مقدمه
-----

اسکاندیم به‌طور جزئی در حالت جامد آلومینیوم حل می‌شود و محلول جامد طی فرایند پیر سختی در دمای بالا، فاز AL3Sc را رسوب می‌دهد. این فاز می‌تواند به یک توزیع مناسب از ذرات کروی دست یابد که موجب افزایش قابل توجه استحکام آلیاژ آلومینیوم می‌گردد.

اثر استحکام بخشی اسکاندیوم برای نخستین بار در دههٔ ۶۰ میلادی کشف شد که با مطالعهٔ زیاد و کار بر روی آلیاژهای دوتایی Al-Sc و سه تایی Al-Mg-Sc به دست آمد. اثرات اصلی Sc در آلیاژهای آلومینیوم، افزایش استحکام، افزایش مقاومت به ترک گرم، مقاومت در برابر تبلور مجدد و کاهش اندازهٔ دانه هستند.

این اثر استحکام بخشی فوق ویژه با افزودن مقدار کمی اسکاندیوم، برای اولین بار در یک مقاله توسط Willey در سال ۱۹۷۱ گزارش شد. افزایش قابل توجه در خواص ماده در محدودهٔ ۰٫۱ تا ۱ درصد وزنی اسکاندیوم یافت شد. مقاله شامل اطلاعاتی در مورد خواص بازهٔ وسیعی از آلیاژهای متأثر از عملیات‌های مکانیکی و حرارتی مختلف می‌شد و به‌طور خاص، اثر سودمند تغییر شکل پیش از پیرسختی و فایدهٔ دماهای بالای پیرسختی (به‌طور مثال 563K) را مورد بررسی قرار می‌داد. برای مثال یک آلیاژ Al-5.25%Mg که حاوی ۰٫۳٪ اسکاندیم باشد، استحکام تسلیمی برابر با ۳۶۵ MPa دارد؛ یعنی بیشتر از دو برابر همین آلیاژ بدون اسکاندیم.

تقریباً یک رابطهٔ خطی بین تنش تسلیم و مقدار Sc وجود دارد. بر اساس داده‌ها به‌طور میانگین با افزودن هر ۰٫۱٪ اسکاندیم، افزایشی به میزان 50MPa در تنش تسلیم آلیاژ رخ میدهد.

دسته‌بندی آلیاژهای Al-Sc
------------------------

### سیستم دوتایی Al-Sc (سری ×××۱)

با توجه به دیاگرام فازی دوتایی Al-Sc، بیشینه مقدار انحلال Sc در آلومینیوم آلفا مقدار ۰٫۳۳٪ وزنی می‌باشد. تنها راه افزایش انحلال Sc در آلومینیوم سرمایش سریع است؛ بطوریکه این مقدار تا ۳٫۲٪ وزنی برای سرعت سرمایش105 ˚C/s افزایش می‌یابد. بر خلاف Sc، اغلب فلزهای آلیاژسازی Al، مثل Zr و Ti یک واکنش peritectic را شکل می‌دهند. در حالی که طبیعت اوتکتیک آلیاژ آلومینیوم-اسکاندیوم موجب جدایش دندریت‌های Sc حین انجماد می‌گردد؛ لذا Sc در نواحی بین دندریتی جمع شده و هستهٔ دندریت‌ها از اسکاندیوم فقیر هستند. یک عملیات حرارتی حالت جامد در دمای بالا (اغلب بالای ۵۰۰˚C) می‌تواند به همگن شدن Sc در ریزساختار یاری رسانده و اثرات مضر جدایش را کاهش دهد. البته این همگن سازی می‌تواند استحکام را از طریق پدیدهٔ بازگشت و تبلور مجدد کاهش دهد.

بر اساس آنچه گزارش شده، بیشترین مقدار استحکام در عملیات حرارتی به مدت ۳ ساعت در دمای ۳۰۰˚C به دست می‌آید.

غالب اثرات سودمند اسکاندیوم در آلیاژ آلومینیوم، وابسته به تشکیل فاز Al3Sc است. پراکندگی Al3Sc معمولاً طی شرایط در این فرایندها رخ می دهد:

-حین انجماد بعد از ذوب یا جوش

-حین فرایندهای دمای بالا در محدودهٔ ۴۰۰–۶۰۰˚C مثل نورد گرم و اکستروژن گرم

-حین عملیات حرارتی کنترل شده در بازهٔ دمایی ۲۵۰–۴۰۰˚C. در این حالت رسوب‌ها بهترین وضعیت و ابعاد را برای استحکام بخشی دارند.

#### آلیاژهای سه تایی Al-Sc-Zr

آلیاژ حاوی زیرکونیوم قادر است سختی خود را به مدت یک ماه در دمای ۳۵۰˚C حفظ کند. این افزایش پایداری حرارتی به علت پوستهٔ غنی از Zr روی رسوبات Al3Sc است. در واقع پوستهٔ Al3Zr می‌تواند پارامتر Lattice فاز Al3(Sc1-xZrx) را کاهش دهد و بنابراین عدم تطابق با زمینهٔ آلومینیوم آلفا را کم کند. این رویداد موجب کاهش نیرو محرکه برای زمخت شدن ذرات رسوب در اثر کاهش دما می‌گردد. آزمایش‌ها نه تنها افزایش پایداری حرارتی رسوبات آلیاژهای سه تایی Al-Sc-Zr را نشان میدهد، همچنین ثابت می‌کند که استحکام بیشتری به نسبت آلیاژهای دوتایی Al-Sc یا Al-Zr به دست می‌آید. ترکیب پایداری دمایی بالا در کنار رسانایی خوب الکتریکی و استحکام بالا، آلیاژ Al-Sc-Zr را تبدیل به یک گزینه برای کاربردهای رسانای سد حرارتی می‌کند. برخلاف فواید یاد شده، افزودن Zr موجب کاهش افزایش طول آلیاژ می‌گردد.

#### Al-Cu-(Mg)-(Mn)-Sc-(Zr) (سری ×××۲)

در ریز ساختار این آلیاژها، سه فاز Al2Cu (Ө')، Al3Sc و Al5-8ScCu4-7 (W) می‌توانند با یکدیگر در تعادل باشند. فاز نیمه پایدار 'Ө و Al3Sc مؤثرترین فاز برای افزایش سختی در آلیاژ آلومینیوم است. بطوریکه 'Ө دمای پیرسختی زیر ۲۰۰˚C نیاز دارد و Al3Sc نیز در بازهٔ ۲۰۰–۴۰۰˚C پیرسخت می‌شود؛ بنابراین چالش اصلی در این آلیاژها انتخاب دمای پیر سختی مناسب برای بدست آوردن همزمان این دو فاز است. افزودن Zr می‌تواند با شکل دهی پوسته-هستهٔ ذرات رسوب (در بند قبل توضیح داده شد) به شکل‌گیری رسوبات با پایداری حرارتی کمک کند. ترکیب Sc و Zr در این آلیاژ همچنین می‌تواند به افزایش قابلیت اکسترود گرم منجر شود. در اکستروژن، «فشار عبور» عبارت است از بیشترین بارگذاری زمانی که ماده شروع به سیلان در غالب‌های اکستروژن می‌کند. افزایش این دو عنصر با افزایش فشار عبود همراه است.

#### Al-Mn-Sc (سری ×××۳)

منگنز پرکاربردترین فلز برای ایجاد استحالهٔ فازی در آلومینیوم است. افزایش منگنز موجب تشکیل رسوباتی می‌گردد که استحکام ویژه را به طرز قابل توجهی تحت تأثیر قرار می‌دهند. اما تأثیر منگنز بر افزایش سختی ناچیز است.

#### Al-Si-Sc (سری ×××۶/×××۴)

افزایش سیلیسیم در آلیاژهای Al-Sc باعث افزایش چگالی رسوبات می‌گردد که استحکام در دمای اتاق را بهبود می‌بخشد. همچنین موجب تسریع جوانه زنی و رشد رسوبات می‌گردد. با این وجود سیلیسیم مقاومت به زمخت شدن رسوبات در دمای بالا را کاهش می‌دهد و افزایش سختی ناشی از رسوبات Al3Sc با افزودن مقدار Si کاهش می‌یابد.

#### Al-Mg-Sc-(Zr) (سری ×××۵)

بیشترین مطالعه روی این سری آلیاژهای Al-Sc صورت گرفته است. نمودارهای فازی نشان می‌دهد که هیچ ترکیب سه فازی از AlMgSc در این آلیاژهای تشکیل نمی‌گردد. فایدهٔ افزودن Sc یا Sc+Zr به Al-Mg، افزایش شکل‌پذیری، افزایش پایداری حرارتی، افزایش مقاومت به تبلور مجدد، افزایش استحکام ، بهبود میزان افزایش طول و افزایش مقاومت به رشد ترک خستگی می‌باشد.

#### Al-Zn-Mg-Sc-(Cu)-(Zr) (سری ×××۷)

فاز اصلی استحکام بخش در این سری آلیاژ، فاز MgZn2 است. اسکاندیم تنها به شکل رسوب Al3Sc در تعادل با فازهای دیگر است. نسل جدید سری ×××۷ آلیاژهای Al-Sc با افزودن مس و شکل‌گیری رسوب W-AlCuSc به دست می‌آیند. عناصر آلیاژی دیگر مثل Zr, Ag, Er و Ce به آلیاژهای Al-Zn-Mg برای بهبود کارایی آنها افزوده می‌شوند. سری جدید این آلیاژها به علت مقادیر کم مس، مقاومت خوبی در برابر خوردگی تنشی (scc) دارند. همچنین افزایش تنش تسلیم و تغییر شکل یکنواخت نیز حاصل آلیاژسازی با عناصر نام برده شده است.

#### Al-Li-Sc-(Cu)-(Zr) (سری ×××۸)

جانشین‌های مناسب برای اسکاندیوم
-------------------------------

با وجود حضور اثر بخش اسکاندیوم، به علت هزینهٔ بالای آن، بخشی از مطالعات بر روی عناصر ارزان‌تر برای جایگزینی اسکاندیوم در Al3Sc انجام گرفته است. مطالعات نشان داد که عناصر Ti, Zr، Y، Hf، V، Nb و Ta تمایل به جایگزینی با اسکاندیوم در ساختار و عناصر نیکل و سیلیسیم تمایل به جایگزینی با آلومینیوم را دارند. فلزاتی مثل زیرکونیم و تیتانیوم، توانایی افزایش مقاومت به زمخت شدن رسوبات را دارند. در صورتی که لانتانید‌ها تأثیری بر سینتیک زمخت شدن رسوبات نمیگذارند.

کاربردها
--------

همانگونه که پیشتر گفته شد، کاربرد آلیاژهای Al-Sc با وجود تمامی مزایای یاد شده به علت قیمت بالا و کمیاب بودن اسکاندیم، بسیار محدود است. برای مثال افزایش ۰٫۴٪ اسکاندیم قیمت آلیاژ را تا ۴ دلار به ازای هر کیلوگرم افزایش می‌دهد که قیمت را سه الی چهار برابر کرده است. این افزایش قیمت امروزه مناسب نیست و توجیه منطقی برای ساخت برخی وسایل را ندارد؛ بنابراین قیمت اسکاندیوم باید کاهش بیشتری یابد تا بتوان با توجیه اقتصادی آنرا به کار برد. خوشبختانه این قیمت طی ۱۵ سال گذشته حدود ۳ الی ۱۰ برابر کاهش داشته است. همچنین کاهش چشمگیر قیمت برای آینده مورد انتظار است چراکه اخیراً تحقیقات گسترده‌ای روی استخراج اسکاندیم صورت پذیرفته است. کاربرد این آلیاژ اخیراً به مصارف کوچک و استراتژیک محدود شده است. برای مثال در روسیه بخش‌هایی از ابزار جنگی نیروی هوایی مانند موشک‌ها و جت MIG از آلیاژهای Al-Li حاوی Sc ساخته شده است. سازندگان وسایل ورزشی مصرف‌کنندگان اصلی این دسته آلیاژها هستند. در سال ۱۹۹۷ اولین چوب بیسبال از سری ×××۷ این آلیاژها ساخته شد. نیز همین سری برای ساخت بدنهی دوچرخه مورد استفاده قرار گرفته است که باعث افزایش ۵۰٪ استحکام و کاهش ۱۲٪ وزن دوچرخه گردید. چوب چوگان، تیر چادر و بدنهی هفتتیرها نیز از دیگر کاربردهای آنهاست.

آلیاژهای آلومینیوم حاوی اسکاندیوم، مواد وعده داده شده برای صنایع هوا فضا هستند. مثل سپرهای حرارتی، نوک هواپیما، چرخ‌ها، چرخ دنده‌ها، منبع سوخت و سیستم اگزوز و بدنهی هواپیما هستند.

منابع
-----

1. 1 2  Parker, B. A.; Zhou, Z. F.; Nolle, P. (1995). "The effect of small additions of scandium on the properties of aluminium alloys". *Journal of Materials Science*. **30** (2): 452–458. doi:10.1007/bf00354411. ISSN 0022-2461.
2. ↑  Blake, N.; Hopkins, M. A. (1985-08). "Constitution and age hardening of Al-Sc alloys". *Journal of Materials Science*. **20** (8): 2861–2867. doi:10.1007/bf00553049. ISSN 0022-2461. `{{cite journal}}`: Check date values in: `|date=` (help)
3. 1 2  K.E. Knipling, R.A. Karnesky, C.P. Lee, D.C. Dunand, D.N. Seidman, Precipitation evolution, Acta MaterialiaVolume 58, Issue 15, September 2010, Pages 5184-5195
4. 1 2 3  *Fundamentals of Aluminium Metallurgy*.
5. ↑  L.S. Toropova, Advanced Aluminum Alloys Containing Scandium: Structure and Properties,

Taylor & Francis, 1998.
6. ↑  M. Song, Y. He, S. Fang, Effects of Zr content on the yield strength of an Al-Sc alloy, J. Mater.

Eng. Perform. 20 (3) (2011) 377–381.