钪对铝合金增材制造的影响

增材制造的未来在于零件的大规模生产。因此，创新必须着眼于如何降低零件成本和提高性能。与其他制造工艺不同，重量在增材制造中就是时间，而时间就是金钱；原材料成本在整个零件成本中处于次要地位。在本文中，Jonathan Meyer（APWORKS）和 John Barnes（Metal Powder Works/The Barnes Global Advisors）从技术和经济角度探讨了将钪基铝合金用于增材制造的案例。

图 1：在德国航空航天中心的资助下，由 APWORKS 制造的 Scalmalloy推力框架部件（图片顶部中央），作为 ArianeGroup GmbH 技术演示器的一部分，用于低温和静态加载测试

从冶金学角度讲，钪与铝在溶液中形成沉淀，但这并不重要。这是一种解决方案，因为铝合金的增材制造正面临着越来越高的技术和经济要求。增材制造的未来在于零件制造，因此创新将越来越多地集中在如何降低零件成本和提高性能上。铝合金增材制造机床是一个推动器：它可以实现新的设计。材料进入框架，以发挥设计的性能。当这些因素协调工作时，就能实现更轻、更低成本的解决方案。我们都热爱应用、设计和材料，以及由此产生的惊人交集。我们也喜欢钪，并相信它是增材制造生产铝基零件的一种解决方案。

我们曾撰文介绍过含钪铝合金（特别是Scalmalloy®）的优点。在那篇文章中，我们进行了一项贸易研究，考察了传统6061机加工铝制动钳和AlSi10Mg、Scalmalloy和Ti6Al4V增材制造铝制动钳的总体零件成本。研究结果表明，尽管Scalmalloy的粉末价格比AlSi10Mg高出三倍，但其生产的快速成型零件成本却低得多。

这似乎是一个意想不到的结果，但由于增材制造设备成本高、生产率低，增材制造部件的成本在很大程度上取决于制造时间。这就意味着，如果能通过改进材料性能来减轻零件重量，就能显著降低生产成本。在增材制造技术中，重量就是时间，时间就是金钱。原材料成本是传统制造中的主要投入成本，在整个零件成本中处于次要地位。这一结果充分体现了设计和材料特性，在增材制造经济学中的作用。

目前，铝基增材制造在整个金属增材制造市场中只占很小的比例，更不用说铝市场了。部分原因在于，与现有的铝应用市场相比，目前的铝基增材制造材料供应有限。目前由铸铝或锻铝制成的应用，其原材料价格在2-10美元/千克之间，易于加工，材料去除率高，刀具磨损相对较低。这种经济性限制了增材制造在铝材中的应用范围，使其仅限于那些无法进行机械加工的几何形状，以及压铸工艺无法实现的小批量应用。

使用高强度铝合金，可以在任何批量生产中以增材制造的方式制造出机械加工或铸造都难以实现的产品。这就是高机械性能与铸造型几何形状复杂性的结合。在重视这种能力组合的应用中，使用增材制造技术大批量生产铝制零件是可行的。

图 2：图中显示了铝基增材制造在大批量生产中的优势领域

图2所示凸显了这一利基市场。从图中可以看到，这可能是一个非常小的利基市场，但从经济规模来看，批量生产此类零件的市场规模要比铝制原型的市场规模大得多。这是因为这一细分市场的潜在零件产量要高得多，而且我们谈论的是批量生产，尽管是少量不同零件的批量生产，而这些零件的特性却是非常重要的。

在强度要求较高的应用中，添加制造的AlSi10Mg充其量只能替代铸铝，而高强度铝合金由于不能焊接，在制造时往往会出现热裂纹。具体来说，高强度7000系列铝合金的强度来自于添加的元素，其中一些元素会在制造过程中挥发。那么，铝冶金专家该怎么办呢？答案是使用强度较高且可焊接的合金。斯卡莫洛合金就是这样一种材料。但如果它能解决问题，为什么没有更多的人使用它呢？成本是第一反应，但我们已经考虑过为什么事实并非如此。人们提出的下一个问题是钪的稀缺性或供应风险。

钪的历史

1869年门捷列夫就曾预言过钪的存在。拉斯-弗雷德里克-尼尔森于1879年检测到钪，并生产出2克氧化钪。这种新元素被命名为钪，在拉丁语中是斯堪的纳维亚的意思。金属钪直到 1960年才生产出第一磅，纯度为99%。俄罗斯和美国分别于1969年和1971年获得专利，大部分研发工作最初都是在前苏联和美国进行。

钪在元素周期表中排第21位，位于钙和钛之间。它被归类为稀土元素，当然这并不意味着它是稀缺的。钪是地壳中含量第32高的元素，仅比我们在许多现代电池中使用的锂含量稍高。钪在全球范围内都相当丰富，包括加拿大、澳大利亚、菲律宾、挪威、马达加斯加，但分布往往非常稀疏；这就是生产钪所面临的挑战。你需要处理和提取其中的钪，因为钪的浓度很低。

是开采成本的经济性导致了大部分钪在中国生产，而不是因为中国有特殊的矿石资源。如果你想找到最丰富的钪资源进行提炼，应该去马达加斯加。马达加斯加等钪资源较丰富的国家目前没有提炼钪，因为加工其他采矿成本更便宜，可以满足目前相对较小的市场需求。

目前，Sc2O3的年产量仅为15000至20000千克，略微供不应求。适度的需求推动了对新产能的大量投资，力拓最近在加拿大新增了每年12000千克的产能，内布拉斯加州的Elk Creek 项目也即将启动、 内布拉斯加州的Elk Creek项目也即将启动，该项目有可能年产10万千克Sc2O3。

是什么推动了对钪的需求？主要是它在固体氧化物燃料电池中的应用，目前占全球需求的大部分，而且还在逐年增长。就需求量而言，钪在高强度铝合金中的应用排在第二位，部分原因是钪在每千克铝合金中所占的比例很小（不到1%），但却对铝合金的强度产生了重大影响。

为什么钪对铝合金有如此有益的影响？

某些铝合金的强度来自沉淀硬化，即在铝基体中长出小晶体。铝合金被认为是最早的纳米材料，因为沉淀物可以达到纳米级，并在整个铝基体中起到强化作用。在铝基体中起到加固作用。就钪而言，它形成了Al3Sc，这些沉淀物非常细小，因此在整个金属中分布更均匀，从而有助于焊接性。从技术上讲，这意味着析出物不会只停留在晶界上，这有利于提高强度和可焊性。

实际上，铝溶液中的钪含量不会超过1%，但这一微量添加却会产生很大影响。每添加0.1重量百分比的钪，就能产生50-100兆帕的效益。钪不仅能提高强度，还能提高耐腐蚀性、耐温性、刚度、钪是一种力量倍增器，对铝很有好处。当钪和锆结合在一起时，会产生更多益处。锆可以部分替代钪，从而进一步减少对钪的需求。

谁在使用它，为什么？

铝钪合金很早就用于MiG-21和MiG-29的航空部件。20世纪70年代，轻质自行车车架采用铝钪材料制成，在碳纤维出现之前，这种材料的性能达到了顶峰。然而，这些合金中的钪含量相对较少（0.1%-0.3%），因此强度不高。这是因为在熔体凝固过程中，钪在溶液中的含量是有限的，而这些合金已经达到了这个极限。

图 3：钪的年需求量计算样本

随着增材制造技术的出现，一切都发生了变化。主要由于熔池较小，这些工艺的冷却速度非常高，因此可以在溶液中保持更高的钪比例，从而获得更高的强度。Scalmalloy是第一种利用这种效应的合金，它实现了强度和延展性的完美结合，即使是强度最高的锻造铝合金也占优势。将这种材料与增材制造的设计自由度和小批量经济性相结合，首先在赛车运动中得到了应用，最初是一级方程式车队，后来是许多不同的系列赛事，在广泛的赛车运动应用中充分利用了这些特性。

Scalmalloy还被用于制造卫星的轻质结构和飞机飞行试验的系统部件，但它还没有达到在航空航天领域大批量生产的程度，而我们都知道，航空航天在传统上是一个保守的应用领域。但我们相信，这将是下一个目标。就材料特性而言，能够替代许多其他合金是航空航天应用的一大优势并能最大限度地降低认证成本，从而涵盖增材制造的广泛应用。

图 4：铸造铝合金 A356 和锻造铝合金 7075 的典型强度值

我们需要多少钪才能真正发挥作用？

如前所述，所需的钪比例非常小，按重量计不到1%。这意味着制造铝钪合金所需的质量相对较小。需要多少钪才能给工业带来巨大变化？在图3中，我们假设飞机的生产率很高，每年可生产约700架飞机。现在，让我们假设每架飞机要加工100千克的Scalmalloy部件：每年只需要大约100吨Scalmalloy就能完成这一任务，这意味着每年只需要大约1000千克的钪，这只是市场的一小部分。这一点点钪就能产生巨大的影响，其中最重要的是可以减轻重量，提高飞机效率，减少航空排放。我们的观点是，钪供应稀缺并不是一个合理的担忧。

它是可持续的吗？

据国际铝业协会称，铝是地球上回收利用率最高的材料之一。这是一个非常大胆的说法，但他们指出全球回收利用率为75%。含钪铝合金更进一步，因为钪的少量添加就能显著改善材料性能，从而减少其他材料的总消耗量。此外，含钪铝合金的可回收性并不比其他铝合金差，而且可以再次熔化。通过可持续发展的新技术，如金属粉末厂开发的DirectPowder工艺，可将AlSc棒直接转化为AlSc AM大小的粉末，转化效率约为95%，其二氧化碳排放量远远低于传统的雾化工艺。

讨论

钪对铝合金的强度、温度、腐蚀、刚度和可焊性都有好处，这已不是什么秘密。少量的钪就能发挥很大的作用。业界正在研究解决方案，以解决目前在增材制造中使用铸造和锻造铝合金所面临的挑战，但有两个问题阻碍了市场的扩大：

钪的预期供应链风险

我们已经证明，供应足以满足日益增长的需求。从尾矿中回收钪的新方法足以满足市场需求。满足市场需求。通过尾矿进行生产为加拿大、美国、澳大利亚和菲律宾等国开辟了全新的供应链，从而进一步将供应链风险降至最低。

部件重新设计

当快速成型材料出现负边际时，需要对零件进行重新设计。当材料达到或超过强度/刚度要求时，它更像是一种“投放式”替代品，只需要重新设计来优化--这意味着只需投放新材料，我们就可以“开始工作”。

其他考虑因素

现实情况是，含钪铝合金仍处于起步阶段，自20世纪70年代以来进行的大部分研发工作从未实现商业化。即使是广为人知的增材制造合金Scalmalloy，也只是冰山一角。APWORKS目前正在开发多种材料变体，包括Scalmalloy HX（用于高温应用）、Scalmalloy CX（用于低温应用）和 Scalmalloy EX（用于电气和热应用）。世界各地的许多大学都在继续探索利用钪制造合金的可能性。随着更多聪明才智的加入，这些合金的潜力只会越来越大。

单靠AlSi10Mg并不能推动增材制造的大幅增长。对于低强度应用来说，它是一种非常有用的合金，但它并不能实现真正颠覆性的高强度应用，也不能取代所有传统的铸造铝合金。图 4显示了AlSi10Mg与高强度增材制造铝合金的比较。粉末的价格并不能推动增材制造的批量生产，因为它无法弥补其他90%的加工成本。增材制造要想实现批量生产，就必须通过提高性能来增加价值，而仅仅模仿传统材料的“普通”材料是无法做到这一点的。

目前正在开发更多的增材制造合金，其中的佼佼者将实现推动增材制造市场增长的应用。其中一些合金将含有钪，其他合金则将探索增材制造加工所带来的其他机遇。材料将是实现批量应用的关键因素。

最后，金属雾化也带来了挑战，主要是经济方面的挑战。传统增材制造所需的尺寸的粉末产量可低至40%。这种低产量进一步增加了本就昂贵的铝合金粉末的成本。但希望还是有的，因为该行业已经在研究如何捕捉没有市场的超大粉末，并通过固态手段将其转化为粉末，从而通过联合循环提高效率。这种新的效率还能解决钪的获取问题。当总产量从40%提高到80%时，成本就会降低。

结论

要求是技术和经济因素的结合。鉴于增材制造技术中结构性能、设计、材料和制造之间的紧密关系，正确的材料必须与正确的设计相匹配，并尽可能缩短增材制造机器的使用时间。这一点 在铝方面更是如此，因为粉末比轧机产品更贵，而增材制造比机械加工更慢。

现在是利用增材制造和钪拥抱未来的时候了。增材制造可以使用“优质”材料，促进轻型设计。使用更少的原材料和实现更轻便的设计本质上都是可持续的。行业需要一种高强度铝合金，以提高使用增材制造和铝的商业价值。

我们之前已经证明，我们的快速成型制动钳使用Al-Sc比AlSi10Mg更轻、更便宜。我们已经证明，稀缺性或供应链问题正日益得到解决，而且在任何情况下，只需要很少的钪就能开始产生影响。让我们以Nilson团队为荣，让钪成为主流。

作者：Jonathan Meyer（APWORKS GmbH CEO）、John E. Barnes（Metal Powder Works & The Barnes Global Advisors）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。