高钪含量铝钪合金的组织与性能

文 康，刘 华，2，黄美松，2，周 煌，樊玉川，2，刘 维，张闻扬

（1.湖南稀土金属材料研究院有限责任公司，湖南长沙 410126；2.稀土功能材料湖南省重点实验室，湖南长沙 410126）

钪是一种价格昂贵的稀土金属，其在燃料电池、陶瓷材料、化学催化等领域均有应用，目前钪的主要应用在于合金的改性；向铝、镁、铁等合金中添加微量的钪元素，可以有效地改善合金组织，提升力学性能。如向铝合金中加入微量钪，可以净化组织、细化晶粒，大幅度改善合金的强度、韧性、耐蚀性和焊接性能等［1～3］。

然而，迄今为止，关于铝钪二元合金的研究仅仅集中于低钪含量的铝钪合金制备，其作为熔炼含钪铝合金的重要原料，在航空航天、船舶以及一些特种工业领域均有着广泛的应用［4，5］。另一方面，随着薄膜与微纳制造技术的发展，电子器件向着微型化、高集成度、高频的方向发展，高钪含量（Sc含量＞10%）的铝钪合金在新型微机电系统以及射频滤波器等领域的作用也逐渐得到体现。研究发现，掺钪的氮化铝（ScAlN）薄膜其压电系数明显高于纯氮化铝（AlN）薄膜［6～9］。2009年，Akiyama等人［10］发现当掺钪浓度为43%时，所制得ScAlN薄膜的压电系数是纯AlN薄膜的5倍，这意味着ScAlN薄膜将成为声波谐振器中的重要基础材料。同时，在批量生产过程中，使用两块纯金属靶协同溅射会使溅射粒子较难以一致的方向沉积到基板上，而使用铝钪合金靶进行溅射制备的ScAlN薄膜，更有利于溅射过程的控制，提高ScAlN薄膜厚度、成分的均匀度，以确保声波谐振器的性能稳定。因此，作为重要的原材料，高钪含量的铝钪合金在新一代无线通信系统领域具有广阔的应用前景。

铝钪中间合金的制备方法通常包括对掺法、熔盐电解法、金属热还原法［11～13］。金属热还原法制备铝钪中间合金，由于辅料中氟化物、氯化物等的使用，会产生大量有毒气体，对设备也有一定的腐蚀，并且使用此法无法制备出高钪含量（＞10%）的铝钪中间合金；使用熔盐电解法制备铝钪中间合金，存在电流效率较低，能耗大等问题，且反应过程中同样会有氯气等有害气体生成。故在本研究中，将使用对掺法来制备含Sc量达到20%的铝钪二元合金。

1 材料与试验方法

1.1 原料与材料制备

使用纯度99.999%的高纯铝与99.99%的高纯钪为原料，将原料破碎成小块，按指定成分配比（含钪20%）称取相应质量的原料，混合均匀后置入水冷铜坩埚中，随后在氩气保护气氛下，于真空悬浮感应炉中加热熔炼；采用浇注以及将合金置于水冷铜坩埚中随炉冷却两种方式分别进行合金铸锭成型，制备Al-20%Sc二元合金。

1.2 分析与检测

使用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP JY38S）对铝钪合金进行成分分析；使用TH700维氏硬度计进行显微硬度测试（试验力9.8 N，保荷时间10 s）；采用日本理学RigkuⅣX射线衍射仪对合金进行物相定性分析，并使用Jade 6软件对结果进行分析；金相样品在经过粗磨、精磨、抛光后，再进行阳极覆膜处理，并在Leica DM4500P偏光显微镜下进行观察；使用JSM-5600LV扫描电子显微镜对铝钪合金的物相分布情况进行观察，并通过能谱分析仪对物相进行成分分析。

2 结果与讨论

2.1 Al-20%Sc合金的物相组成

Al-20%Sc合金铸锭的X射线衍图谱如图1所示，由图谱可见，该合金的物相组成包括基体相Al，以及合金相Al3Sc。

图1 Al-20%Sc合金铸锭的X射线衍射图谱

2.2 Al-20%Sc合金铸锭成型方式的选择

对于铝钪合金及靶材而言，其成分的均匀性是一项重要的指标，会直接影响靶材溅射镀膜成分的均匀性，从而对其使用性能产生影响；另一方面，在通过加工铝钪合金铸锭制备靶材的过程中，成分的不均匀性也会导致铸锭各部位出现变形不均、局部开裂等现象。在使用两种不同成型方式获得的铸锭上分别进行随机多点取样，分析铸锭不同位置上钪的含量，并对相应区域进行显微硬度测试，结果见表1、表2。

表1 两种铸锭方式制备的Al-20 %Sc合金上各测试点的钪含量 %

表2 两种铸锭方式制备的Al-20 %Sc合金上各测试点的显微硬度 HV

由表1可见，使用浇注成型的方式制备的Al-20%Sc合金铸锭，主要合金元素钪的分布基本均匀，不同位置上钪的含量差异较小，均在±0.1%范围之内。而当将合金熔体置于水冷铜坩埚中随炉冷却成型时，铸锭不同位置上钪的含量存在较大差异，最大偏差接近5%。这是由于Al-20%Sc合金中Al3Sc相数量较多，且Al3Sc相熔点（1 320℃）与基体相Al的熔点（677℃）相差较大；在铝钪合金熔体的凝固过程中，熔体底部以及边缘部分与水冷铜坩埚壁直接接触，其冷却速度明显高于熔体的中心部分，因而在凝固过程中Al3Sc相会发生明显偏析，导致铝钪合金铸锭中不同部位钪的成分分布不均匀。

由表2可知，通过浇注成型制得的铸锭上各测试点硬度值基本一致（测试点中硬度最高与最低值之间相差＜4 HV），而通过在水冷铜坩埚中随炉冷却制得的合金锭，不同位置显微硬度值偏差较大（测试点中硬度最高与最低值之间相差超过20 HV），且与成分偏差的规律相吻合。由表1、2可见，在Al-20%Sc合金中，钪含量相对较高的区域其硬度值也相应较高。

综上所述，当使用真空悬浮熔炼炉制备Al-20%Sc合金时，使用浇注成型的方式所制得的合金铸锭，成分分布更为均匀。对于靶材而言，成分的均匀性是确保镀膜质量的重要指标；另一方面，使用浇注成型的Al-20%Sc合金，不同位置的硬度值差异也更小，更加有利于对铸锭进行进一步加工，因此试验采用浇注成型制备的Al-20%Sc合金作为研究对象。

2.3 Al-20%Sc合金的微观组织

Al-20%Sc合金的金相组织如图2所示，如图2（a）所示，铸态合金晶粒粗大，且晶粒尺寸不均，同时基体上均匀分布有方块状的第二相；合金在620℃下经过热锻后（合金变形量约5%）晶粒尺寸变小，这是由于在热锻过程中，以及热锻结束后的冷却过程中，合金发生了再结晶［14，15］；此外，热锻后基体上均匀分布的第二相略有长大，且第二相的边缘明显变得更为圆润。

图2 Al-20%Sc合金的金相组织

经620℃热锻后的Al-20%Sc合金的扫描电子显微图像如图3所示，图中偏浅色物相为含Sc的第二相，颜色偏暗的为基体相Al。由图3可见，该合金中含钪第二相的分布较为均匀。

图3 热锻后Al-20%Sc合金的扫描电子显微图

对区域内不同物相进行能谱分析，并对整个区域进行面扫描成分分析，结果见表3。由能谱分析结果可知，图中亮度较高的物相（如谱图1、3）中Sc元素原子百分比为25%，Al元素原子百分比为75%，结合XRD衍射分析结果可判定该类相为Al3Sc相；而图中深灰色部分（如谱图2、4）则为基体相Al。同时，对该区域的面扫描结果也显示，该区域中Sc元素的质量百分含量为20.07%，与其名义质量百分含量的20%相差很小。

表3 Al-20 %Sc合金的能谱分析结果 %

将经过热锻后的Al-20%Sc合金进行切割、表面机加工之后，制得Al-20%Sc合金靶材（主要金属杂质含量见表4）。靶材表面光亮，无气孔、冷隔等缺陷；靶材纯度达到99.99%（不包含O），氧含量为220μg/g，符合对于铝钪靶材氧含量的相应指标要求（＜500μg/g）。

表4 Al-20 %Sc合金靶材中的主要金属杂质含量 %

3 结 论

1.使用真空悬浮炉熔炼Al-20%Sc合金，采用浇注成型的方式进行铸锭成型，较通过熔体在水冷坩埚中自然冷却成型制得的合金铸锭，其成分均匀性更高，铸锭不同测试点上Sc元素含量的偏差＜±0.1%，合金铸锭上不同位置处硬度值偏差亦较低；故选用浇注成型的方式来制备Al-20%Sc合金铸锭。

2.Al-20%Sc合金的物相组成为基体相Al和第二相Al3Sc，铸态合金晶粒粗大，经620℃热锻后的合金晶粒尺寸变小，棱角分明的方块状第二相边缘部分变得更为圆润；热锻后的Al-20%Sc合金，Al3Sc相在基体中均匀分布。

3.对热锻后的Al-20%Sc合金进行切割及加工之后制得Al-20%Sc合金靶材，靶材纯度达到4N级（99.99%），氧含量220μg/g，且表面光亮，无气孔、冷隔、裂纹等缺陷。