熔鹽電解法制備鋁鋯合金的研究.pdf

1、Al-Zr合金具有許多優(yōu)異的性能，如高韌性、高塑性、高強(qiáng)度和耐蝕性等。因此，Al-Zr合金作為新型鋁合金結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于航空航天、電力、汽車及艦船等領(lǐng)域?，F(xiàn)有Al-Zr合金的制備方法具有成本高和合金成分不易控制等缺點(diǎn)，因此尋找成本低廉、合金成分穩(wěn)定并且適合大規(guī)模生產(chǎn)Al-Zr合金的方法具有重要的意義。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，研究了冰晶石-氧化鋯熔鹽為電解質(zhì)體系的物理化學(xué)性質(zhì)和熔鹽結(jié)構(gòu)，為采用鋁熱還原法和熔鹽電解法制備Al-Zr合金提供工藝基

2、礎(chǔ)和工藝條件。研究了ZrO2在冰晶石系熔鹽中的溶解度，并采用Raman光譜法研究了nNaF·AlF3(n=2.2和3)-ZrO2熔鹽體系的離子結(jié)構(gòu);研究了ZrO2對冰晶石系熔鹽物理化學(xué)性質(zhì)（初晶溫度、密度、電導(dǎo)率）的影響，優(yōu)化了熔鹽電解法制備Al-Zr合金的熔鹽電解質(zhì)組成;研究了鋯離子在熔鹽中的電化學(xué)行為，優(yōu)化了電解工藝。比較研究了采用鋁液-熔鹽還原法和熔鹽電解法制備的Al-Zr合金中Zr濃度和Al-Zr合金相的存在形式，分析了Zr的析

3、出機(jī)理，為采用熔鹽電解法大規(guī)模生產(chǎn)Al-Zr合金建立了理論基礎(chǔ)。
　　采用等溫飽和法研究了ZrO2在2.2NaF·AlF3-3mass％Al2O3-3mass％CaF2熔鹽中的溶解度，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，熔鹽中ZrO2的溶解度明顯升高。在980℃時(shí)，ZrO2在該熔鹽中的溶解度大約為5mass％。在冰晶石系熔鹽中增加CaF2含量和降低Al2O3含量均有利于提高ZrO2的溶解度。
　　采用Raman光譜法研究了nNaF·AlF3

4、(n=2.2和3)-ZrO2熔鹽體系的離子結(jié)構(gòu)，認(rèn)為ZrO2在冰晶石系熔鹽中溶解過程是ZrO2中O2-被自由F-部分取代后形成Zr-O-F離子團(tuán)結(jié)構(gòu)。
　　采用步冷曲線法研究了nNaF·AlF3(n=2.2～2.6)-3mass％Al2O3-3mass％CaF2-ZrO2熔鹽體系的初晶溫度，發(fā)現(xiàn)ZrO2的添加量在0～2mass％范圍時(shí)，電解質(zhì)中ZrO2的引入會明顯降低電解質(zhì)的初晶溫度，當(dāng)ZrO2的濃度大于2mass％時(shí)，初晶溫度的

5、變化趨于平緩，得到了該體系初晶溫度的經(jīng)驗(yàn)公式:T=920.2-16n-1.36w(ZrO2)-1.8n· w(ZrO2)+15n2+0.58w(ZrO2)2，其中T為初晶溫度，n為NaF與AlF3的摩爾比，w(ZrO2)為ZrO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
　　采用阿基米德法研究了nNaF·AlF3(n=2.2～2.6)-3mass％Al2O3-3mass％CaF2-ZrO2熔鹽體系的密度。發(fā)現(xiàn)電解質(zhì)的密度隨著溫度的升高和NaF與AlF3的摩爾

6、比的降低而降低。每添加1mass％的ZrO2，電解質(zhì)密度相應(yīng)的增加0.02g·cm-3。
　　采用固定電導(dǎo)池法研究了nNaF·AlF3(n=2.2～2.6)-3mass％Al2O3-3mass％CaF2-ZrO2熔鹽的電導(dǎo)率。發(fā)現(xiàn)每添加1mass％的ZrO2，電解質(zhì)電導(dǎo)率相應(yīng)的降低約0.02S·cm-1;電解質(zhì)電導(dǎo)率隨著NaF與AlF3的摩爾比的增加而增加;溫度升高1℃，電解質(zhì)的電導(dǎo)率大約增加0.004 S·cm-1。
　　

7、采用循環(huán)伏安、計(jì)時(shí)電位和恒電位電解法研究了2.4NaF·AlF3-4mass％CaF2-3mass％Al2O3-nZrO2(n=0～3mass％)熔鹽體系中鋯離子的還原機(jī)理。認(rèn)為，冰晶石-氧化鋯熔鹽體系中Zr4+離子還原生成Al3Zr相是分兩步完成。在-0.95V(vs.Pt)處發(fā)生Zr4++2e→Zr2+反應(yīng)，而在-1.2V(vs.Pt)形成Al3Zr相。
　　分別采用鋁液-熔鹽還原和鋁液直接還原ZrO2法制備Al-Zr合金。發(fā)

8、現(xiàn)鋁液直接還原ZrO2得到的Al-Zr合金中不同位置的Zr含量不同，但最高Zr含量僅為2.29mass％，而鋁液-熔鹽還原法制備出的Al-Zr合金中Zr含量可高達(dá)12.4mass％。說明冰晶石系熔鹽能夠溶解反應(yīng)生成物Al2O3，促進(jìn)熱還原反應(yīng)的進(jìn)一步反應(yīng)。通過XRD和SEM分析得知，反應(yīng)生成的Al-Zr合金為Al3Zr相其主要以針狀晶須或顆粒狀形式存在。采用熔鹽電解法制備了Al-Zr合金。電解2.3NaF·AlF3-5.2mass％Zr