高鈧含量鋁鈧合金的組織與性能

文 康，劉 華，2，黃美松，2，周 煌，樊玉川，2，劉 維，張聞?chuàng)P

（1.湖南稀土金屬材料研究院有限責(zé)任公司，湖南長(zhǎng)沙 410126；2.稀土功能材料湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410126）

鈧是一種價(jià)格昂貴的稀土金屬，其在燃料電池、陶瓷材料、化學(xué)催化等領(lǐng)域均有應(yīng)用，目前鈧的主要應(yīng)用在于合金的改性；向鋁、鎂、鐵等合金中添加微量的鈧元素，可以有效地改善合金組織，提升力學(xué)性能。如向鋁合金中加入微量鈧，可以凈化組織、細(xì)化晶粒，大幅度改善合金的強(qiáng)度、韌性、耐蝕性和焊接性能等［1～3］。

然而，迄今為止，關(guān)于鋁鈧二元合金的研究?jī)H僅集中于低鈧含量的鋁鈧合金制備，其作為熔煉含鈧鋁合金的重要原料，在航空航天、船舶以及一些特種工業(yè)領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用［4，5］。另一方面，隨著薄膜與微納制造技術(shù)的發(fā)展，電子器件向著微型化、高集成度、高頻的方向發(fā)展，高鈧含量（Sc含量＞10%）的鋁鈧合金在新型微機(jī)電系統(tǒng)以及射頻濾波器等領(lǐng)域的作用也逐漸得到體現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，摻鈧的氮化鋁（ScAlN）薄膜其壓電系數(shù)明顯高于純氮化鋁（AlN）薄膜［6～9］。2009年，Akiyama等人［10］發(fā)現(xiàn)當(dāng)摻鈧濃度為43%時(shí)，所制得ScAlN薄膜的壓電系數(shù)是純AlN薄膜的5倍，這意味著ScAlN薄膜將成為聲波諧振器中的重要基礎(chǔ)材料。同時(shí)，在批量生產(chǎn)過(guò)程中，使用兩塊純金屬靶協(xié)同濺射會(huì)使濺射粒子較難以一致的方向沉積到基板上，而使用鋁鈧合金靶進(jìn)行濺射制備的ScAlN薄膜，更有利于濺射過(guò)程的控制，提高ScAlN薄膜厚度、成分的均勻度，以確保聲波諧振器的性能穩(wěn)定。因此，作為重要的原材料，高鈧含量的鋁鈧合金在新一代無(wú)線通信系統(tǒng)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

鋁鈧中間合金的制備方法通常包括對(duì)摻法、熔鹽電解法、金屬熱還原法［11～13］。金屬熱還原法制備鋁鈧中間合金，由于輔料中氟化物、氯化物等的使用，會(huì)產(chǎn)生大量有毒氣體，對(duì)設(shè)備也有一定的腐蝕，并且使用此法無(wú)法制備出高鈧含量（＞10%）的鋁鈧中間合金；使用熔鹽電解法制備鋁鈧中間合金，存在電流效率較低，能耗大等問(wèn)題，且反應(yīng)過(guò)程中同樣會(huì)有氯氣等有害氣體生成。故在本研究中，將使用對(duì)摻法來(lái)制備含Sc量達(dá)到20%的鋁鈧二元合金。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 原料與材料制備

使用純度99.999%的高純鋁與99.99%的高純鈧為原料，將原料破碎成小塊，按指定成分配比（含鈧20%）稱取相應(yīng)質(zhì)量的原料，混合均勻后置入水冷銅坩堝中，隨后在氬氣保護(hù)氣氛下，于真空懸浮感應(yīng)爐中加熱熔煉；采用澆注以及將合金置于水冷銅坩堝中隨爐冷卻兩種方式分別進(jìn)行合金鑄錠成型，制備Al-20%Sc二元合金。

1.2 分析與檢測(cè)

使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP JY38S）對(duì)鋁鈧合金進(jìn)行成分分析；使用TH700維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（試驗(yàn)力9.8 N，保荷時(shí)間10 s）；采用日本理學(xué)RigkuⅣX射線衍射儀對(duì)合金進(jìn)行物相定性分析，并使用Jade 6軟件對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析；金相樣品在經(jīng)過(guò)粗磨、精磨、拋光后，再進(jìn)行陽(yáng)極覆膜處理，并在Leica DM4500P偏光顯微鏡下進(jìn)行觀察；使用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對(duì)鋁鈧合金的物相分布情況進(jìn)行觀察，并通過(guò)能譜分析儀對(duì)物相進(jìn)行成分分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 Al-20%Sc合金的物相組成

Al-20%Sc合金鑄錠的X射線衍圖譜如圖1所示，由圖譜可見(jiàn)，該合金的物相組成包括基體相Al，以及合金相Al3Sc。

圖1 Al-20%Sc合金鑄錠的X射線衍射圖譜

2.2 Al-20%Sc合金鑄錠成型方式的選擇

對(duì)于鋁鈧合金及靶材而言，其成分的均勻性是一項(xiàng)重要的指標(biāo)，會(huì)直接影響靶材濺射鍍膜成分的均勻性，從而對(duì)其使用性能產(chǎn)生影響；另一方面，在通過(guò)加工鋁鈧合金鑄錠制備靶材的過(guò)程中，成分的不均勻性也會(huì)導(dǎo)致鑄錠各部位出現(xiàn)變形不均、局部開(kāi)裂等現(xiàn)象。在使用兩種不同成型方式獲得的鑄錠上分別進(jìn)行隨機(jī)多點(diǎn)取樣，分析鑄錠不同位置上鈧的含量，并對(duì)相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

表1 兩種鑄錠方式制備的Al-20 %Sc合金上各測(cè)試點(diǎn)的鈧含量 %

表2 兩種鑄錠方式制備的Al-20 %Sc合金上各測(cè)試點(diǎn)的顯微硬度 HV

由表1可見(jiàn)，使用澆注成型的方式制備的Al-20%Sc合金鑄錠，主要合金元素鈧的分布基本均勻，不同位置上鈧的含量差異較小，均在±0.1%范圍之內(nèi)。而當(dāng)將合金熔體置于水冷銅坩堝中隨爐冷卻成型時(shí)，鑄錠不同位置上鈧的含量存在較大差異，最大偏差接近5%。這是由于Al-20%Sc合金中Al3Sc相數(shù)量較多，且Al3Sc相熔點(diǎn)（1 320℃）與基體相Al的熔點(diǎn)（677℃）相差較大；在鋁鈧合金熔體的凝固過(guò)程中，熔體底部以及邊緣部分與水冷銅坩堝壁直接接觸，其冷卻速度明顯高于熔體的中心部分，因而在凝固過(guò)程中Al3Sc相會(huì)發(fā)生明顯偏析，導(dǎo)致鋁鈧合金鑄錠中不同部位鈧的成分分布不均勻。

由表2可知，通過(guò)澆注成型制得的鑄錠上各測(cè)試點(diǎn)硬度值基本一致（測(cè)試點(diǎn)中硬度最高與最低值之間相差＜4 HV），而通過(guò)在水冷銅坩堝中隨爐冷卻制得的合金錠，不同位置顯微硬度值偏差較大（測(cè)試點(diǎn)中硬度最高與最低值之間相差超過(guò)20 HV），且與成分偏差的規(guī)律相吻合。由表1、2可見(jiàn)，在Al-20%Sc合金中，鈧含量相對(duì)較高的區(qū)域其硬度值也相應(yīng)較高。

綜上所述，當(dāng)使用真空懸浮熔煉爐制備Al-20%Sc合金時(shí)，使用澆注成型的方式所制得的合金鑄錠，成分分布更為均勻。對(duì)于靶材而言，成分的均勻性是確保鍍膜質(zhì)量的重要指標(biāo)；另一方面，使用澆注成型的Al-20%Sc合金，不同位置的硬度值差異也更小，更加有利于對(duì)鑄錠進(jìn)行進(jìn)一步加工，因此試驗(yàn)采用澆注成型制備的Al-20%Sc合金作為研究對(duì)象。

2.3 Al-20%Sc合金的微觀組織

Al-20%Sc合金的金相組織如圖2所示，如圖2（a）所示，鑄態(tài)合金晶粒粗大，且晶粒尺寸不均，同時(shí)基體上均勻分布有方塊狀的第二相；合金在620℃下經(jīng)過(guò)熱鍛后（合金變形量約5%）晶粒尺寸變小，這是由于在熱鍛過(guò)程中，以及熱鍛結(jié)束后的冷卻過(guò)程中，合金發(fā)生了再結(jié)晶［14，15］；此外，熱鍛后基體上均勻分布的第二相略有長(zhǎng)大，且第二相的邊緣明顯變得更為圓潤(rùn)。

圖2 Al-20%Sc合金的金相組織

經(jīng)620℃熱鍛后的Al-20%Sc合金的掃描電子顯微圖像如圖3所示，圖中偏淺色物相為含Sc的第二相，顏色偏暗的為基體相Al。由圖3可見(jiàn)，該合金中含鈧第二相的分布較為均勻。

圖3 熱鍛后Al-20%Sc合金的掃描電子顯微圖

對(duì)區(qū)域內(nèi)不同物相進(jìn)行能譜分析，并對(duì)整個(gè)區(qū)域進(jìn)行面掃描成分分析，結(jié)果見(jiàn)表3。由能譜分析結(jié)果可知，圖中亮度較高的物相（如譜圖1、3）中Sc元素原子百分比為25%，Al元素原子百分比為75%，結(jié)合XRD衍射分析結(jié)果可判定該類相為Al3Sc相；而圖中深灰色部分（如譜圖2、4）則為基體相Al。同時(shí)，對(duì)該區(qū)域的面掃描結(jié)果也顯示，該區(qū)域中Sc元素的質(zhì)量百分含量為20.07%，與其名義質(zhì)量百分含量的20%相差很小。

表3 Al-20 %Sc合金的能譜分析結(jié)果 %

將經(jīng)過(guò)熱鍛后的Al-20%Sc合金進(jìn)行切割、表面機(jī)加工之后，制得Al-20%Sc合金靶材（主要金屬雜質(zhì)含量見(jiàn)表4）。靶材表面光亮，無(wú)氣孔、冷隔等缺陷；靶材純度達(dá)到99.99%（不包含O），氧含量為220μg/g，符合對(duì)于鋁鈧靶材氧含量的相應(yīng)指標(biāo)要求（＜500μg/g）。

表4 Al-20 %Sc合金靶材中的主要金屬雜質(zhì)含量 %

3 結(jié) 論

1.使用真空懸浮爐熔煉Al-20%Sc合金，采用澆注成型的方式進(jìn)行鑄錠成型，較通過(guò)熔體在水冷坩堝中自然冷卻成型制得的合金鑄錠，其成分均勻性更高，鑄錠不同測(cè)試點(diǎn)上Sc元素含量的偏差＜±0.1%，合金鑄錠上不同位置處硬度值偏差亦較低；故選用澆注成型的方式來(lái)制備Al-20%Sc合金鑄錠。

2.Al-20%Sc合金的物相組成為基體相Al和第二相Al3Sc，鑄態(tài)合金晶粒粗大，經(jīng)620℃熱鍛后的合金晶粒尺寸變小，棱角分明的方塊狀第二相邊緣部分變得更為圓潤(rùn)；熱鍛后的Al-20%Sc合金，Al3Sc相在基體中均勻分布。

3.對(duì)熱鍛后的Al-20%Sc合金進(jìn)行切割及加工之后制得Al-20%Sc合金靶材，靶材純度達(dá)到4N級(jí)（99.99%），氧含量220μg/g，且表面光亮，無(wú)氣孔、冷隔、裂紋等缺陷。