Этап 5.

Сплавы Al-Sc, обладающие сочетанием уникальных свойств (повышенной прочностью, коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью, возможностью деформироваться в режиме сверхпластичности, высокими механическими свойствами), используются в настоящее время только в аэрокосмической промышленности. Увеличение производства Al-Sc сплавов и снижение их стоимости за счет инновационных технологий позволит расширить область применения Al-Sc сплавов в авиационной промышленности и автомобилестроении. Недостатками используемого в настоящее время металлотермического способа задания и скандия в алюминий являются: высокие энергозатраты; повышенная коррозионная активность сред по отношению к конструкционным материалам при высокой температуре и загрязнение сплава продуктами коррозии; высокая стоимость производства. Преимущества разрабатываемого способа, в том числе снижение энергопотребления и уменьшение материальных затрат, будут достигнуты за счёт снижения температуры процесса; выбора электролита (солевого расплава) с высокой электропроводностью; снижения перенапряжения электродных процессов; организации одностадийного непрерывного процесса; регенерации электролита in situ, повышения извлечения скандия из их соединений.

Методами термического анализа, импедансометрией проведены экспериментальные исследования фазовых равновесий в расплавленных солях и их электропроводности с добавкой Sc2O3 и Al2O3 для определения температуры процесса получения базового и лигатурного сплавов Al-Sc. Предложены составы расплавленных солей NaF-AlF3 с КО=2.3, КF-AlF3 с КО=1.3-1.5 и КF-NaF-AlF3 с КО=1.3-1.5, в которых возможно проводить процесс при 950, 800-850 и 750 °С, соответственно.

 Проведены экспериментальные исследования основных закономерностей процесса совместного восстановления Sc и Al из их оксидов для определения режима электролиза при получении базового Al-Sc(0,2 – 0,4%) и лигатурного Al-Sc(1,5 – 2,0%)  сплавов при различных катодной плотности тока, перемешивания расплава, длительности электролиза и бестоковой выдержки алюминия в расплаве. Наиболее важными факторами, определяющими полноту протекания алюмотермической реакции и содержание скандия в алюминии, являются: скорость отвода скандия от фронта реакции в матрицу алюминия, зависящий от перегрева и перемешивания; скорость отвода оксида Al2O3 от фронта реакции в объём расплава, зависящий от растворимости оксидов Al2O3 и Sc2O3, а также скорости растворения продукта алюмотермической реакции – Al2O3. Образующийся Al2O3 удаляют из расплава способом электролитического разложения. В лабораторных условиях проведена серия длительных электролизных испытаний по получению лигатурных сплавов  Al-Sc (1.5-2.0 мас. %) с периодической подгрузкой Sc2O3, в результате которых были подобраны параметры электролиза, обеспечивающие непрерывное получение лигатуры Al-Sc с фиксированным содержанием скандия (2.0 ± 0.1 мас. %).

Разработаны основы новой технологии получения базового Al-Sc(0,2 – 0,4%) и лигатурного Al-Sc(1,5 – 2,0%), которые были заложены в ЛТР. Наплавление электролита, бестоковое и электролитическое восстановление оксида скандия и оксида алюминия, получение сплава Al-Sc производится в установке электролиза.  Процесс осуществляют непрерывно, путем периодического слива готового сплава и загрузкой металлического алюминия и оксида скандия. Отобранный объем базового сплава Al-Sc накапливается в дополнительной индукционной печи. Разливка готового базового сплава Al-Sc (0,2 – 0,4 %) осуществляется в стальные изложницы-кристаллизаторы

Разработана ЭКД на экспериментальную установку для получения базового сплава Al-Sc в составе узла подачи исходного сырья Sc2O3, электролизёра и кристаллизатора. Изготовлен электролизёр; узел подачи исходного сырья Sc2O3, состоящий из бункера, шнекового подающего устройства и дозатора; и узел кристаллизации, который представляет собой вертикальную разъёмную  изложницу с водяным охлаждением.

Изготовлена экспериментальная установка для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% и проведен ее монтаж. В соответствии с разработанными Программой и методиками испытаний экспериментальной установки для получения базового сплава Al-Sc с содержанием Sc от 0.2 до 0.4 мас.% проведены её испытания. Полученный в результате испытаний экспериментальной установки базовый сплав Al-Sc(0,2-0,4%) в виде слитков массой 50 кг содержал требуемое количество равномерно распределенного Sc и по химическому составу (по примесям) превосходит требования ТУ 11-01-01-2001.

В лабораторных электролизёрах на силу тока 20 А получен лигатурный сплав Al-Sc с содержанием Sc в Al от 1,5 до 2,0 мас.% при температуре 800-820 °С с равномерным распределением Sc и малой долей сформированных интерметаллидных соединений.

В отличие от известных способов получения лигатурных сплавов Al-Sc(2,0%) методами прямого сплавления или алюмотермическим восстановлением скандий-содержащих соединений под солевым флюсом новая технология позволяет непрерывно получать готовую продукцию с использованием относительно дешёвого оксида Sc2O3 без остановки процесса и замены расплава. За счет этих преимуществ новая технология представляется упрощенной с точки зрения стадийности и энергоэффективной в сравнении с существующими способами получения лигатурных сплавов Al-Sc. Помимо снижения себестоимости, разрабатываемая технология позволяет усовершенствовать структуру лигатурных сплавов Al-Sc, что еще больше повысит    конкурентоспособность готовой продукции среди продукции других предприятий.

 Экономно-легированные базовые сплавы Al-Sc(0,2-0,4%)  не производятся в мире, однако они могли бы быть основой для получения коммерческих сплавов алюминия, поскольку имеют равномерно распределенный Sc по матрице Al и минимальное количество трудно-растворимых интерметаллидов.