鋁電解用Al3Ti基惰性陽(yáng)極的制備及性能研究.pdf

1、自Hall和Heroult發(fā)明了鋁電解技術(shù)至今的100多年里，人們進(jìn)行了大量的研究和探索，以尋求符合鋁電解工業(yè)的惰性陽(yáng)極材料，但目前尚未找到一種能夠工業(yè)化應(yīng)用的惰性陽(yáng)極材料。
　　本文研究一種Al3Ti基合金用作惰性陽(yáng)極進(jìn)行性能測(cè)試。研究采用真空感應(yīng)熔煉法制備了Al3Ti（1＃）、Al3Ti-0.4at％Y（2＃）、Al3Ti-5at％Nb（3＃）、Al3Ti-5at％Nb-0.4at％Y（4＃）四種合金作為惰性陽(yáng)極材料。經(jīng)X-射

2、線(xiàn)衍射分析表明1＃樣品合金物相為Al3Ti;2＃樣品合金物相為Al3Ti、YAl3、 Al2Ti;3＃樣品合金物相為Al3Ti、Al2Ti、AlNb2、 AlNb3;4＃樣品合金物相為Al3Ti、Al3Nb、Al2Ti、Al2Y。出現(xiàn)Al2Ti相是由于感應(yīng)熔煉時(shí)Al元素?fù)]發(fā)所致。掃描電鏡分析表明鑄錠成分均勻。
　　對(duì)四種陽(yáng)極試樣在950℃空氣氣氛中進(jìn)行了25h至48h的恒溫氧化實(shí)驗(yàn)，對(duì)試樣的氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，發(fā)現(xiàn)Al3

3、Ti、Al3Ti-Y合金試樣的氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)遵循近似立方規(guī)律，Al3Ti-Nb、Al3Ti-Nb-Y合金試樣的氧化動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)遵循近似拋物線(xiàn)規(guī)律，表明這四種合金表面均形成致密的氧化膜，具有抗氧化性，相對(duì)來(lái)講Al3Ti和Al3Ti-Y合金試樣的抗氧化性更佳。對(duì)氧化后試樣進(jìn)行XRD和SEM分析，表明均有Al2O3膜生成，其中Al3Ti合金試樣氧化膜的主要成分為Al2O3，還有少量的TiO生成。其余三種合金試樣的氧化膜均為單一的Al2O3膜。<

4、br>　　在飽和氧化鋁濃度下對(duì)四種Al3Ti基合金陽(yáng)極及其氧化后合金陽(yáng)極進(jìn)行線(xiàn)性伏安掃描，對(duì)四種陽(yáng)極的極化曲線(xiàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，Y的添加增強(qiáng)了金屬陽(yáng)極的耐腐蝕性能，而Nb、Nb-Y相對(duì)而言稍差些。對(duì)極化曲線(xiàn)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和擬合，得到腐蝕電位、腐蝕電流、腐蝕速率等參數(shù)，發(fā)現(xiàn)氧化后的合金試樣的年腐蝕速率比未經(jīng)處理的合金試樣腐蝕速率低，添加了稀有金屬之后的Al3Ti基合金陽(yáng)極比Al3Ti合金陽(yáng)極低。
　　對(duì)四種經(jīng)6h預(yù)氧化的Al3Ti基合金試樣采

5、用電化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備在3 wt％CaF2-10wt％Al2O3-2.4NaF/AlF3電解質(zhì)體系中、950℃下進(jìn)行恒電流電解實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)在三種不同電流密度下進(jìn)行，電流密度范圍為0.7-1.0A/cm2，發(fā)現(xiàn)電解后的陽(yáng)極在小電流密度下電極腐蝕越嚴(yán)重。電解后陽(yáng)極試樣截面進(jìn)行掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)均存在厚度約為100～200μm的腐蝕層，陽(yáng)極基體與腐蝕層間存在明顯的分界線(xiàn)，與基體相比，腐蝕層結(jié)構(gòu)疏松且明顯分層，空隙的形成是由于預(yù)氧化的氧化膜較薄，未能保護(hù)

6、陽(yáng)極基體，基體中的Al、Ti發(fā)生電化學(xué)溶解和物理溶解造成的，熔鹽沿著腐蝕層外層的縫隙和內(nèi)層的孔洞深入，從而會(huì)進(jìn)一步腐蝕陽(yáng)極內(nèi)部。另外，透明槽電解實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)四種陽(yáng)極底部均有氣泡生成，氣泡體積細(xì)小，陽(yáng)極側(cè)壁的小氣泡未發(fā)生聚合直接脫離陽(yáng)極基體。透明槽實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明了Al3Ti基材料作為惰性陽(yáng)極材料的可行性。
　　對(duì)合金陽(yáng)極在1.0A/cm2的電流密度下進(jìn)行了6～8h的電解實(shí)驗(yàn)，電解質(zhì)體系為3wt％CaF2-5wt％LiF-8wt％Al2O