本发明涉及合金制造技术领域，具体而言，涉及一种电解制备铝钪合金的方法。
背景技术：
铝合金中添加微量钪可以显著提高铝合金的强度、塑韧性、耐高温性能、耐腐蚀性能、焊接性能和抗中子辐照损伤性能等，可广泛应用于航空、航天、核反应堆、船舶、高速列车、汽车等领域。
目前制备铝钪合金有三种方法，即对掺法、热还原法和熔盐电解法。其中对掺法方法简单、合金钪含量范围宽，但是以金属钪做原料成本较高，且因金属钪的熔点与铝的熔点差别较大，钪在铝中熔合均匀化难以实现、钪分布不均匀。热还原法工艺简单、钪含量范围宽，但是间断操作，时空产率低，废渣量大。熔盐电解法具有可连续生产、时空产率高，过程易于控制、便于引入自动化，元素分布均匀、合金品质高，废渣量小等特点，相较于其他两种方法更适于工业化应用。
目前熔盐电解法所采用的熔盐体系一般分为氯化物、氟化物及氟氯化物三大类。氯化物体系以氯化钪为原料，特点是电解温度低、电解质易溶于水方便回收利用；但是无水氯化钪极易吸水导致制备工艺复杂及存储困难、氯化钪易挥发等。氟化物、氟氯化物电解质体系，比如中国专利cn1410599公开了一种电解生产铝钪合金的方法，以钪和铝氧化物为原料，nnaf·alf3(n在2～3之间)为熔盐电解质体系，可制备出的钪含量为0.1～3％的铝钪合金。然而，该法由于氧化钪溶解度小，导致电解生产过程中氧化物容易在槽底生成沉淀，进而引起原料利用率低、电流效率差的缺陷。原料利用率指的是合金中钪的总量与所加入氧化钪中钪的总量的比值。电流效率指的是电解过程中合金中钪的析出量与理论钪析出量的比值，按以下公式计算：电流效率＝合金中钪析出量/理论钪析出量。原料利用率和电流效率变差将直接导致生产效率、生产成本的增加。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于提供一种电解制备铝钪合金的方法，以解决现有技术中熔盐电解制备铝钪合金时存在的电解温度高、氧化钪溶解度小的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种电解制备铝钪合金的方法，其是在熔盐电解质的存在下，对sc2o3和al2o3进行熔盐电解，得到铝钪合金；其中，熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。
进一步地，按重量百分比计，熔盐电解质包括1～20％的scf3、1～40％的mcl、40～98％的nnaf·alf3。
进一步地，按重量百分比计，熔盐电解质包括5～20％的scf3、25～35％的mcl、45～70％的nnaf·alf3。
进一步地，sc2o3和al2o3的重量比为30～95:5～70。
进一步地，m为li、na、k、mg及ca中的一种或多种。
进一步地，熔盐电解的过程中，电解温度为700～950℃。
进一步地，熔盐电解的过程中采用直流电解，阴极电流密度0.5～5a/cm2。
进一步地，熔盐电解过程中采用液态铝阴极和石墨阳极。
进一步地，熔盐电解过程中采用的电解槽为石墨槽。
进一步地，石墨槽为圆形槽、方形槽或长方形槽，石墨阳极为石墨棒或石墨板。
进一步地，铝钪合金中钪的重量百分比为0.1～5.0％，铝和钪的总重量百分比≥99％。
应用本发明的技术方案，提供了一种电解制备铝钪合金的方法，其是在熔盐电解质的存在下，对sc2o3和al2o3进行熔盐电解，得到铝钪合金；其中，熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。
本发明提供的上述制备方法，采用了熔盐电解的方法对sc2o3和al2o3进行电解以制备铝钪合金。其采用的熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。该熔盐电解质中，nnaf·alf3是主体成分，scf3的加入有利于增加sc2o3、al2o3的溶解度，从而有利于防止氧化物原料在电解过程中形成沉淀。mcl的加入有利于降低电解温度，改善铝液与熔盐界面润湿性，促进sc在界面上的传输。因此，利用上述熔盐电解质能够有效提高熔盐电解制备铝钪合金的电流效率和原料利用率。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
正如背景技术部分所描述的，现有技术中采用熔盐电解制备铝钪合金时存在电解温度高、氧化钪溶解度小的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种电解制备铝钪合金的方法，其是在熔盐电解质的存在下，对sc2o3和al2o3进行熔盐电解，得到铝钪合金；其中，熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。
本发明提供的上述制备方法，采用了熔盐电解的方法对sc2o3和al2o3进行电解以制备铝钪合金。其采用的熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。该熔盐电解质中，nnaf·alf3是主体成分，scf3的加入有利于增加sc2o3、al2o3的溶解度，从而有利于防止氧化物原料在电解过程中形成沉淀。mcl的加入有利于降低电解温度，改善铝液与熔盐界面润湿性，促进sc在界面上的传输。因此，利用上述熔盐电解质能够有效提高熔盐电解制备铝钪合金的电流效率和原料利用率。另外，利用本发明的制备方法，铝钪合金的纯度也较高，铝和钪的总重量百分比可以达到99％及以上。
上述制备方法中，只要在熔盐电解质中加入scf3和mcl，就可以改善sc2o3、al2o3的溶解度，同时保持较低电解温度。在一种优选的实施方式中，按重量百分比计，熔盐电解质包括1～20％的scf3、1～40％的mcl、40～98％的nnaf·alf3。将三者的用量关系控制在上述范围内，能够在较低的scf3含量下(成本较低)使熔盐电解过程中sc2o3、al2o3具有更好的的溶解度，同时电解温度更低，同时，电解的稳定性更高。更优选地，按重量百分比计，熔盐电解质包括5～20％的scf3、25～35％的mcl、45～70％的nnaf·alf3。
实际操作过程中，优选将sc2o3和al2o3的混合物少量多次加入至电解体系中，sc2o3和al2o3之间的用量也可以根据目标含量进行调整。在一种优选的实施方式中，sc2o3和al2o3的重量比为30～95:5～70。将二者的比例设置在上述范围内，能够制得钪重量含量为0.1～5.0％的铝钪合金。
上述mcl中，m可以碱金属元素和/或碱土金属元素。在一种优选的实施方式中，m为li、na、k、mg及ca中的一种或多种。这几种元素作为m，电解稳定性更高。
因采用上述熔盐电解质，本发明熔盐电解制备铝钪合金的过程本身具有较低的电解温度，为了进一步提高电解稳定性和电流效率，在一种优选的实施方式中，熔盐电解的过程中，电解温度为700～950℃。
电解过程中的具体操作工艺可以进行调整，为了进一步提高电解的稳定性，在一种优选的实施方式中，熔盐电解的过程中采用直流电解，阴极电流密度0.5～5a/cm2。
上述熔盐电解过程中，熔盐电解过程中采用的阴极、阳极、电解槽可以是铝电解中常用的类型。在一种优选的实施方式中，上述熔盐电解过程中采用液态铝阴极和石墨阳极。更优选地，熔盐电解过程中采用的电解槽为石墨槽。石墨槽的形状可以任选，比如圆形槽、方形槽或长方形槽。石墨阳极可以为石墨棒或石墨板，石墨板可以是长方形或弧形板。
优选地，铝钪合金中钪的重量百分比为0.1～5.0％，铝和钪的总重量百分比≥99％。
以下通过实施例进一步说明本发明的有益效果：
实施例1
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf315％，nacl和kcl(摩尔比为1:1)共25％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.3；原料sc2o3与al2o3的重量比为90:10；
电解参数如下：电解温度为850℃，电流密度1.5a/cm2，电极距离为4cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为2.0％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为86％，原料利用率为92％。
实施例2
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf315％，nacl10％，mgcl220％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；原料sc2o3与al2o3的重量比为90:10；
电解参数如下：电解温度为800℃，电流密度1.0a/cm2，电极距离为5cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为88％，原料利用率为93％。
实施例3
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf320％，nacl15％，cacl210％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.1；原料sc2o3与al2o3的重量比为70:30；
电解参数如下：电解温度为830℃，电流密度1.5a/cm2，电极距离为3cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为2.3％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为90％，原料利用率为95％。
实施例4
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf35％，mgcl215％，cacl210％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为3.0；原料sc2o3与al2o3的重量比为40:60；
电解参数如下：电解温度为870℃，电流密度2.0a/cm2，电极距离为6cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为0.8％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为81％，原料利用率为89％。
实施例5
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf310％，kcl35％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.1；原料sc2o3与al2o3的重量比为70:30；
电解参数如下：电解温度为810℃，电流密度0.5a/cm2，电极距离为4cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为84％，原料利用率为90％。
实施例6
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf35％，nacl5％，mgcl220％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；
电解温度为840℃，在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为82％，原料利用率为90％。
实施例7
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf320％，nacl15％，mgcl220％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；
电解温度为750℃，在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为91％，原料利用率为94％。
实施例8
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf31％，nacl0.5％，mgcl20.5％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；
电解温度为950℃在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为0.8％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为76％，原料利用率为88％。
实施例9
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf320％，nacl20％，mgcl220％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；
电解温度为720℃在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为88％，原料利用率为89％。
实施例10
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括scf30.5％，nacl0.5％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；
电解温度为950℃在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为0.8％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为73％，原料利用率为86％。
实施例11
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：sc2o3和al2o3的重量比为50:50。
电解温度为800℃在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为85％，原料利用率为91％。
实施例12
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：sc2o3和al2o3的重量比为40:60。
电解温度为800℃，在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为83％，原料利用率为92％。
实施例13
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：电解温度为760℃，电流密度5a/cm2。
在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为85％，原料利用率为91％。
实施例14
熔盐电解工艺与实施例2相同，不同之处在于：电解温度为950℃，电流密度0.5a/cm2。
在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.5％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为90％，原料利用率为88％。
对比例1
采用熔盐电解对sc2o3与al2o3进行电解制备铝钪合金，具体工艺如下：
按重量百分比计，熔盐电解质体系包括nacl10％，mgcl220％，余量为冰晶石nnaf·alf3，冰晶石分子比n为2.5；原料sc2o3与al2o3的重量比为90:10；
电解参数如下：电解温度为830℃，电流密度1.0a/cm2，电极距离为5cm。采用液态铝阴极、石墨棒阳极、电解槽为方形石墨槽。在液态铝阴极可获得金属钪重量百分含量为1.0％、铝和钪的总重量百分含量大于等于99％的铝钪合金产品，电解过程运行平稳，电流效率为70％，原料利用率为85％。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：
本发明提供的上述制备方法，采用了熔盐电解的方法对sc2o3和al2o3进行电解以制备铝钪合金。其采用的熔盐电解质包括nnaf·alf3、scf3及mcl，n为2～3，m为碱金属元素和/或碱土金属元素。该熔盐电解质中，nnaf·alf3是主体成分，scf3的加入有利于增加sc2o3、al2o3的溶解度，mcl的加入有利于降低电解温度，改善铝液与熔盐界面润湿性，促进sc在界面上的传输。因此，利用上述熔盐电解质能够有效提高熔盐电解制备铝钪合金的电流效率和原料利用率。另外，利用本发明的制备方法，铝钪合金的纯度也较高，铝和钪的总重量百分比可以达到99％及以上。
更为特别地，由实施例2、6至10可知，将本发明的熔盐电解质的成分比例控制在优选范围内，能够在保持较低的电解温度的同时，有利于进一步提高电流效率和原料利用率。由实施例2、11至14可知，将sc2o3和al2o3的重量比、电解温度、电流密度控制在优选范围内，也有利于进一步提高熔盐电解过程中的电流效率和原料利用率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。