铝合金中添加适量的钪（Sc）元素可以显著改善金属材料的各向性能。金属钪的高成本、高难度的烧结工艺限制了铝钪合金和轻质Al-Sc合金的发展。Al-Sc合金强度高、塑韧性好、耐蚀性能和可焊接性能等优异，Al-Sc合金正在商业化生产，是目前用于制造新一代军工、航天航空、舰船等轻质昂贵结构产品材料。然而，与Sc冶炼工艺相关的高成本需要一种替代的廉价工艺，以扩大Sc作为节能结构材料的广泛应用。
近日来自日本的东京工业大学、冲绳科学技术大学院大学及东北大学联合一项最新研究表明，利用微波辐射处理生产Al-Sc合金，以更低的能量输入和更少的温室气体排放而获得廉价生产工艺，大大降低了其生产成本。相关论文以题为“Microwave Irradiation Process for Al–Sc Alloy Production”于2月14日发表在Scientific Reports。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41598-020-59664-2
在微波辐射下进行的化学反应通常具有高速率和高选择性，与传统加热相比，可以使用更小的反应器和更节能的工艺过程。因此，以微波化学加工与合成作为一种提高工艺效率、节能降耗的手段，正朝着“绿色化学”和“绿色工程”的方向发展引起了人们的广泛关注。一些研究人员还建议使用微波加热来冶炼金属以减少二氧化碳排放。
该项研究在先前证明了微波辐射在金属冶炼中的可行性，其中以高收率（71％）和较低的能耗（传统的皮江法（the conventional Pidgeonprocess）需要的三分之一）获得了1.7g镁金属。此外，还证明了基于微波的碳热还原。在本项研究中，研究了一种新的制备Al-Sc合金的微波辐射工艺，与传统的方法相比，该工艺具有更低的能量输入和更少的温室气体排放。以微波辐射为热源进行以下化学反应：
Sc2O3(s)+Mg(g)+Al(s)Al-Sc alloy metal +MgO
具体的工艺实验结果如下图所示：
图1. 铝-钪生产过程的实验装置示意图
图2.(a)化学反应在不同反应温度下残留物和产物混合物的XRD图谱；(b)还原反应后的型煤图
图3. (a)反应产物的扫描电镜图像、(b)Al、(c)Sc、(d)Mg和(e)O的强度分布
图4.光学光谱测量结果
总的来说，这项工作展示了一种利用微波辐射生产Al-Sc合金的新工艺，由于该项研究采用的温度(660℃)是迄今报道的最低的，因此有望在工业生产降低能耗并简化加工设备。并且该项研究者认为，在较低的反应温度下，通过优化反应条件，未反应的氧化钪可以充分完全反应，而且作为副产物的氧化镁很容易用盐酸脱除。该微波辐射处理方法有望在其他合金等中得到运用，这项技术如果得以推广，将有望替代传统工艺，以超低能耗、环保、廉价的生产工艺大大规模生产。
来源：材料科学与工程公众号，作者：冯冯。
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