[发明专利]一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及稀土金属材料制备技术领域，具体涉及一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法。

背景技术

迄今为止，钪是人类所发现对铝合金最有效的合金元素，微量钪加入到铝合金中能够显著细化晶粒，提高再结晶温度抑制再结晶过程，整体提高其强度、塑性、高温、耐腐蚀及焊接性能。含钪铝合金具有高比强度、比刚度、塑韧性及优异的焊接性能、低温性能和较低的各向异性，是新一代航天、航空轻质合金结构材料。由于金属钪的熔点高达1541℃，化学性质活泼，制备含钪铝合金时，钪元素必须以中间合金的形式加入，因此铝钪中间合金成为制取含钪铝合金材料的关键原料。

目前国内外铝钪中间合金的制备方法主要有对掺法，熔盐电解法与金属热还原法。在对掺法工艺中，由于铝和钪两种物质的熔点相差较大，难以混合均匀，铝的烧损严重，且该法所生成的金属间化合物Al₃Sc颗粒较大，分布不均匀，影响铝钪中间合金的使用性能。熔盐电解法主要采用“氟化物—Sc₂O₃”体系，在电解过程中Fe³⁺、Re³⁺等其它金属离子也会在阴极析出，降低中间合金纯度，且电流效率也偏低，总之存在诸多问题。

金属热还原法是目前国内外制备铝钪中间合金的主流方法，主要有“氟化钪真空铝热还原法”、“氧化钪熔盐铝热还原法”、“无水氯化钪镁热还原法”等方法。“氟化钪真空热还原法”是将氟化钪(ScF₃)与铝粉混合均匀，在400～500MPa压力下压实后装入石墨坩埚中，放入真空炉内，抽真空到1.33×10^-2Pa，加热至900～920℃保温30～60分钟制备铝钪中间合金，钪的回收率约80％。此法对原料及设备的要求极高。“氧化钪熔盐铝热还原法”是在冰晶石体系中添加Sc₂O₃，在900℃～1100℃下施以搅拌制备铝钪中间合金的方法。由于Sc₂O₃化学性质稳定，故该法的转化率不高，钪的回收率也较低。“无水氯化钪镁热还原法”是在ScCl₃—NaCl—KCl体系中，在800℃～900℃温度下，利用镁热还原来制备铝钪中间。由于无水ScCl₃吸水性较强，其制备工艺与保存方法都有严格的要求，对装备技术水平要求较高。在金属热还原法中，普遍都采用某种熔盐体系，如前面所提到的冰晶石、NaCl—KCl混合熔盐，及其他种类混合熔盐。这些熔盐体系起到溶解原料(Sc₂O₃或其它钪化合物)，降低反应温度，将“固——液”界面反应改为“液——液”界面反应，提高反应速率以及溶解反应产物的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述制备铝钪中间合金方法的缺点，提供一种简单可靠，设备要求低，钪回收率高，节能环保，成本低廉，能稳定制备出钪含量2％～5％左右，性能优异，且可进行大规模推广的混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种混合熔盐体系中铝热还原制备铝钪中间合金的方法，该制备方法以氟化钪为原料，以NaF、NaCl与KCl混合盐做为熔盐体系，以熔融铝液为还原剂与捕捉剂，该制备方法的具体步骤如下：

a.按质量比为NaF:NaCl:KCl＝(1～5)：(6～8)：(8～10)的比例混合均匀，制成混合熔盐；

b.将纯铝锭装入石墨坩埚，石墨坩埚置于配有不锈钢搅拌桨的电阻炉或中频感应炉中加热到700℃，使纯铝锭熔化；

c.待纯铝锭熔化后，按质量比为混合熔盐：纯铝锭＝(1～2)：2的比例将混合熔盐放入石墨坩埚，升温至750℃～850℃；

d.待混合盐熔化后，按质量比为氟化钪：混合熔盐：纯铝锭＝(1～3):(10～20)：20的比例将氟化钪放入石墨坩埚；

e.待物料溶化后开始计时，在750℃～850℃温度区间下保温60～120分钟，保温期间每隔10至20分钟对物料熔体施以搅拌，每次搅拌1～5分钟，浇铸前最后一次搅拌时间适当延长；

f.保温结束后将铝合金液倒入钢模中进行浇铸；

g.凝固冷却后即可得到铝钪中间合金。