[发明专利]一种钾冰晶石熔盐中铝热还原制备铝钪中间合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料技术领域，特别涉及一种钾冰晶石熔盐中铝热还原制备铝钪中间合金的方法。

背景技术

Sc是迄今为止发现的最有效的合金化元素，微量Sc元素的添加能够显著提高合金的力学性能、高温性能、抗腐蚀性能、焊接性能和增强抗中子辐照损伤性能。在航天航空、核反应堆以及交通运输等方面具有广泛应用前景。由于金属钪的熔点高达1541℃，化学性质活泼，制备铝钪合金时，钪必须以中间合金的形式加入，因此Al-Sc中间合金成为制备铝钪合金的关键原材料。

目前，国内外Al-Sc中间合金的制备方法有对掺法、熔盐电解法和热还原法。

对掺法是在高温下将金属铝和钪直接熔合制备铝钪中间合金；在Al-Sc中间合金制备过程中，铝和钪在高温下熔化，经过充分搅拌形成均匀的铝钪合金，保温足够时间后，浇铸入预热的铁模或铜模中；采用该方法制取Al-Sc中间合金时，由于铝和钪的熔点相差较大，铝和钪不易均匀混合，形成的合金中偏析严重；此外，采用对掺法制备Al-Sc中间合金时，需要使用纯金属钪作为原料，制备过程中钪的烧损较大，制备的合金成本较高。

熔盐电解法通常以Sc₂O₃为原料，按电解质组成的不同大致分为三类，一类是含ScCl₃或ScF₃或 ScCl₃-ScF₃电解质体系，Sc₂O₃在电解质中的溶解度较高，采用这种电解质体系电解时，能够电解得到Sc含量为2~6%的Al-Sc中间合金，但ScCl₃和ScF₃的制备过程都以Sc₂O₃为原料，增加生产成本，此外ScCl₃易吸水潮解，无水ScCl₃的制备和保存存在困难，不适于生产应用；第二类是nNaF-AlF₃电解质体系，Sc₂O₃在nNaF-AlF₃电解质体系中的溶解度较低，另外，由于Al³⁺的析出电位比Sc³⁺正，电解过程中熔盐中的Al³⁺优先放电，采用该电解质体系中制备的Al-Sc中间合金含Sc量均小于1%，不能达到国标中要求的Al-Sc中间合金含Sc量2%的要求；第三类是KF-AlF₃电解质体系，在该熔盐体系中，采用电解的方法无法得到含Sc量为2%的铝钪中间合金，在该电解质体系中添加NaF之后，能够电解制备得到含Sc量为1~5%的铝钪中间合金。

热还原法按照实验条件的不同，可分为真空热还原法和非真空热还原法;真空热还原法以ScF₃为原料，实验需要额外的真空设备，实验过程较为复杂；而非真空热还原法以Al粉和Sc₂O₃粉为原料，混合均匀后直接热还原制备铝钪中间合金，采用方法制备的合金中Sc含量小于1%，此外合金中含有反应产物Al₂O₃等其他杂质。

发明内容

针对各种制备铝钪合金技术存在的上述不足，本发明提供一种钾冰晶石熔盐中铝热还原制备铝钪中间合金的方法，以廉价易得的Sc₂O₃为原料，采用钾冰晶石作为熔盐，工艺流程简单，污染较小，成本较低，适合大规模工业生产。

本发明的方法按照如下步骤进行：

1、将无水KF和无水AlF₃混合制成熔盐，其中KF与AlF₃的摩尔比为1.5~3.0；

2、将Sc₂O₃加入到熔盐中混合均匀，制成混合盐，Sc₂O₃的加入量为KF和AlF₃总质量的3~9%；

3、将混合盐升温至720~1020℃，保温30~60min使物料完全熔化，形成熔融混合盐；

4、向熔融混合盐中加入还原剂金属铝，在720~1020℃进行热还原，还原时间为0.5~3h，还原结束后分离出合金部分和电解质部分，合金部分冷凝后形成铝钪中间合金。

上述的步骤3中，将混合盐升温是放置在刚玉坩埚中升温。

上述的步骤4中，还原剂金属铝的用量按金属铝与Sc₂O₃的摩尔比为（16~40）:1。