推動鋁鋰合金在航空航天業(yè)的實用化方面，就利用 了鈧的作用。他們生產(chǎn)的 /1%/ 合金 （234%$/564-$%784 "$/%9:）就使用了少量鈧。前蘇聯(lián)自 ;" 年代末期 就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈧能使鋁的晶粒細化并顯著提高鋁合金 的強度，此后他們對純金屬鈧、鈧的金屬間化合物 及相關(guān)圖進行了充分研究，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出多 種含鈧鋁合金，率先在米格 %< 型戰(zhàn)斗機與導彈的 導向尾翼上獲得應(yīng)用。

鈧在鋁合金內(nèi)形成彌散的高度穩(wěn)定的 23()* 金屬 間相，與鋁基體類質(zhì)同晶，在鋁合金內(nèi)起沉淀強化 劑、晶粒細化劑與再結(jié)晶抑制劑的作用。最近的研 究結(jié)果表明加鈧可以顯著改善鋁合金的強度和塑性， 比其它合金化元素對鋁合金產(chǎn)生的強化效應(yīng)大得多。

近數(shù)十年來，俄羅斯、烏克蘭以及美、日、加 等后來者在開發(fā)鈧鋁合金方面不斷取得新進展，形 成了包括 234784)*、2349=4784)*、234784 564)*、234>?4564)@、2349=4784>?4)* 等合金 系列近 %" 個牌號的 （含）鈧鋁合金。我國對鈧鋁 合金的研究尚處于起步階段，中南工業(yè)大學、東北 大學等單位已開展了這方面的工作。鈧的效率決定 于它在鋁合金中的濃度、與其它合金化元素相互作用的類型以及時效期間的相變和結(jié)構(gòu)變化。實際上 鈧在某些三元鋁合金中產(chǎn)生的強化效應(yīng)反而不如二 元合金，因此 !"#$%#&’ 和 !"#&(#&’ 合金已不在考 慮之列。合理的添加量使鋁合金的強度、塑性、抗 蝕性與可焊性均有明顯改善，鈧鋁合金的高附加值 在一定程度上抵銷了鈧價昂貴帶來的成本上的壓力。

最近這方面的工作又向前跨出了一大步。美 國航天局蘭利研究中心開發(fā)的牌號為 $)*+ 的三元 鈧鋁合金 !",-.,&’ 利用鈧和鋯的協(xié)同強化作用， 通過 !"/&’ 和 !"012 共格彌散體的形成及晶粒細化 導致的額外強化作用，提高了強度的熱穩(wěn)定性， 同時還把該合金的使用溫度擴展到可在深冷的溫 度 （甚至液氫）下工作，從而拓寬了這種與俄羅 斯 3*0* 合金相當?shù)暮備X合金在機身結(jié)構(gòu)與飛船 結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的范圍。4554 年烏克蘭材料問題研究 所與美國賴特——帕特森空軍基地空軍研究實驗 室合作，通過添加鈧對屬于 +666 的 !"718#-.# $% 合金進行了改性研究。!"#18#-.#$% 是航空 航天部門使用的作為基礎(chǔ)性結(jié)構(gòu)材料的高強高韌 性鋁合金，烏、美這兩家機構(gòu)通過研究發(fā)現(xiàn)只要 在 !"#18#-.#$% 內(nèi)加入少量鈧和鋯，合金內(nèi)鋅 的含量可以突破 +9的上限，增高到 :;9，從而大 幅度提高合金的強度等力學性能，他們通過這項 用鈧進行改性的研究認定，合金成分和熱處理條 件是提升合金性能的決定性因素。實驗還表明， 鈧和鋯的總添加量低于 <=49，可細化鑄態(tài)合金鑄 件和焊縫的顯微組織，提高鑄件的可加工和變形 能力，并抑制變形合金在熱處理時出現(xiàn)再結(jié)晶， 最終提高變形鋁合金的強度和塑性。

實踐表明含鈧合金是航空航天工程的基礎(chǔ)性 結(jié)構(gòu)性料。近年來，由于鈧的供應(yīng)渠道暢通、鈧 價呈下跌態(tài)勢，且鈧在鋁合金中用量極少，固此 在保障強度、塑性、可焊性、耐蝕性提高的前提 下，成本大體上已不再是鈧鋁合金走向民用的重 要障礙。鈧鋁合金存在巨大的潛在商機，美國人 最早看到了這一點。>??@ 年美國阿什赫斯特工藝 公司通過與烏克蘭合作率先開發(fā)出用于運動器械 和長曲棍球球桿的手柄、棒球棒和壘球棒的高強 度輕質(zhì)鈧鋁合金。這種鈧鋁合金球棒重量輕、剛度高，頗受美國球具市場和運動員的歡迎。一只球 棒售價高達 0<< 美元以上。高的附加值已吸引包括 耐克公司在內(nèi)的運動用品公司涉足鈧鋁球棒市場。 4<<4 年美國已有 @ 家公司生產(chǎn)鈧鋁合金球棒。此外 阿什赫斯特還開發(fā)了能提高焊接強度、使抗疲勞性 能較普通鋁合金焊絲提高 0 倍、并減少熱裂和熱撕 裂的鈧鋁合金焊絲，這種焊絲作為熔敷金屬在某些 鋁合金工件和鑄件的焊接中有相當廣泛的應(yīng)用前景。

鈧鋁合金的成本通過改善制造工藝，如用熱還 原法 （加還原劑）以鋁和鹵化鈧為原料制造鋁鈧母 合金，還有進一步降低的空間。成本的下降，鈧鋁 焊絲的加盟，使近年強度已越過 @*<-AB，塑性與 可焊性俱佳的鈧鋁合金，成為制造輕量化自行車的 理想材料?？陀^條件的成熟，使善于抓住商機的美 國伊斯頓自行車產(chǎn)品集團成為在自行車上使用鈧鋁 合金的先行者。他們在自行車車架、前叉及輪圈上 使用了鈧鋁合金，減輕了它們的重量，用鈧鋁合金 已開發(fā)出車架僅重 : 公斤多的高速跑車。這種車能 吸收一定量的震動顯示出足夠的剛度使扭力從騎車 人身上轉(zhuǎn)移到地面。最近臺灣穗高工業(yè)公司也開發(fā) 了鈧鋁車架，并于 ;<<0 年初獲得歐洲市場 * 萬輛的 訂單，每輛車高達 C<<< 元新臺幣 （合人民幣 ;<<< 元左右），初步實現(xiàn)了自行車產(chǎn)業(yè)向高附加值轉(zhuǎn)型。

此外，鈧鉛合金在一些要求質(zhì)量輕、強度高的 地方也大有文章可做。如野外露營帳棚支架、筆記 本電腦外殼和手機外殼，甚至手槍等器械的槍身和 子彈夾也都是擴大應(yīng)用開發(fā)的領(lǐng)域。

我國擁有豐富的鈧資源，由于工藝上的進展， 近年來已越過俄烏成為鈧產(chǎn)品的最大供應(yīng)國。同時 我國又是產(chǎn)鋁大國、自行車生產(chǎn)王國，就開發(fā)鈧鋁 合金的原料以及所擁有的自行車市場而言，都是全 球絕無僅有的。在應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)方面，我國 起步雖然不遲但發(fā)展緩慢。而以輕量化、節(jié)約能 源、降低材料消耗、有益環(huán)保為主要特點的鈧鋁合 金的研發(fā)，從中近期的目標看，對發(fā)展我國的航空 航天產(chǎn)業(yè)如神舟系列飛船的升空、實施登月計劃， 以及陸運、海運交通工具將大有裨益。把握時機、 開拓市場、向更高層次的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，鈧鋁合金 必將折射出新世紀的絢麗光彩。

文章來源——金屬世界