熔盐电解法制备Al-Zr/Al-Ti合金及Al3Zr/Al3Ti的研究

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金属间化合物具有比传统合金比重轻、强度和硬度高于传统合金;抗磨损、高温力学性能和抗氧化性能接近于陶瓷。这些优异的性能使得金属间化合物结构材料有望服役于苛刻的环境,引起国内外学者的广泛关注。近十年多来,铝金属间化物已经在工业中获得广泛的应用,例如:航空发动机叶片和石化工业的炉管等普遍采用了铝金属间化物作为基础材料和涂层。目前,国内外制备铝金属间化合物的工艺方法主要有物理气相沉积、低能球墨机械合金化、磁控溅射、电弧炉熔炼、挤压变形热扩散及多元共渗等制备技术。制备方法直接影响着金属间化合物的结构、性能以及应用。随着科学技术的发展,金属间化合物的制备方法虽然不断得到革新,向着多样化和多元化发展,但仍然存在着主要以金属为原料,氧化损失大,成型困难,制备过程中易形成缺陷等问题。本课题以此为出发点,进行了以熔盐电解制备铝锆合金、铝钛合金为基,浸出合金中的Al3Zr、Al3Ti金属间化合物的研究。采用熔盐电解法制备Al-Zr合金并对其作为石墨阳极抗氧化涂覆层进行了研究。结果表明,以2.6NaF·AlF3-5wt%C aF2-5wt%ZrO2-Al为熔盐电解质体系制备得到的Al-Zr合金中Zr元素成分分布极其不均匀,上部Zr元素含量为1.77wt%,合金下部Zr元素含量为1 1.2wt%,Zr元素成分偏析是由于重力和电磁场共同作用的结果;电解过程中,反电动势随着电流密度的增加而增加,槽电压由于电解质结壳先升高后降低并逐渐保持平稳;合金中Al3Zr存在形式主要为针状和方形小颗粒状,针状Al3Zr为合金缓冷析出;Al-Zr合金作为石墨阳极的涂覆层具有优良的抗氧化性,且合金对石墨具有良好的润湿性,涂覆效果较好。对得到的Al-Zr合金下部进行取样,采用碱浸的方法提取合金中的Al3Zr金属间化合物。分析发现,合金碱浸的本质是铝碱反应,生成Al(OH)4-,Al3Zr不与NaOH溶液和HCl溶液反应,5mol/L的NaOH溶液75℃恒温碱浸后得到的滤样主要为Al3Zr,再经HCl溶液超声洗涤后可得到杂质较少、颗粒均匀的Al3Zr晶粒。研究电解工艺(分子比、电流密度、合金冷却方式)对电解产物Al3Zr颗粒含量及表面形貌的影响。研究发现,随着分子比的增大熔盐中Zr的溶解增加,Al3Zr含量增加;电流密度增大和炉外冷却方式对Al3Zr颗粒晶粒产生影响,Al3Zr晶粒平均尺寸在32.75μm。在熔盐电解和碱浸得到Al3Zr的基础上,尝试熔盐电解Al-Ti合金及浸出合金中的Al3Ti。研究表明,不同分子比电解质中TiO2溶解度不同,960℃时TiO2在分子比为4.5的碱性冰晶石电解质中的溶解度达到5.1 wt%,且实验后熔盐中不存在亚冰晶石相;在此体系下制备的Al-Ti合金与熔盐及石墨坩埚润湿性差,易于分离,不同于Al-Zr合金上下部元素含量偏差较大,Al-Ti合金上下部Ti元素含量虽存在偏差,但偏差较小;Al3Ti在Al-Ti合金中的存在形式为针状和不规则块状;采用2mol/L的HCl溶液浸出可以获得Al-Ti合金中层片状结构的Al3Ti金属间化合物,厚度约为10μm的,平均粒度为64.73μm。
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