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，張聞揚

（1.湖南稀土金屬材料研究院有限責任公司，湖南長沙 410126；2.稀土功能材料湖南省重點實驗室，湖南長沙 410126）

鈧是一種價格昂貴的稀土金屬，其在燃料電池、陶瓷材料、化學催化等領域均有應用，目前鈧的主要應用在于合金的改性；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，提升力學性能。如向鋁合金中加入微量鈧，可以凈化組織、細化晶粒，大幅度改善合金的強度、韌性、耐蝕性和焊接性能等［1～3］。

然而，迄今為止，關于鋁鈧二元合金的研究僅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領域均有著廣泛的應用［4，5］。另一方面，隨著薄膜與微納制造技術的發展，電子器件向著微型化、高集成度、高頻的方向發展，高鈧含量（Sc含量＞10%）的鋁鈧合金在新型微機電系統以及射頻濾波器等領域的作用也逐漸得到體現。研究發現，摻鈧的氮化鋁（ScAlN）薄膜其壓電系數明顯高于純氮化鋁（AlN）薄膜［6～9］。2009年，Akiyama等人［10］發現當摻鈧濃度為43%時，所制得ScAlN薄膜的壓電系數是純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材料。同時，在批量生產過程中，使用兩塊純金屬靶協同濺射會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行濺射制備的ScAlN薄膜，更有利于濺射過程的控制，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線通信系統領域具有廣闊的應用前景。

鋁鈧中間合金的制備方法通常包括對摻法、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，會產生大量有毒氣體，對設備也有一定的腐蝕，并且使用此法無法制備出高鈧含量（＞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，能耗大等問題，且反應過程中同樣會有氯氣等有害氣體生成。故在本研究中，將使用對摻法來制備含Sc量達到20%的鋁鈧二元合金。

1 材料與試驗方法

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%）稱取相應質量的原料，混合均勻后置入水冷銅坩堝中，隨后在氬氣保護氣氛下，于真空懸浮感應爐中加熱熔煉；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行合金鑄錠成型，制備Al-20%Sc二元合金。

1.2 分析與檢測

使用電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP JY38S）對鋁鈧合金進行成分分析；使用TH700維氏硬度計進行顯微硬度測試（試驗力9.8 N，保荷時間10 s）；采用日本理學RigkuⅣX射線衍射儀對合金進行物相定性分析，并使用Jade 6軟件對結果進行分析；金相樣品在經過粗磨、精磨、拋光后，再進行陽極覆膜處理，并在Leica DM4500P偏光顯微鏡下進行觀察；使用JSM-5600LV掃描電子顯微鏡對鋁鈧合金的物相分布情況進行觀察，并通過能譜分析儀對物相進行成分分析。

2 結果與討論

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，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

對于鋁鈧合金及靶材而言，其成分的均勻性是一項重要的指標，會直接影響靶材濺射鍍膜成分的均勻性，從而對其使用性能產生影響；另一方面，在通過加工鋁鈧合金鑄錠制備靶材的過程中，成分的不均勻性也會導致鑄錠各部位出現變形不均、局部開裂等現象。在使用兩種不同成型方式獲得的鑄錠上分別進行隨機多點取樣，分析鑄錠不同位置上鈧的含量，并對相應區域進行顯微硬度測試，結果見表1、表2。

表1 兩種鑄錠方式制備的Al-20 %Sc合金上各測試點的鈧含量 %

表2 兩種鑄錠方式制備的Al-20 %Sc合金上各測試點的顯微硬度 HV

由表1可見，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。而當將合金熔體置于水冷銅坩堝中隨爐冷卻成型時，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相數量較多，且Al3Sc相熔點（1 320℃）與基體相Al的熔點（677℃）相差較大；在鋁鈧合金熔體的凝固過程中，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，因而在凝固過程中Al3Sc相會發生明顯偏析，導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，通過澆注成型制得的鑄錠上各測試點硬度值基本一致（測試點中硬度最高與最低值之間相差＜4 HV），而通過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（測試點中硬度最高與最低值之間相差超過20 HV），且與成分偏差的規律相吻合。由表1、2可見，在Al-20%Sc合金中，鈧含量相對較高的區域其硬度值也相應較高。

綜上所述，當使用真空懸浮熔煉爐制備Al-20%Sc合金時，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。對于靶材而言，成分的均勻性是確保鍍膜質量的重要指標；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，更加有利于對鑄錠進行進一步加工，因此試驗采用澆注成型制備的Al-20%Sc合金作為研究對象。

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，鑄態合金晶粒粗大，且晶粒尺寸不均，同時基體上均勻分布有方塊狀的第二相；合金在620℃下經過熱鍛后（合金變形量約5%）晶粒尺寸變小，這是由于在熱鍛過程中，以及熱鍛結束后的冷卻過程中，合金發生了再結晶［14，15］；此外，熱鍛后基體上均勻分布的第二相略有長大，且第二相的邊緣明顯變得更為圓潤。

圖2 Al-20%Sc合金的金相組織

經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，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

對區域內不同物相進行能譜分析，并對整個區域進行面掃描成分分析，結果見表3。由能譜分析結果可知，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%，結合XRD衍射分析結果可判定該類相為Al3Sc相；而圖中深灰色部分（如譜圖2、4）則為基體相Al。同時，對該區域的面掃描結果也顯示，該區域中Sc元素的質量百分含量為20.07%，與其名義質量百分含量的20%相差很小。

表3 Al-20 %Sc合金的能譜分析結果 %

將經過熱鍛后的Al-20%Sc合金進行切割、表面機加工之后，制得Al-20%Sc合金靶材（主要金屬雜質含量見表4）。靶材表面光亮，無氣孔、冷隔等缺陷；靶材純度達到99.99%（不包含O），氧含量為220μg/g，符合對于鋁鈧靶材氧含量的相應指標要求（＜500μg/g）。

表4 Al-20 %Sc合金靶材中的主要金屬雜質含量 %

3 結 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行鑄錠成型，較通過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，鑄錠不同測試點上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，鑄態合金晶粒粗大，經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；熱鍛后的Al-20%Sc合金，Al3Sc相在基體中均勻分布。

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