Способ получения сплава алюминий-скандий

Изобретение относится к способам получения сплава алюминий-скандий (Al-Sc). Способ получения сплава алюминий-скандий (Al-Sc), предусматривающий комбинацию металлотермических и электролитических реакций, включает обеспечение электролизера, содержащего ScF₃ и AlF₃ и порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF, приведение катода, содержащего алюминий, в контакт с электролизером, приведение анода в контакт с электролизером, причем для проведения металлотермической реакции в электролизер добавляют порцию Sc₂O₃, при этом ион алюминия и ион скандия вступают в реакцию с катодом с получением сплава Al-Sc, а для проведения электролитической реакции прикладывают электрический ток к катоду, при этом ион алюминия и ион скандия вступают в реакцию с катодом с получением сплава Al-Sc, после обеспечения реакции иона скандия с катодом электролизер содержит ScF₃, AlF₃ и по меньшей мере один из LiF, NaF или KF, а катод содержит сплав. Изобретение направлено на улучшение способа получения сплава Al-Sc. 17 з.п. ф-лы, 3 пр., 9 ил.

 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Данная заявка испрашивает приоритет предварительной заявки США №62/643301 под названием "Method of Aluminum-Scandium Alloy Production" ("Способ получения сплава алюминий-скандий"), поданной 15 марта 2018 г., которая включена в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте для всех целей.

[0002] Все публикации, заявки на патент, патенты и другие литературные источники, указанные в данном документе, включены посредством ссылки во всей своей полноте. Патентная и научная литература, на которую ссылаются в данном документе, устанавливает область знаний, которые доступны специалисту в данной области техники. Выпущенные патенты, заявки и другие публикации, которые приведены в данном документе, включены посредством ссылки в той же степени, как если бы каждая из них была конкретно и отдельно включена посредством ссылки. В случае несоответствий преимущественную силу имеет данное раскрытие.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0003] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к получению сплавов алюминий-скандий.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Скандий (Sc) может являться одним из предпочтительных упрочняющих компонентов сплавов на основе алюминия с точки зрения количества добавки на моль сплава. Когерентные выделения скандия-алюминия (Al₃Sc) могут быть очень тонкими и стабильными при высокой температуре, что делает данные сплавы пригодными для сварки или спекания, например, для 3-D-печати. Например, Scalmalloy® представляет собой сплав скандий-магний-алюминий от АР WORKS с пределом текучести приблизительно 525 МПа (RSP Technology RSA-501 АЕ на Mat Web; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте), что может быть вдвое больше предела текучести ведущего порошкового сплава AlSi₁₀Mg (спецификация AlSi₁₀Mg EOS; включена в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Соотношение прочности и плотности (σу/р) подвергнутого спеканию порошка Scalmalloy® при 1,94x10⁵ м²/с² может быть на 20% выше, чем таковое для подвергнутого спеканию порошка Ti-6-4 (спецификация Ti-6-4 от Global Titanium Inc.; включена в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте). Жесткость на растяжение и изгиб/плотность (Е/р и Е^1/3/р) для Scalmalloy® может быть соответственно на 3% и 40% выше, чем у сплавов на основе титана.

[0005] Металлический скандий является дорогостоящим и имеет стоимость приблизительно $3300/кг (рыночная цена в 2016 г.), но во многих сплавах может приносить пользу всего лишь приблизительно 0,2 вес.% (вес.%) скандия. Низкая растворимость скандия в алюминии может привести к получению состава коммерческой лигатуры для сплавов Al-Sc с 2 вес.% скандия (Al - 2 вес.% Sc) с рыночной ценой, составляющей приблизительно $100-115/кг. Несмотря на то, что содержание скандия в земной коре больше, чем содержание свинца, он является рассеянным и его трудно выделить, так что мировое производство оксида скандия (Sc₂O₃) составляет всего лишь приблизительно 10 тонн в год (TPY). Sc₂O₃ представляет собой одну из самых дешевых форм скандия, широко доступных на рынке в настоящее время. Например, стоимость Sc₂O₃ составляет приблизительно $1200/кг (рыночная цена в 2016 г.), а стоимость фторида скандия (ScF₃) составляет приблизительно $2947/кг (рыночная цена в 2016 г.). При этом несколько новых рудников находятся в стадии строительства или планирования с прогнозом получения Sc₂O₃ до 450 TPY до 2027 г. Такое прогнозируемое увеличение получения Sc₂O₃ может снизить стоимость скандия и обеспечивать получение до 150000 TPY сплава Al-0,2% Sc. Следовательно, существует потребность в улучшенном способе и устройстве для получения сплавов алюминий-скандий (Al-Sc).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0006] Представлены способы получения сплава алюминий-скандий (Al-Sc). В некоторых вариантах осуществления способ получения сплава Al-Sc может предусматривать (а) обеспечение электролизера, содержащего первую порцию по меньшей мере одного из ScF₃ или ALF₃ и первую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF; (b) приведение катода в электрический контакт с электролизером, при этом катод содержит алюминий; (с) приведение анода в электрический контакт с электролизером; (d) добавление первой порции Sc₂O₃ в электролизер; (е) обеспечение реакции иона алюминия с катодом; и (f) приложение электрического тока к катоду с обеспечением таким образом реакции иона скандия с катодом с получением сплава Al-Sc, при этом после обеспечения реакции иона скандия с катодом: электролизер содержит ScF₃, AlF₃ и по меньшей мере один из LiF, NaF или KF, а катод содержит алюминий и скандий.

[0007] В некоторых вариантах осуществления сплав Al-Sc может содержать приблизительно 5-12 вес.% скандия.

[0008] В некоторых вариантах осуществления сплав Al-Sc может содержать приблизительно 8-12 вес.% скандия.

[0009] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере порция алюминия и скандия на катоде является жидкой.

[0010] В некоторых вариантах осуществления электрический ток на катоде характеризуется плотностью тока приблизительно 0,2-1,0 А/см².

[0011] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов скандия и ионов алюминия, составляющего от приблизительно 0:1 до приблизительно 2:1, где предварительно определенное соотношение поддерживают путем управления электрическим током на катоде.

[0012] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов кислорода и ионов фтора, составляющего от приблизительно 1:20 до приблизительно 1:250, где предварительно определенное соотношение ионов кислорода и ионов фтора поддерживают путем управления электрическим током или добавления второй порции Sc₂O₃ в электролизер.

[0013] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов лития и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 4:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции LiF.

[0014] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного отношения ионов натрия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции NaF.

[0015] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов калия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции KF.

[0016] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать добавление второй порции Sc₂O₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

[0017] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0018] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 22-45 вес.% ScF₃, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃.

[0019] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0020] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать добавление второй порции Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

[0021] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0022] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 22-45 вес.% ScF₃, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃.

[0023] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ

[0024] Следующие фигуры являются исключительно иллюстративными и не предназначены для ограничения.

[0025] На фиг. 1 показана диаграмма фазового равновесия алюминия-скандия в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0026] На фиг. 2 показана восстановительная ячейка для получения сплавов алюминий-скандий в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0027] На фиг. 3 показана другая восстановительная ячейка для получения сплавов алюминий-скандий в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0028] На фиг. 4 показана уравновешенная восстановительная ячейка для получения сплавов алюминий-скандий в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0029] На фиг. 5А и фиг. 5В показаны варианты исполнения восстановительной ячейки для получения сплавов алюминий-скандий в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0030] На фиг. 6 показано отклонение концентрации Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0031] На фиг. 7 показана концентрация Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0032] На фиг. 8А и фиг. 8В показан аналитический способ определения состава Al-Sc в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

[0033] На фиг. 9 показаны иллюстративные сплавы Al-Sc, полученные в результате применения различных электрических токов в восстановительной(ых) ячейке(ах) в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0034] В настоящем документе описаны способы и устройства, пригодные для получения сплавов алюминий-скандий (Al-Sc).

[0035] Получение сплавов Al-Sc может включать фторид скандия (ScF₃). Например, ScF₃ может вступать в реакцию с Al с получением сплавов AlF₃ и Al-Sc (Trans. Met. Soc. AIME 218:608, 1960; Russ. J. Phys. Chem. A. 84(12):2011-2016, 2010; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Тем не менее, в некоторых случаях ScF₃ может быть более дорогостоящим, чем Sc₂O₃ (например, в пересчете на скандий или на единицу скандия), что может повышать стоимость получения сплавов Al-Sc.

[0036] Получение сплавов Al-Sc может включать порошок алюминия. Например, порошок алюминия можно смешивать с Sc₂O₃ и спрессовывать в окатыши. Данные окатыши, например, можно погружать в жидкий алюминий с получением сплавов Al-Sc. Выход восстановления скандия с применением такого способа получения алюминия может быть непостоянным, например, в зависимости от условий формования окатышей (патент US 6045631; включен в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте).

[0037] Получение сплавов Al-Sc также может предусматривать растворение металлического скандия в алюминии, но такое растворение может быть медленным, и выход может быть непостоянным вследствие относительно высокой температуры плавления скандия, что может привести к возможному образованию ряда тугоплавких интерметаллидов на поверхности раздела фаз, которые выступают в качестве барьерных слоев, предупреждающих растворение. На фиг. 1 показана диаграмма фазового равновесия Al-Sc, иллюстрирующая данные значения.

[0038] Получение сплавов Al-Sc также может предусматривать электролитическое восстановление. Например, электролиз можно осуществлять для восстановления смесей Al₂O₃ и Sc₂O₃, растворенных в натриевом или калиевом криолите (AlF₃-NaF или AlF₃-KF). В результате такого электролиза можно получать сплавы Al-Sc с приблизительно 0,5-1,5 вес.% Sc (патент CN 1184356; WO 2006/079353; Chunyang Guan et al., 3rd Int'l Symp.High-Temp.Metall. Processing 2012; Qiaochu Liu et al., Light Metals 2012; включен в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Электролиз Sc₂O₃ в CaCl₂ с помощью Al катода можно осуществлять с получением сплавов Al-Sc с приблизительно 2 вес.% Sc, но такой электролиз также может обеспечивать получение сплавов Al-Sc с не более чем приблизительно 0,65 вес.% кальция (J. Alloys Compounds 474:124-130, 2009; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Тем не менее, может быть менее предпочтительно получать сплавы на основе алюминия, содержащие кальций. Электролиз Sc₂O₃, растворенного в ScF₃-NaF, можно осуществлять с получением твердых гранул металлического Sc (патент US 3111467; включен в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Тем не менее, гранулы металлического Sc, возможно, потребуется отделить от твердой соли, и данная дополнительная стадия может быть менее желательной с точки зрения применения в коммерческих целях.

[0039] Получение сплавов Al-Sc может предусматривать применение паров или сплава на основе кальция для восстановления Sc₂O₃ до сплава на основе Al (Adv. Proc. Metals Mater. 4:155, 2006; Min. Proc. Extract. Metall. 117(2):96, 2008; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Полученный в результате сплав в целом может включать приблизительно 1% или больше кальция. Тем не менее, в некоторых случаях может быть менее предпочтительно получать сплавы на основе алюминия, содержащие кальций.

[0040] Получение сплавов Al-Sc также может предусматривать применение магния (Mg) в качестве возможного восстанавливающего средства (патент US 5037608; патент ЕР 2298944; включены в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Например, обеспечение реакции Sc₂O₃ со сплавом на основе Al, содержащим 15-17 вес.% Mg, может обеспечивать получение сплава алюминий-магний-скандий, содержащего 2,5 вес.% Sc. Тем не менее, это может привести к тому, что соотношения Mg:Sc станут менее предпочтительными, и содержащийся Mg может быть необходимо отгонять для достижения более предпочтительных соотношений Mg:Sc (Russian Metallurgy 2015 (7): 516, 2015; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте).

[0041] Получение сплавов Al-Sc может предусматривать применение NH₄HF₂ для преобразования Sc₂O₃ во фторид in situ и обеспечение реакции с Al₂O₃, но такой способ может представлять опасность для здоровья (патент CN 100410400; включен в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Получение сплавов Al-Sc может дополнительно включать растворение ScF₃ или Sc₂O₃ в хлоридно-фторидных солях, например, AlF₃-NaF-KCl, но такой способ может приводить к низкому выходу конверсии из оксида (WO 2003/042418; включен в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте). Получение сплавов Al-Sc также может предусматривать механическое легирование. Например, Sc₂O₃ можно сначала восстанавливать с применением Al, затем измельчать в шаровой мельнице, после чего переплавлять с получением сплавов Al-Sc. Тем не менее, данный способ механического легирования может быть относительно медленным и дорогостоящим (Mater. Trans. 44(4): 1049, 2003; включено в данный документ посредством ссылки во всей своей полноте).

[0042] Указанные выше способы обычно можно разделить на четыре категории: (1) применение ScF₃ (или его образование из Sc₂O₃ in situ), (2) восстановление с применением Са или Mg, которые остаются в сплаве, (3) получение прессованных окатышей металл - порошок Sc₂O₃, или (4) электролиз Al₂O₃-Sc₂O₃ с получением Al с небольшим количеством Sc. Последний вариант может обеспечивать в результате высокий выход с применением недорогого Sc₂O₃, но в малом масштабе это может быть относительно дорогостоящий способ получения большого количества алюминия в сплаве.

[0043] Представлены способы получения сплава алюминий-скандий (Al-Sc). В некоторых вариантах осуществления способ получения сплава Al-Sc может предусматривать (а) обеспечение электролизера, содержащего первую порцию по меньшей мере одного из ScF₃ или AlF₃ и первую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF; (b) приведение катода в электрический контакт с электролизером, при этом катод содержит алюминий; (с) приведение анода в электрический контакт с электролизером; (d) добавление первой порции Sc₂O₃ в электролизер; (е) обеспечение реакции иона алюминия с катодом; и (f) приложение электрического тока к катоду с обеспечением таким образом реакции иона скандия с катодом с получением сплава Al-Sc, при этом после обеспечения реакции иона скандия с катодом: электролизер содержит ScF₃, AlF₃ и по меньшей мере один из LiF, NaF или KF, а катод содержит алюминий и скандий.

[0044] В некоторых вариантах осуществления сплав Al-Sc может содержать приблизительно 5-12 вес.% скандия.

[0045] В некоторых вариантах осуществления сплав Al-Sc может содержать приблизительно 8-12 вес.% скандия.

[0046] В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере порция алюминия и скандия на катоде является жидкой.

[0047] В некоторых вариантах осуществления электрический ток на катоде характеризуется плотностью тока приблизительно 0,2-1,0 А/см².

[0048] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов скандия и ионов алюминия, составляющего от приблизительно 0:1 до приблизительно 2:1, где предварительно определенное соотношение поддерживают путем управления электрическим током на катоде.

[0049] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов кислорода и ионов фтора, составляющего от приблизительно 1:20 до приблизительно 1:250, где предварительно определенное соотношение ионов кислорода и ионов фтора поддерживают путем управления электрическим током или добавления второй порции Sc₂O₃ в электролизер.

[0050] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов лития и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 4:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции LiF.

[0051] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного отношения ионов натрия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции NaF.

[0052] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов калия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, где предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции KF.

[0053] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать добавление второй порции Sc₂O₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

[0054] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0055] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 22-45 вес.% ScF₃, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃.

[0056] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать то, что вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0057] В некоторых вариантах осуществления способ может дополнительно предусматривать добавление второй порции Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

[0058] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0059] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 22-45 вес.% SCF3, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃.

[0060] В некоторых вариантах осуществления вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃.

[0061] В настоящем изобретении получение сплавов Al-Sc может включать способы восстановления. В некоторых вариантах осуществления способы восстановления для получения сплавов Al-Sc, описанные в данном документе, могут включать электролитическое восстановление Sc₂O₃, растворенного в ванне, содержащей по меньшей мере одно из ScF₃ и/или AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF, при этом ванна находится в электрическом контакте с катодом и анодом. В некоторых вариантах осуществления при продолжении электролитического восстановления Sc₂O₃, растворенного в ванне, ванна может содержать ScF₃, AlF₃, и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF. В некоторых вариантах осуществления ванна может содержать по меньшей мере одно из ScF₃ и/или AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF и необязательно по меньшей мере одно из MgF₂, CaF₂ и/или SrF₂.

[0062] В некоторых вариантах осуществления катод, описанный в данном документе, может содержать Al и может дополнительно содержать дополнительные металлы или электрические проводники, такие как Sc, TiB₂, С, например, графит, или любую их смесь. В некоторых вариантах осуществления катод в начале способов восстановления может содержать любой электрический проводник, такой как Al, Sc, TiB₂, С, например, графит, или любую их смесь. В некоторых вариантах осуществления катод в начале способов восстановления может содержать незначительное количество Al и/или Sc или не содержать их, но с течением способов восстановления ионы Al и/или Sc могут восстанавливаться на катоде с образованием таким образом катода, содержащего Al и Sc (например, сплава Al-Sc). В некоторых вариантах осуществления катод, описанный в данном документе, может находиться в жидком состоянии, или в твердом состоянии, или в любом промежуточном состоянии. В некоторых вариантах осуществления анод, описанный в данном документе, может содержать любой электрический проводник, например, никелевый феррит, тугоплавкий интерметаллид алюминия, такой как алюминиево-медная бронза, оксид циркония, углерод, такой как графит, или любую их смесь. В некоторых вариантах осуществления анод, описанный в данном документе, может находиться в жидком состоянии, или в твердом состоянии, или в любом промежуточном состоянии.

[0063] В некоторых вариантах осуществления ванна, содержащая по меньшей мере одно из ScF₃ и/или AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF, может иметь различные диапазоны составов. В некоторых вариантах осуществления примерный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления примерный оптимальный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 26,8 вес.% ScF₃, приблизительно 24,6 вес.% AlF₃, приблизительно 46,6 вес.% NaF и приблизительно 2 вес.% Sc₂O₃.

[0064] В некоторых вариантах осуществления примерный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-LiF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 22-45 вес.% ScF₃, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления примерный оптимальный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-LiF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 31,8 вес.% ScF₃, приблизительно 29,3 вес.% AlF₃, приблизительно 36,3 вес.% LiF и приблизительно 2,6 вес.% Sc₂O₃.

[0065] В некоторых вариантах осуществления примерный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-KF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления примерный состав ванны для иллюстративной ванны ScF₃-AlF₃-KF с растворенным Sc₂O₃ может представлять собой приблизительно 21,9 вес.% ScF₃, приблизительно 20,2 вес.% AlF₃, приблизительно 56,0 вес.% KF и приблизительно 1,8 вес.% Sc₂O₃. Будет понятно, что применение ванны ScF₃-AlF₃-NaF, ванны ScF₃-AlF₃-LiF или ванны ScF₃-AlF₃-KF с растворенным Sc₂O₃ выбирали в иллюстративных целях, и что в других вариантах осуществления и применениях ванна может содержать ScF₃ и/или AlF₃ и любую комбинацию NaF, LiF и KF с растворенным Sc₂O₃ с различными диапазонами составов, которые могут быть подобными или аналогичными диапазонам составов, описанным в данном документе.

[0066] В некоторых вариантах осуществления в способах комбинированного восстановления, описанных в данном документе, можно непосредственно применять Sc₂O₃ с высоким выходом, что, таким образом, сводит к минимуму затраты на сырье для получения сплавов Al-Sc. Например, Sc₂O₃ можно применять с коэффициентом выхода, который может составлять до приблизительно 80-100%. В некоторых вариантах осуществления способы восстановления, описанные в данном документе, можно осуществлять с более низким электрическим током, а также с меньшим количеством и/или меньшим размером ячеек по сравнению со способом(-ами), которые предусматривают восстановление всего алюминия или большей его части для получения сплава Al-Sc.

[0067] В некоторых вариантах осуществления способы восстановления, описанные в данном документе, можно осуществлять с меньшим количеством стадий способа по сравнению с другими способами получения сплава Al-Sc, описанными выше. Например, способы восстановления, описанные в данном документе, могут включать следующие две стадии: стадию восстановления для получения сплавов Al-Sc, и отливку полученных сплавов Al-Sc в форму. Для сравнения, некоторые способы получения сплава Al-Sc, которые предусматривают Са и/или Mg, могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc с содержанием Са и/или Mg. Такие способы с применением Са и/или Mg, например, могут включать дополнительную(-ые) стадию(-ии) удаления/отгонки содержащегося Са и/или Mg из полученных сплавов Al-Sc. Также для сравнения, некоторые способы получения сплава Al-Sc могут включать стадию(-ии) фторирования, заключающуюся(-иеся) в обеспечении реакции Sc₂O₃ с кислотой, такой как HF, при высокой температуре с образованием ScF₃, а затем обеспечение реакции полученного ScF₃ с Al для получения сплавов Al-Sc. Такие способы, например, могут включать дополнительную(-ые) стадию(-ии) фторирования.

[0068] В некоторых вариантах осуществления способы комбинированного восстановления, описанные в данном документе, могут обеспечивать сплавы Al-Sc с содержанием Sc приблизительно 0-12 вес.%, приблизительно 1-12 вес.% Sc, приблизительно 2-12 вес.% Sc, приблизительно 3-12 вес.% Sc, приблизительно 4-12 вес.% Sc, приблизительно 5-12 вес.% Sc, приблизительно 6-12 вес.% Sc, приблизительно 8-12 вес.% Sc, приблизительно 0-10 вес.% Sc, приблизительно 1-10 вес.% Sc, приблизительно 2-10 вес.% Sc, приблизительно 3-10 вес.% Sc, приблизительно 4-10 вес.% Sc, приблизительно 5-10 вес.% Sc, приблизительно 6-10 вес.% Sc, приблизительно 0-8 вес.% Sc, приблизительно 1-8 вес.% Sc, приблизительно 2-8 вес.% Sc, приблизительно 3-8 вес.% Sc, приблизительно 4-8 вес.% Sc и предпочтительно приблизительно 5-8 вес.% Sc. В некоторых вариантах осуществления способы комбинированного восстановления, описанные в данном документе, могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc с содержанием Sc до приблизительно 12 вес.% в зависимости от комбинации следующих трех факторов. В некоторых вариантах осуществления один фактор может представлять собой значение концентрации ScF₃ в ванне. Например, в некоторых вариантах осуществления высокое значение концентрации ScF₃ в ванне может быть одним из факторов, которые могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc с высоким содержанием Sc. В некоторых вариантах осуществления другим фактором может быть температура. Например, в некоторых вариантах осуществления высокая температура может быть одним из факторов, которые могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc с высоким содержанием Sc. В качестве ссылки, на фиг.1 показана диаграмма фазового равновесия алюминия-скандия, которая демонстрирует, что при приблизительно 1 вес.% Sc температура перехода в жидкое состояние может составлять приблизительно 700°С; при приблизительно 2 вес.% Sc температура перехода в жидкое состояние может составлять приблизительно 800°С; и при приблизительно 12 вес.% Sc температура перехода в жидкое состояние может составлять приблизительно 1000°С. В некоторых вариантах осуществления другим фактором может быть плотность электрического тока. Например, в некоторых вариантах осуществления высокая плотность электрического тока в ванне может быть одним из факторов, которые могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc с высоким содержанием Sc.

[0069] В некоторых вариантах осуществления AlF₃ в ванне, описанной в данном документе, выполнять одну или более целей. В некоторых вариантах осуществления AlF₃ в ванне может уравновешивать или поддерживать плотность ванны. Например, в ванне AlF3-ScF₃ более высокое содержание AlF₃ может снижать плотность ванны по сравнению с более высоким содержанием ScF₃. В некоторых вариантах осуществления AlF₃ в ванне может уравновешивать металлотермическую реакцию между ScF₃ в ванне и Al катодом путем обеспечения ионов Al для электролитического восстановления. В некоторых вариантах осуществления необязательно по меньшей мере одно из MgF₂, CaF₂ и/или SrF₂ можно добавлять в ванну, описанную в данном документе, например, для уравновешивания или поддержания плотности ванны.

[0070] В некоторых вариантах осуществления, в зависимости от плотности ванны, катод, содержащий Al и Sc, можно погружать в ванну или оставлять на поверхности ванны. Например, если плотность ванны является более высокой, чем плотность катода (например, катода, содержащего жидкий сплав Al-Sc), то катод может оставаться на поверхности ванны. В другом примере, если плотность катода (например, катода, содержащего жидкий сплав Al-Sc) является более высокой, чем плотность ванны, то катод можно погружать в ванну. В некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительнее держать катод погруженным в ванну; в других вариантах осуществления может быть предпочтительнее держать катод на поверхности ванны.

[0071] На фиг. 2 показана восстановительная ячейка (200) для получения сплавов алюминий-скандий (Al-Sc) в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления восстановительная ячейка (200) может обеспечивать получение сплавов Al-Sc, начиная с ванны (210), содержащей ScF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF. В некоторых вариантах осуществления катод (220) на фиг. 2 в начале способа может содержать жидкий алюминий, а анод (230) на фиг. 2 может содержать углерод в виде графита. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 2, Sc₂O₃ можно добавлять в восстановительную ячейку (200) и восстанавливать посредством металлотермического восстановления с осаждением Sc³⁺ на алюминиевый катод (220) с получением таким образом сплава Al-Sc с содержанием Sc до приблизительно 12 вес.%. В некоторых вариантах осуществления в ходе металлотермического восстановления общее содержание Sc в ванне (210) может со временем уменьшаться, например, вследствие металлотермической реакции между ScF₃, первоначально находившимся в ванне, и металлическим алюминием в катоде. В некоторых вариантах осуществления О^2- в ванне (210) может вступать в реакцию с анодом (230), и если анод (230) содержит углерод, в ходе реакции может образовываться газообразный CO₂.

[0072] В некоторых вариантах осуществления установка для получения сплава Al-Sc, которая может обеспечивать приблизительно 500 тонн сплавов Al-Sc в год, может восстанавливать приблизительно 10 тонн скандия в год, для чего может требоваться общий электрический ток силой, например, приблизительно 3000 ампер во всех ячейках. Для аналогичной установки с более низкой эффективностью тока и применением электролиза может потребоваться в целом примерно 7000 ампер электрического тока во всех ячейках.

[0073] На фиг. 3 показана восстановительная ячейка (300) для получения сплавов алюминий-скандий (Al-Sc) в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления восстановительная ячейка (300) может обеспечивать получение сплавов Al-Sc, начиная с ванны (310), содержащей AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF. В некоторых вариантах осуществления катод (320) на фиг. 3 в начале способа может содержать незначительное количество Al или Sc или не содержать их. В некоторых вариантах осуществления анод (330) на фиг. 3 может содержать углерод в виде графита. В некоторых вариантах осуществления Sc₂O₃ можно добавлять в ячейку (300) и по мере продолжения электролиза для восстановления Al вместе с Sc, общее содержание Sc в ванне (310) может повышаться с течением времени, например, исходный оксид может представлять собой Sc₂O₃, и при электролизе может расходоваться некоторое количество ионов Al из ванны, поэтому при электролизе может расходоваться Sc с меньшей скоростью, чем скорость подачи Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления О^2- в ванне может вступать в реакцию с анодом (330), и если анод (330) содержит углерод, в ходе реакции может образовываться газообразный CO₂. В некоторых вариантах осуществления способ восстановления в восстановительной ячейке (300) можно выполнять с применением стандартной ячейки для получения алюминия с небольшими модификациями или без них.

[0074] На фиг. 4 показана уравновешенная восстановительная ячейка (400) для получения сплавов алюминий-скандий в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления, как показано в восстановительной ячейке (400) на фиг. 4, способы электровыделения, показанные на фиг. 2 и 3, можно комбинировать и уравновешивать для получения сплавов Al-Sc с помощью более предпочтительного способа. В некоторых вариантах осуществления, при сравнении со способом электролитического извлечения чистого Sc на катод, содержащий алюминий, в комбинированном и уравновешенном способе, показанном в восстановительной ячейке 400, может потребоваться больший электрический ток и большее количество производственных ячеек для получения по сути такого же сплава Al-Sc с по сути таким же содержанием Al и Sc (или практически таким же соотношением между А1 и Sc).

[0075] В некоторых вариантах осуществления восстановительная ячейка (400) может обеспечивать получение сплавов Al-Sc, начиная с ванны (410), содержащей ScF₃ и/или AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF, и/или KF. В некоторых вариантах осуществления восстановительнаяя ячейка (400) может обеспечивать получение сплавов Al-Sc с содержанием Sc до приблизительно 12 вес.%. В некоторых вариантах осуществления катод (420) на фиг. 4 может содержать алюминий, который может находиться в жидком состоянии, а анод (430) на фиг. 4 может содержать углерод в виде графита. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг.4, Sc₂O₃ можно добавлять в ячейку (400), и восстановление Sc₂O₃ может обеспечивать совместное восстановление Al₂O₃ и Sc₂O₃ с получением сплавов Al-Sc с приблизительно 99 вес.% Sc до сплавов Al-Sc с приблизительно 3 вес.% Sc, а затем до более разбавленных сплавов Al-Sc с меньшим содержанием Sc. Например, в данном подходе совместного восстановления можно применять катод из Al (420) для разбавления сплавов Al-Sc до 2 вес.% Sc in situ по мере его получения, или можно применять отдельное разбавление Al после восстановления. В некоторых вариантах осуществления при получении сплавов Al-Sc из алюминия и Sc₂O₃ без добавления Al₂O₃ (например, при загрузке Sc₂O₃ без добавления Al₂O₃) потоки алюминия вследствие металлотермических и электролитических реакций могут быть уравновешены, так что может быть относительно небольшой чистый перенос алюминия из ванны в металл/из металла. Общая электролитическая реакция может быть следующей:

Al₂O₃ (ванна) + С (анод) → 2Al (металл) + 3/2CO₂ (газ) (1),

и металлотермическая реакция может быть следующей:

Al (металл) + Sc³⁺ (ванна) → Al³⁺ (ванна) + Sc (металл) (2).

[0076] В некоторых вариантах осуществления алюминий и скандий в ваннах в способах восстановления обычно не могут существовать в виде молекул оксида или в виде простых ионов 3+, но могут существовать в виде членов ковалентно связанных комплексных анионов или катионов вместе с оксид- или фторид-ионами, при этом алюминий и скандий в каждом комплексном ионе обычно могут существовать со степенью окисления 3+. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления, если восстановительная ячейка (400) достигает приблизительного установившегося состояния, то усредненная по времени скорость электролиза катиона алюминия в металлический сплав может быть примерно такой же или равной усредненной по времени скорости переноса катионов алюминия из металла в ванну с помощью металлотермической реакции.

[0077] В некоторых вариантах осуществления может быть несколько переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃), например, как показано в восстановительной ячейке (400) на фиг. 4. В некоторых вариантах осуществления по сути постоянный состав ванны может способствовать установившемуся восстановительному получению сплавов Al-Sc и обеспечивать достижение по сути постоянного состава полученного сплава Al-Sc.

[0078] В некоторых вариантах осуществления соотношение анионов O:F может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃). В некоторых вариантах осуществления молярное соотношение анионов O:F в ванне может составлять от приблизительно 1:20 до приблизительно 1:250, от приблизительно 1:40 до приблизительно 1:250, от приблизительно 1:60 до приблизительно 1:250, от приблизительно 1:60 до приблизительно 1:200, от приблизительно 1:60 до приблизительно 1:150, и предпочтительно от приблизительно 1:60 до приблизительно 1:100, и предпочтительно приблизительно 1:100. В некоторых вариантах осуществления содержание фтора в ванне может быть относительно постоянным, а содержание кислорода может изменяться в соответствии с равновесием между скоростью введения Sc₂O₃ и поглощением кислорода на аноде. В некоторых вариантах осуществления ослабление тока при постоянном напряжении и/или увеличение напряжения при постоянном токе может выполнять функцию управляющего сигнала для указания того, когда и насколько может потребоваться изменить скорость подачи.

[0079] В некоторых вариантах осуществления отношение катионов Sc:Al может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃). В некоторых вариантах осуществления молярное соотношение катионов Sc:Al в ванне может составлять от приблизительно 0:1 до приблизительно 2:1, от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,5:1 и предпочтительно приблизительно 1:1. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи Sc₂O₃ и относительные скорости металлотермической и электролитической реакций могут обеспечивать контроль данного соотношения или поддержание его. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи Sc₂O₃ может быть фиксированной и/или постоянной. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи Sc₂O₃ может быть непостоянной, и Sc₂O₃ можно добавлять в ванну импульсами. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи Sc₂O₃ можно регулировать/определять на основании измерения концентрации оксида в ванне. В некоторых вариантах осуществления анализатор концентрации оксида можно настраивать с ванной для отправки сигналов, показывающих концентрацию оксида в ванне, и Sc₂O₃ можно добавлять в соответствии с настроенным соотношением катионов Sc:Al. В некоторых вариантах осуществления скорость подачи Sc₂O₃ может быть скорректирована/определена на основании общего масштаба получения сплава Al-Sc, такого как размер восстановительной(ых) ячейки(ячеек).

[0080] В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 3, металлотермическая реакция может перемещать Al из металла в ванну и Sc из ванны в металл. Например, электролитическая реакция может переносить оба из них из ванны в металл. Следовательно, увеличение электрического тока, например, может привести к более сильной реакции электролиза по сравнению с металлотермической реакцией и к меньшему количеству Sc в ванне по сравнению с Al. В некоторых вариантах осуществления, поскольку Al может быть более электроотрицательным, чем Sc, увеличение плотности катодного тока может привести к более высокому соотношению восстановленных Sc⁺³ и Al⁺³ на катоде, что может привести к меньшему количеству Sc в ванне, чем Al. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления электрический ток можно применять для регулирования соотношения катионов Sc:Al. В некоторых вариантах осуществления для электролитической реакции может применяться электрический ток с плотностью по меньшей мере 0,1 ампер/см² (А/см²), по меньшей мере 0,2 А/см², по меньшей мере 0,3 А/см² или предпочтительно по меньшей мере 0,4 А/см². В некоторых вариантах осуществления для электролитической реакции можно применять электрический ток с плотностью по меньшей мере 0,5 А/см², по меньшей мере 0,6 А/см², по меньшей мере 0,7 А/см², по меньшей мере 0,8 А/см², по меньшей мере 0,9 А/см² или по меньшей мере 1,0 А/см². В некоторых вариантах осуществления для электролитической реакции можно применять электрический ток с плотностью приблизительно 0,1-3,0 А/см², приблизительно 0,1-2,0 А/см², приблизительно 0,1-1,0 А/см², приблизительно 0,1-0,8 А/см², приблизительно 0,1-0,6 А/см², приблизительно 0,2-3,0 А/см², приблизительно 0,2-2,0 А/см², приблизительно 0,2-1,0 А/см², приблизительно 0,2-0,6 А/см², приблизительно 0,3-3,0 А/см², приблизительно 0,3-2,0 А/см², приблизительно 0,3-1,0 А/см², приблизительно 0,3-0,8 А/см², приблизительно 0,3-0,6 А/см² или предпочтительно приблизительно 0,4 А/см². В некоторых вариантах осуществления эффективность тока, например, в электролитической ячейке или во всем способе получения сплава Al-Sc, может быть фактором для определения оптимальных диапазонов тока электролиза. В некоторых вариантах осуществления может быть желательно подавать электрический ток, который может обеспечивать сплав Al-Sc без получения CF₄ или слоя(слоев) шлама. В некоторых вариантах осуществления контролю/уравновешиванию соотношения может способствовать измерение состава ванны и/или металла, которое может быть выполнено, например, с применением рентгеновской флуоресценции (XRF) или лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии (LIBS).

[0081] В некоторых вариантах осуществления соотношение ионов натрия и ионов скандия с ионами алюминия в криолите (Na:(Sc+Al)) может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃). В некоторых вариантах осуществления молярное соотношение в криолите Na:(Sc+Al) в ванне можно поддерживать на уровне от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, от приблизительно 1:1 до приблизительно до 4:1, от приблизительно 1,5:1 до 3:1 и предпочтительно на уровне приблизительно 2:1. В некоторых вариантах осуществления натрий может быть относительно пассивной примесью, как и фторид, но он может покидать ванну при испарении быстрее, чем ScF₃ или AlF₃. Следовательно, в некоторых вариантах осуществления поддержание соотношения в криолите Na:(Sc+Al) в контролируемом/уравновешенном состоянии может предусматривать добавление избыточного NaF и измерение состава ванны.

[0082] В некоторых вариантах осуществления соотношение ионов лития и ионов скандия с ионами алюминия в криолите (Li:(Sc+Al)) может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-LiF с растворенным Sc₂O₃). В некоторых вариантах осуществления молярное соотношение в криолите Li:(Sc+Al) в ванне можно поддерживать на уровне от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 4:1, от приблизительно 1:1 до приблизительно до 3:1, от приблизительно 1,5:1 до 3:1 и предпочтительно на уровне приблизительно 2:1. В некоторых вариантах осуществления поддержание соотношения в криолите Li:(Sc+Al) в контролируемом/уравновешенном состоянии может предусматривать добавление избыточного LiF и измерение состава ванны.

[0083] В некоторых вариантах осуществления соотношение ионов калия и ионов скандия с ионами алюминия в криолите (K:(Sc+Al)) может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-KF с растворенным Sc₂O₃). В некоторых вариантах осуществления молярное соотношение в криолите K:(Sc+Al) в ванне можно поддерживать на уровне от приблизительно 0,5:1 до приблизительно 6:1, от приблизительно 1:1 до приблизительно до 4:1, от приблизительно 1,5:1 до 3:1 и предпочтительно на уровне приблизительно 2:1. В некоторых вариантах осуществления поддержание соотношения в криолите K:(Sc+Al) в контролируемом/уравновешенном состоянии может предусматривать добавление избыточного KF и измерение состава ванны. Следует понимать, что использование соотношений Na:(Sc+Al), Li:(Sc+Al) и K:(Sc+Al) в криолите было выбрано для иллюстративных целей, и что в других вариантах осуществления и применениях соотношение между любой комбинацией Na, Li и/или K и ионами скандия с ионами алюминия в криолите (Na, Li, K или любая их комбинация):(Sc+Al) с подобными или аналогичными диапазонами соотношений описано в данном документе.

[0084] В некоторых вариантах осуществления состав ванны в восстановительной ячейке (например, в восстановительной ячейке 400 на фиг. 4) может представлять собой одну из переменных, которые можно уравновешивать или поддерживать для достижения постоянного состава ванны (например, ванны ScF₃-AlF₃-NaF с растворенным Sc₂O₃, ванны ScF₃-AlF₃-LiF с растворенным Sc₂O₃, ванны ScF₃-AlF₃-KF с растворенным Sc₂O₃ или ванны ScF₃-AlF₃-(любая комбинация Li, NaF, KF) с растворенным Sc₂O₃). Как описано в данном документе, в некоторых вариантах осуществления состав ванны может содержать приблизительно 17-38 вес.% ScF₃, приблизительно 15-28 вес.% AlF₃, приблизительно 43-55 вес.% NaF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃; предпочтительно приблизительно 26,8 вес.% ScF₃, приблизительно 24,6 вес.% AlF₃, приблизительно 46,6 вес.% NaF и приблизительно 2 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления состав ванны может содержать приблизительно 22-45 вес.% ScF₃, приблизительно 18-33 вес.% AlF₃, приблизительно 31-43 вес.% LiF и приблизительно 1-6 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления состав ванны может содержать приблизительно 14-32 вес.% ScF₃, приблизительно 12-24 вес.% AlF₃, приблизительно 51-63 вес.% KF и приблизительно 1-5 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления испарение и удаление металла может снизить общий объем ванны и уровень в ячейке. В некоторых вариантах осуществления может быть возможно восстановить часть ванны, выведенную из ячейки при удалении продукта, например, путем ее сбора способом, который может предотвратить загрязнение, и помещения ее обратно в ячейку. В некоторых вариантах осуществления AlF₃, Sc₂O₃, NaF, LiF и/или KF можно загружать в ванну с образованием ScF₃ in situ для поддержания состава ванны. В некоторых вариантах осуществления AlF₃, ScF₃, Sc₂O₃, NaF, LiF и/или KF можно подавать в ванну для поддержания ее объема и состава с уравновешиванием потерь на испарение и удаление металла.

[0085] В некоторых вариантах осуществления катод на фиг. 3 в начале способа может содержать относительно меньшее количество алюминия по сравнению с количеством алюминия в катоде на фиг. 2, и как восстановительная ячейка 200, так и восстановительная ячейка 300 могут в конце содержать по сути одинаковое количество сплавов Al-Sc, получаемых, по сути, с одинаковыми значениями содержания Al и Sc (или, по сути, с одинаковым соотношением Al:Sc).

[0086] В некоторых вариантах осуществления способ на фиг. 2 может начинаться и заканчиваться с практически таким же количеством алюминия в катоде, и может быть добавлен Sc (например, посредством способов комбинированного восстановления) к ранее присутствующему на катоде алюминию. Например, способ на фиг. 2 может начинаться с приблизительно 98 граммами алюминия на катоде (220), и можно добавлять приблизительно 2 грамма скандия (например, посредством способов комбинированного восстановления) к ранее присутствующему алюминию (например, приблизительно 98 граммов) на катоде (220) с получением таким образом приблизительно 100 граммов сплава Al-Sc с приблизительно 2 вес.% скандия.

[0087] В некоторых вариантах осуществления способы комбинированного восстановления на фиг. 3 могут начинаться с гораздо меньшим количеством алюминия на катоде в начале способа, и способ может предусматривать совместное восстановление Al и Sc с образованием сплава Al-Sc на катоде. Например, способ на фиг. 3 может начинаться с небольшим количеством алюминия или без алюминия в катоде (320), и можно дополнительно добавлять приблизительно 98 граммов алюминия и приблизительно 2 грамма скандия (например, посредством способов металлотермического и электролитического восстановления) на катод (330) с получением таким образом приблизительно 100 граммов сплава Al-Sc с приблизительно 2 вес.% скандия.

[0088] В некоторых вариантах осуществления количество алюминия на катоде на фиг. 4 в начале способа может составлять относительно среднее количество алюминия между таковыми для способов комбинированного восстановления на фиг. 2 и 3, и все три восстановительные ячейки 200, 300 и 400 могут в конце содержать практически одинаковое количество сплавов Al-Sc, по сути, с одинаковыми значениями содержания Al и Sc (или, по сути, с одинаковым соотношением Al:Sc). Например, способ на фиг. 3 может начинаться с приблизительно 90 граммами алюминия на катоде (420), и можно дополнительно добавлять приблизительно 8 граммов алюминия и приблизительно 2 грамма скандия (например, посредством способов комбинированного восстановления на фиг. 3 и фиг. 4) к ранее присутствующему алюминию (например, приблизительно 90 граммов) на катоде (420) с получением таким образом приблизительно 100 граммов сплава Al-Sc с приблизительно 2 вес.% скандия. В другом примере способ на фиг. 3 может начинаться с приблизительно 80 граммами алюминия на катоде (420), и можно добавлять приблизительно 18 граммов алюминия и приблизительно 2 грамма скандия (например, посредством способов комбтинированного восстановления на фиг. 3 и фиг. 4) к ранее присутствующему алюминию (например, приблизительно 80 граммов) на катоде (420) с получением таким образом приблизительно 100 граммов сплава Al-Sc с приблизительно 2 вес.% скандия.

[0089] На фиг. 5А и фиг. 5В показаны варианты исполнения восстановительной ячейки для получения сплавов Al-Sc в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления вариант исполнения восстановительной ячейки (500А или 500В) может содержать ванну (510A или 510В), содержащую ScF₃ и/или AlF₃ и по меньшей мере одно из LiF, NaF и/или KF. В некоторых вариантах осуществления вариант исполнения восстановительной ячейки (500А или 500В) может содержать анод (540А или 540В) и катод, содержащий проводник (530А или 530В) и Al-Sc (520А и 520В). Проводник (530А или 530В) может предусматривать любой электрический проводник, например, TiB2. В некоторых вариантах осуществления в ходе способов комбинированного восстановления в электролитической ячейке можно добавлять Sc₂O₃, и Al и/или Sc могут восстанавливаться на катоде с получением таким образом сплава Al-Sc (520А или 520В). В некоторых вариантах осуществления в нижней части восстановительной ячейки (500А) может быть добавлена наклонная вставка, например, наклонная вставка из изостатического графита (550А). Например, при работе в малом масштабе может быть предпочтительным добавление наклонной вставки для объединения ванны (510А) и металла Al-Sc (520А) на одной стороне. В некоторых вариантах осуществления восстановительная ячейка (500В) без наклонной вставки может иметь больший объем соли, что может уменьшить погрешность при проектировании состава. В некоторых вариантах осуществления восстановительная ячейка (500В) без наклонной вставки может увеличивать погружение анода и может снижать риск короткого замыкания анода.

[0090] На фиг. 6 показаны отклонения концентрации Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. На фиг. 7 показана концентрация Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления способы комбинированного восстановления, описанные в данном документе, могут обеспечивать получение сплавов Al-Sc в жидком состоянии (например, на фиг. 5А и 5В показаны катод 520А и катод 520В, содержащие алюминий и скандий, которые могут быть в жидком состоянии). В некоторых вариантах осуществления жидкие сплавы Al-Sc можно заливать в форму для литья и можно собирать полученные отливки из сплава Al-Sc. Например, можно применять небольшую изложницу для отливки небольшого слитка сплава Al-Sc (например, 602 и 702). В другом примере можно применять большую изложницу для отливки большого слитка сплава Al-Sc (например, 604 и 704). В другом примере можно применять изложницу с выступами для отливки слитка с пережимами сплава Al-Sc (например, 606 и 706). В некоторых вариантах осуществления литье в различные изложницы может привести к незначительным изменениям толщины слитка сплава Al-Sc, что может обеспечить изменения в отношении распределения Sc внутри слитков. В некоторых вариантах осуществления литье в изложницы с выступами позволяет получать слитки сплава Al-Sc с более равномерным распределением Sc в сплаве Al-Sc и может обеспечивать более стабильные и повторяемые отливки.

[0091] На фиг. 8А и фиг. 8В показан аналитический способ определения состава Al-Sc в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления вес.% Sc можно анализировать с применением сканирующего устройства SEM-EDS (сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией). Например, на фиг. 8А и 8В кругами 802А и 802В обозначена область, проанализированная с помощью SEM-EDS за одно сканирование. Были выполнены три отдельных сканирования (802А) для анализа и измерения содержания скандия в слитке с пережимами (800А). В некоторых вариантах осуществления может быть желательно проанализировать всю толщину полученной отливки из сплава Al-Sc для определения точного состава. В некоторых вариантах осуществления утолщенные отливки из сплава Al-Sc, например, утолщенный слиток с пережимами 800А, могут обеспечивать аналитический состав с некоторой погрешностью. В некоторых вариантах осуществления, как показано на фиг. 8А, вес.% Sc может быть выше в нижней части отливки формы. Например, по мере того, как жидкий Al-Sc затвердевает в форме, более тяжелый и более плотный металл Sc может опускаться к нижней части отливки, что может привести к более высокому вес.% Sc в нижней части отливки и к более низкому вес.% Sc в верхней части отливки. Например, сканирование SEM-EDS в верхней части слитка с пережимами показало относительно более низкое вес.% Sc по сравнению со сканированием SEM-EDS нижней части слитка с пережимами. В некоторых вариантах осуществления может наблюдаться другое неравномерное распределение Sc в слитках сплава Al-Sc. В некоторых вариантах осуществления можно собрать небольшой образец жидкого сплава Al-Sc и быстро отверждать с образованием отливки способом «разбрызгивания» (800В). В некоторых вариантах осуществления отливка способом «разбрызгивания» (800В) может быть тонкой, что обеспечивает возможность проанализировать всю толщину за одно сканирование с уменьшением погрешности. Например, SEM-EDS сканирование отливки способом «разбрызгивания» может обеспечивать более точное обнаружение (или лучшее представление) вес.% Sc в сплаве Al-Sc.

[0092] В некоторых вариантах осуществления получение сплава Al-Sc с приблизительно 2 вес.% Sc или выше можно проводить в промышленном масштабе. В некоторых вариантах осуществления в промышленном масштабе можно применять катод, содержащий жидкий алюминий и способный подвергать электролизу Sc₂O₃ для его растворения в иллюстративной ванне ScF₃-AlF₃-NaF. В качестве ссылки, на фиг. 1 показана фазовая диаграмма алюминия-скандия, из которой видно, что при приблизительно 2 вес.% скандия температура перехода в жидкое состояние может составлять приблизительно 800°С.

[0093] В некоторых вариантах осуществления в промышленном масштабе можно применять ячейку на 250-800 А, которая может обеспечивать восстановление приблизительно 100-250 г/час Sc в зависимости от эффективности тока и может обеспечивать получение приблизительно 5-12 кг/час сплава Al - 2 вес.% Sc. В некоторых вариантах осуществления каждый час можно выпускать партии по приблизительно 5-12 кг, или один или два раза в день можно выпускать по приблизительно 100 кг. Например, тигель с внутренним диаметром 40 см и приблизительно 120 кг металла (например, приблизительно 55 литров при плотности 2,2) может иметь глубину металла 44 см. Дополнительно ванна расплавленной соли на 20 кг (плотность 2,1) может иметь глубину приблизительно 7,6 см. В некоторых вариантах осуществления примерный оптимальный состав ванны, как описано выше, может содержать приблизительно 26,8 вес.% ScF₃, приблизительно 24,6 вес.% AlF₃, приблизительно 46,6 вес.% NaF и приблизительно 2 вес.% Sc₂O₃. В некоторых вариантах осуществления стадии получения в промышленном масштабе могут быть следующими.

[0094] В некоторых вариантах осуществления первая стадия может представлять собой плавление, нагревание до приблизительно 1000°С и загрузку 98 кг Al в тигель, его добавление к ранее присутствующим 20 кг Al - 2 вес.% Sc, при этом стараются свести к минимуму смешивание ванны с металлом.

[0095] В некоторых вариантах осуществления следующая стадия может представлять собой проведение электролиза при приблизительно 250-800 ампер (0,2-0,65 А/см² на границе раздела ванна-металл) в течение 8-20 часов, что может обеспечивать приблизительно 2 кг Sc при эффективности тока приблизительно 45-90%. В некоторых вариантах осуществления наблюдаемая эффективность тока, например, может определять ток электролиза и время, необходимые для данного размера партии и частоты выпуска. Ванна на 20 кг, например, может содержать всего 400 г Sc₂O₃, и для получения сплава Al-Sc в течение всего цикла можно непрерывно добавлять 3 кг Sc₂O₃.

[0096] В некоторых вариантах осуществления следующая стадия может заключаться в удалении (например, откачивании) приблизительно 100 кг Al - 2 вес.% Sc, после чего остается приблизительно 20 кг Al - 2 вес.% Sc в ячейке (например, можно применять 20 кг Al - 2 вес.% Sc для начала следующего получения в промышленном масштабе).

[0097] В некоторых вариантах осуществления производительность, составляющая приблизительно 100-200 кг/сутки в течение приблизительно 250 дней/год может соответствовать получению приблизительно 25-50 тонн/год с одной ячейки. В некоторых вариантах осуществления установка мощностью 500 тонн в год может содержать предусматривать десять таких ячеек, например, общий ток, составляющий приблизительно 5000-8000 А, ср. приблизительно 200 кА для совместного восстановления полностью Al и Sc, как описано выше.

ПРИМЕРЫ

[0098] Эксперименты 1-3: получение 2 вес.% Sc в жидкий алюминий с получением сплава Al-Sc с 2 вес.% Sc (сплав Al - 2% Sc)

[0099] Было проведено три эксперимента в малом масштабе по электролизу с применением ванны ScF₃-AlF₃-NaF-Sc₂O₃. В первых двух экспериментах получали сплавы Al-Sc с 2,0 вес.% и 2,3 вес.% Sc. В третьем эксперименте получали две партии сплавов Al-Sc с 3,42 вес.% и 3,44 вес.% Sc.

[00100] Параметры экспериментов 1-3

[00101] Состав ванны: NaF-AlF₃-ScF₃-Sc₂O₃.

[00102] Электрод сравнения: проволока W, вставленная в небольшой корпус из BN, содержащий Al - 20 вес.% Sc.

[00103] Температура тигля: 1000°С.

[00104] Процедура экспериментов 1-3 (примечание: эксперименты 1 и 2 останавливали на стадии 8)

[00105] 1. Металлический Al помещали в нижнюю часть тигля с наклонной вставкой и металлический Al плавили в камере с перчатками с применением индукционной печи.

[00106] 2. Предварительно смешивали 300 г компонентов расплава в химическом вытяжном шкафу.

[00107] 3. Готовили катод TiB₂, графитовый анод с внешним диаметром 0,375 дюйма.

[00108] 4. Помещали тигель в камеру.

[00109] 5. В тигель добавляли предварительно смешанный порошок для ванны.

[00110] 6. Камеру с тиглем помещали в ячейку и нагревали до 1000°С.

[00111] 7. Извлекали небольшие образцы (приблизительно 1-3 г) как из ванны, так и из металла для анализа: анализа кислорода от LECO для ванны и анализа ICP-OES для металла.

[00112] 8. Запускали электролиз при не более 8 В и не более 10 А до общего заряда примерно 15 А⋅ч., например, достаточного для восстановления 6 г Sc₂O₃ при выходе тока приблизительно 60%.

[00113] 9. С применением сталеразливочного ковша отбирали примерно 80 г сплава Al-Sc.

[00114] 10. Извлекали небольшой образец (1-3 г) из ванны для анализа кислорода от LECO.

[00115] 11. Загружали 6 г Sc₂O₃ и перемешивали ванну до растворения.

[00116] 12. Добавляли металлический Al.

[00117] 13. Повторяли от стадии 19 приблизительно 2-4 раза.

[00118] 14. Охлаждали до комнатной температуры и разбирали.

[00119] Результаты и обсуждение экспериментов 1-3

[00120] В экспериментах 1 и 2 применяли специальный тигель с многоярусной внутренней частью, что обеспечивало глубокое углубление для металлического Al, обернутого вокруг соединения катода TiB₂, и неглубокий выступ для анода и электрода сравнения. Данные эксперименты начинали с 15 г металлического алюминия и 100 г ванны.

[00121] В эксперименте 1 количество металла увеличивалось до 21 г с 2,0 вес.% Sc. Это, вероятно, указывает на значительную активность электровыделения Al из ванны в металл, наряду с восстановлением Sc (как показано в восстановительной ячейке 200 на фиг. 2). Тем не менее, металл также содержал 5 вес.% Fe, вероятно, вследствие того, что изначально не было достаточно ванны для погружения анода, а добавление ванны приводило к контакту ванны стальным проводом, прикрепленным к катоду из TiB₂.

[00122] В эксперименте 2 изменение геометрии тигля исключило контакт между ванной и стальным проводом. В таком случае количество металла увеличивалось до 17,5 г с 2,31% Sc.

[00123] В эксперименте 3 применяли изостатический графит с внешним диаметром 5 дюймов, глубиной 4 дюйма с плоским дном и наклонной вставкой 550А из изостатического графита под углом 20° (как показано на фиг. 5А) для объединения металла в нижней части. Он содержал 300 г ванны, в которую первоначально было помещено 100 г Al. Было проведено два цикла электролиза с подачей оксида скандия между ними.

[00124] Наблюдения и измерения были следующими.

[00125] Цикл 1, стадия 7: образцы ванны и металла: металл представлял собой Al - 3,14 вес.% Sc, что указывало на некоторую металлотермическую реакцию. Ванна содержала 1,87% кислорода, что может соответствовать 5,37 вес.% Sc₂O₃, или 2 вес.% Sc₂O₃, добавленного совместно с 2,50 вес.% Al₂O₃, который мог поступать в виде примеси фторидов.

[00126] Цикл 1, стадия 8: электролиз: уровень заряда повышался до 17,5 А⋅ч., на аноде наблюдали небольшое образование пузырьков, что может быть связано с выделением CO₂.

[00127] Цикл 1, стадия 9: извлечение сплава Al-Sc: успешно извлекали 80 г сплава Al - 3,44 вес.% Sc, что свидетельствовало о повышении концентрации Sc на 0,30 вес.% по сравнению с начальной концентрацией, что соответствует добавлению приблизительно 0,3 г Sc в результате электролиза. Это отличалось от обоих экспериментов 1 и 2, которые продемонстрировали меньшее количество Sc после электролиза, чем оба данных более крупных цикла.

[00128] Цикл 1, стадия 10: образец ванны: кислород в ванне снижался на 0,40 вес.%, например, 1,2 г оксид-ионов, что соответствует 4,0 А⋅ч., что указывает на выход тока, составляющий 23% для прошедших 17,5 А⋅ч. 0,3 г Sc, добавленного к металлу при электролизе, может потреблять 0,46 г Sc₂O₃ из ванны, что соответствует снижению содержания кислорода в ванне на 0,05 вес.%. Следовательно, восстановление 0,35 вес.% кислорода может соответствовать восстановлению 2,23 г Al₂O₃, что обеспечивает 1,18 г алюминия.

[00129] Цикл 1, стадия 11: загружали 6 г Sc₂O₃: наблюдалось удовлетворительное растворение.

[00130] Цикл 1, стадия 12: добавляли 80 г металлического Al, перемешивали графитовым стержнем для его агломерации с ~20 г металла, оставшегося в ячейке.

[00131] Цикл 2, стадия 8: электролиз: достигали заряда 14,7 А ч.

[00132] Цикл 2, стадия 9: извлечение сплава Al-Sc: успешно извлекали 60 г сплава Al - 3,42 вес.% Sc, что очень близко к таковому в цикле 1, стадии 9. В результате некоторой комбинации металлотермических и электролитических реакций во вновь добавленный металлический Al поступало приблизительно 2,7 г Sc.

[00133] Цикл 2, стадия 10: образец ванны: ванна содержала 1,23 вес.% кислорода, что может указывать на восстановление большего количества оксида, чем в загрузке. Восстановление 0,24 вес.% кислорода по сравнению с циклом 1, стадией 10 соответствует потреблению 0,72 г кислорода из ванны, а также потреблению 2,09 г кислорода из 6 г Sc₂O₃, добавленного в цикле 1, стадии 11, что приводит к потреблению 2,81 г кислорода при электролизе. Это может соответствовать заряду 9,43 А⋅ч., что указывает на эффективность тока 64% для прошедших 14,7 А⋅ч.

[00134] В целом, в эксперименте №3 в течение двух циклов получали около 140 г металла с 3,42-3,44% Sc. На основе количества подаваемого кислорода и снижения его концентрации в ванне было израсходовано 1,9 г кислорода из исходной ванны, что соответствует 5,4 г оксида скандия или 3,5 г скандия. В сплав поступило 4,8 г скандия, и примерно 73% скандия поступило в результате восстановления оксида. Потребление кислорода указывало на восстановление оксида из ванны, и сходство между двумя циклами продемонстрировало некоторую воспроизводимость.

[00135] Другие примеры

[00136] На фиг. 6 показаны отклонения концентрации Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. 4 образца отливок небольших слитков из сплава Al-Sc (602) демонстрируют относительно высокое отклонение (например, по сравнению с отливками из форм с выступами) концентрации Sc, составляющее приблизительно 0,1, 0,4, 1 и 1,9 соответственно. 3 образца отливок больших слитков из сплава Al-Sc (604) также демонстрировали относительно высокое отклонение (например, по сравнению с отливками из форм с выступами) концентрации Sc, составляющее приблизительно 0,2, 0,5 и 0,8 соответственно. 4 образца отливок из форм с выступами сплава Al-Sc (606) демонстрируют относительно низкое отклонение (например, по сравнению с отливками из небольших или больших форм) концентрации Sc, составляющее приблизительно 0,6, 0,6, 0,7 и 0,5 соответственно.

[00137] На фиг. 7 показана концентрация Sc в вес.% в иллюстративных отливках в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. 3 образца отливок из форм небольшого размера из сплава Al-Sc (702) продемонстрировали неравномерные изменения распределения Sc в сплавах (например, по сравнению с отливками из форм с выступами). Первый образец отливки из формы небольшого размера продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 0,9 вес.% до приблизительно 4,8 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,8 вес.%. Второй образец отливки из формы небольшого размера практически не продемонстрировал изменений распределения Sc в сплаве, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,5 вес.%. Последний образец отливки из формы небольшого размера продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2,9 вес.% до приблизительно 3,8 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 3,4 вес.%.

[00138] Далее на фиг. 7 4 образца больших отливок из сплава Al-Sc (704) также показали неравномерные изменения распределения Sc в сплавах (например, по сравнению с отливками из форм с выступами). Первый образец отливки из формы большого размера продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 2,9 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,5 вес.%. Второй образец отливки из формы большого размера продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2,1 вес.% до приблизительно 3,9 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 3 вес.%. Третий образец отливки из формы большого размера практически не продемонстрировал изменений распределения Sc в сплаве, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 3,1 вес.%. Четвертый образец отливки из формы большого размера продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 1,2 вес.% до приблизительно 3,2 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,2 вес.%.

[00139] Далее на фиг. 7 4 образца отливок из форм с выступами из сплава Al-Sc (704) продемонстрировали равномерные изменения в распределении Sc по слиткам (например, по сравнению с отливками из небольших или больших форм). Первый образец отливки из формы с выступами продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 3,6 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,8 вес.%. Второй образец отливки из формы с выступами продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 3,3 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,7 вес.%. Третий образец отливки из формы с выступами продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 2 вес.% до приблизительно 3,2 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 2,6 вес.%. Четвертый образец отливки из формы с выступами продемонстрировал распределение Sc по всему сплаву, которое варьируется от приблизительно 3,9 вес.% до приблизительно 4,9 вес.%, при этом среднее распределение Sc составляло приблизительно 4,4 вес.%.

[00140] Далее на фиг. 7 все образцы отливок (702, 704 и 706) продемонстрировали средний вес.% Sc более 2 вес.%. На 702 изменение распределения Sc в первом образце из формы небольшого размера было относительно высоким, так что по меньшей мере некоторые части образца характеризовались содержанием Sc менее 2 вес.%. На 704 изменение распределения Sc в четвертом образце из формы большого размера было относительно высоким, так что по меньшей мере некоторые части образца характеризовались содержанием Sc менее 2 вес.%. На 706 все четыре образца из форм с выступами продемонстрировали равномерное изменение распределения Sc по сплавам, и все проанализированные части образцов с пережимами с наименьшим вес.% Sc остались на уровне 2 вес.% Sc или выше.

[00141] На фиг. 8А и фиг. 8В показан аналитический способ определения состава Al-Sc в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В некоторых вариантах осуществления вес.% Sc можно анализировать с применением сканирующего устройства SEM-EDS (сканирующего электронного микроскопа с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией). Например, на фиг. 8А и 8В кругами 802А и 802В обозначена область, проанализированная с помощью SEM-EDS за одно сканирование. Были выполнены три отдельных сканирования (802А) для анализа и измерения содержания скандия в слитке с пережимами (800А). В некоторых вариантах осуществления вес.% Sc может быть выше на нижней стороне отливки формы. По мере того, как жидкий Al-Sc затвердевает в форме, более тяжелый и более плотный металл Sc может опускаться к нижней части отливки, что может привести к более высокому вес.% Sc в нижней части отливки и к более низкому вес.% Sc в верхней части отливки. Например, сканирование SEM-EDS в верхней части слитка с пережимами показало относительно более низкое вес.% Sc по сравнению со сканированием SEM-EDS нижней части слитка с пережимами. В некоторых вариантах осуществления можно собрать небольшой образец жидкого сплава Al-Sc и быстро отверждать с образованием отливки способом «разбрызгивания» (800В), и сканирование отливки способом «разбрызгивания» с помощью SEM-EDS может обеспечивать более точное обнаружение вес.% Sc в сплаве Al-Sc.

[00142] На фиг.9 показаны образцы сплава Al-Sc, полученные в результате применения различных электрических токов в восстановительный(ых) ячейке(ах) в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. В ходе экспериментов были определены два рабочих режима для получения сплавов Al-Sc без получения CF₄ или слоев шлама. Два рабочих режима представляют собой ячейку, работающую в диапазоне приблизительно 30-40 ампер, и ячейку, работающую в диапазоне приблизительно 14-18 ампер. Ячейки работали в данных рабочих режимах, например, для определения выхода тока и концентрации Sc в сплаве Al-Sc. Образцы сплава Al-Sc (902, 904, 912, 914, 918 и 920) получали с применением тока 30 А в восстановительной ячейке (например, с внутренним диаметром приблизительно 4 дюйма), из которой получали сплавы Al-Sc с приблизительно 2,7-3,3 вес.% Sc с выходом электрического тока приблизительно 45-55%. Образцы сплава Al-Sc (908 и 910) получали с применением тока 16 А в востановительной ячейке (например, с внутренним диаметром приблизительно 4 дюйма), из которой получали сплавы Al-Sc с приблизительно 2,1-2,5 вес.% Sc, при этом выход электрического тока находился в диапазоне приблизительно 18-29%. Во время циклов с 16 А наблюдали небольшое выделение газа на аноде или его отсутствие, что указывает на то, что происходила минимальная реакция электролиза. Электрический ток 30 А в восстановительной ячейке (например, с внутренним диаметром приблизительно 4 дюйма) может соответствовать плотности тока приблизительно 0,4 А/см², электрический ток 16 А в восстановительной ячейке (например, с внутренним диаметром приблизительно 4 дюйма) может соответствовать плотности тока приблизительно 0,2 А/см². В случае образцов 906 и 916 в ходе способа добавляли солевой(-ые) компонент(-ы).

[00143] Специалисту в данной области техники при изучении настоящего изобретения будет очевидно, что дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения могут быть представлены в формах, отличных от тех, которые конкретно раскрыты выше. Следовательно, описанные выше конкретные варианты осуществления следует рассматривать как иллюстративные, но не как ограничивающие. Специалисты в данной области техники определят или смогут установить, используя только стандартные эксперименты, многочисленные эквиваленты конкретных вариантов осуществления, описанных в данном документе. Несмотря на то, что настоящее изобретение было описано и проиллюстрировано в вышеупомянутых иллюстративных вариантах осуществления, следует понимать, что настоящее изобретение было выполнено только в качестве примера, и что многочисленные изменения в элементах осуществления настоящего изобретения могут быть выполнены без отхода от сущности и объема настоящего изобретения, которое ограничено только следующей формулой изобретения. Особенности раскрытых вариантов осуществления могут быть объединены и перегруппированы различными способами в пределах объема и сущности настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами, но не ограничивается примерами, содержащимися в описании выше.

1. Способ получения сплава алюминий-скандий (Al-Sc), предусматривающий комбинацию металлотермических и электролитических реакций, который включает

(a) обеспечение электролизера, содержащего ScF₃ и AlF₃ и порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF;

(b) приведение катода в контакт с электролизером, где катод содержит алюминий;

(c) приведение анода в контакт с электролизером, где металлотермическая реакция предусматривает:

(d) добавление первой порции Sc₂O₃ в электролизер, при этом ион алюминия и ион скандия вступают в реакцию с катодом с получением сплава Al-Sc; и

где электролитическая реакция предусматривает:

(e) приложение электрического тока к катоду, при этом ион алюминия и ион скандия вступают в реакцию с катодом с получением сплава Al-Sc, и при этом после обеспечения реакции иона скандия с катодом электролизер содержит ScF₃, AlF₃ и по меньшей мере один из LiF, NaF или KF, и катод содержит сплав Al-Sc.

2. Способ по п. 1, где сплав Al-Sc содержит 1-12 вес.% скандия.

3. Способ по п. 1, где сплав Al-Sc содержит 3-12 вес.% скандия.

4. Способ по п. 1, где по меньшей мере порция алюминия и скандия в катоде является жидкой.

5. Способ по п. 1, где электрический ток на катоде характеризуется плотностью тока, составляющей 0,2-1,0 А/см².

6. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов скандия и ионов алюминия, составляющего от 0:1 до 2:1, при этом предварительно определенное соотношение поддерживают путем управления электрическим током на катоде.

7. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов кислорода и ионов фтора, составляющего от 1:20 до 1:250, при этом предварительно определенное соотношение ионов кислорода и ионов фтора поддерживают путем управления электрическим током или добавления второй порции Sc₂O₃ в электролизер.

8. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов лития и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от 0,5:1 до 4:1, при этом предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции LiF.

9. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов натрия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от 0,5:1 до 6:1, при этом предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции NaF.

10. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий поддержание предварительно определенного молярного соотношения ионов калия и ионов скандия с ионами алюминия, составляющего от 0,5:1 до 6:1, при этом предварительно определенное молярное соотношение поддерживают путем добавления второй порции KF.

11. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий добавление второй порции Sc₂O₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

12. Способ по п. 11, где вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 17-38 вес.% ScF₃, 15-28 вес.% AlF₃, 43-55 вес.% NaF и 1-5 вес.% Sc₂O₃.

13. Способ по п. 11, где вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 22-45 вес.% ScF₃, 18-33 вес.% AlF₃, 31-43 вес.% LiF и 1-6 вес.% Sc₂O₃.

14. Способ по п. 11, где вторую порцию Sc₂O₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 14-32 вес.% ScF₃, 12-24 вес.% AlF₃, 51-63 вес.% KF и 1-5 вес.% Sc₂O₃.

15. Способ по п. 1, дополнительно предусматривающий добавление второй порции Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и второй порции по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF в электролизер.

16. Способ по п. 15, где вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 17-38 вес.% ScF₃, 15-28 вес.% AlF₃, 43-55 вес.% NaF и 1-5 вес.% Sc₂O₃.

17. Способ по п. 15, где вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 22-45 вес.% ScF₃, 18-33 вес.% AlF₃, 31-43 вес.% LiF и 1-6 вес.% Sc₂O₃.

18. Способ по п. 15, где вторую порцию Sc₂O₃, ScF₃, AlF₃ и вторую порцию по меньшей мере одного из LiF, NaF или KF добавляют таким образом, что электролизер содержит 14-32 вес.% ScF₃, 12-24 вес.% AlF₃, 51-63 вес.% KF и 1-5 вес.% Sc₂O₃.