Mg-Li-Sm、Al-Li-Sm、Al-Li-Y合金的熔鹽電解法制備及機理研究.pdf

1、含鋰的鎂基合金和鋁基合金是最輕的結(jié)構(gòu)材料,在航空、航天、武器裝備以及民用等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。一般來說,這些合金都是采用混熔法制備,而采用電解法制備研究較少。本論文采用熔鹽電解的方法制備鎂鋰稀土合金和鋁鋰稀土合金,并對稀土離子的熔鹽電化學(xué)還原和機理等進行了深入的研究,通過恒流電解制備了Mg-Li-Sm合金、Al-Li-Sm合金、Al-Li-Y合金,并對其工藝及產(chǎn)物進行了分析。
　　 本文主要進行了三個部分的工作:
　　

2、 1、在LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3熔鹽體系中,采用共沉積法制備了鎂鋰釤合金。首先,采用循環(huán)伏安、方波伏安等方法在LiCl-KCl-SmCl3熔鹽體系中研究了Sm(Ⅲ)的電化學(xué)還原機理,Sm(Ⅲ)的還原是分兩步進行的,在LiCl-KCl體系中,只能觀察到第一步還原反應(yīng),電極過程Sm(Ⅲ)/Sm(Ⅱ)是可逆的并且是傳質(zhì)速度步驟控制,計算了Sm(Ⅲ)的擴散系數(shù)。之后,在LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3體系中研究了鎂鋰-

3、釤合金的電化學(xué)形成過程,當(dāng)陰極電流密度達到-0.31 A·cm-2或更高的電流密度下,鎂、鋰和釤將發(fā)生共電沉積。通過恒電流電解,制取了不同相的α,α+β和β相的鎂鋰釤合金,并研究了合金成分的可控性,通過改變?nèi)埯}中氯化鎂和氯化釤濃度,可以控制合金中鎂、鋰和釤的含量。研究了合金中釤含量對合金微觀結(jié)構(gòu)及耐腐蝕性的影響,考察了電解參數(shù)對電流效率和合金成分影響,證明了共沉積法制備鎂鋰釤合金的可行性。最后,探索了在LiCl-KCl-MgCl2熔鹽體

4、系中添加Sm2PO3電解析出鎂鋰釤合金的工藝路線,實現(xiàn)了在氯化物熔鹽體系中添加氧化釤電沉積得到鎂鋰釤合金。
　　 2、在LiCl-KCl-AlCl3-Sm2O3熔鹽體系中,采用共沉積法制備了鋁鋰釤合金。首先,采用循環(huán)伏安、開路計時電位等方法在LiCl-KCl-SmCl3熔鹽體系中研究了Al-Sm合金的電化學(xué)形成過程,循環(huán)伏安顯示在-1.70 V左右出現(xiàn)了一個新的還原峰,而這個電位這要比Sm(Ⅱ)的析出電位要正得多,這是由于Sm(

5、Ⅱ)在鋁電極上存在去極化作用,欠電位沉積形成Al-Sm合金造成的。開路計時電位表明鋁釤之間可能形成了兩種比較穩(wěn)定的金屬間化合物。恒電位電解結(jié)果證明,在-1.65～-1.90 V范圍內(nèi),電解得到的合金樣品的主要由Al相和Al3Sm相組成,在更負的電位下-2.05 V電解2 h得到的合金樣品的主要由Al2Sm相、Al3Sm相組成。之后,在LiCl-KCl-AlCl3-Sm2O3熔鹽體系中研究了鋁鋰釤合金的電化學(xué)形成過程。由于氯化鋁的氯化作用

6、,氧化釤被氯化以氯化釤的形式存在,方波伏安實驗和ICP結(jié)果也驗證了上述結(jié)論。Sm(Ⅱ)在預(yù)沉積的鋁表面的欠電位沉積導(dǎo)致了Al-Sm合金的形成,隨后Li在預(yù)先沉積的Al-Sm合金上的欠電位沉積導(dǎo)致了Al-Li-Sm合金的形成,當(dāng)陰極電流密度達到-0.47 A·cm-2,鋁、鋰和釤發(fā)生共電沉積。通過恒電流電解的方法得到不同成分的鋁鋰釤合金產(chǎn)品,并研究了合金成分的可控性,通過改變氯化鋁的添加量,可以控制鋁鋰釤合金的成分。SEM-EDS結(jié)果表明

7、稀土元素Sm在合金樣品中分布均勻。
　　 3、在LiCl-KCl-AlCl3-Y2O3熔鹽體系中,采用共沉積法制備了鋁鋰釔合金。首先,采用循環(huán)伏安、方波伏安等方法在LiCl-KCl-YCl3熔鹽體系中研究了Y(Ⅲ)的電化學(xué)還原機理,Y(Ⅲ)的還原是一步轉(zhuǎn)移三個電子完成的,循環(huán)伏安顯示電化學(xué)反應(yīng)Y(Ⅲ)/Y(0)是近似可逆過程并且是傳質(zhì)速度步驟控制,計算了Y(Ⅲ)的擴散系數(shù)。在620℃～710℃溫度范圍內(nèi),Y(Ⅲ)擴散系數(shù)(D)和

8、溫度(T)之間符合阿倫尼烏斯公式。之后,在鋁電極上研究了Al-Y合金的電化學(xué)形成機理,循環(huán)伏安顯示在-1.45 V左右出現(xiàn)了一個新的還原峰,而這個電位這要比Y(Ⅲ)的析出電位要正得多,這是由于Y(Ⅲ)在鋁電極上存在去極化作用,欠電位沉積形成Al-Y合金造成的。開路計時電位曲線顯示鋁釔之間形成了兩種比較穩(wěn)定的金屬間化合物。恒電位電解結(jié)果證明,在不同電位下鋁釔之間可以形成Al3Y、Al2Y兩種金屬間化合物。最后,在LiCl-KCl-AlCl

9、3-Y2O3熔鹽體系中,研究了鋁鋰-釤合金的電化學(xué)形成過程。同樣證明是氯化鋁的氯化作用,氧化釔主要以氯化釔的形式存在,Y(Ⅲ)在預(yù)沉積的鋁表面的欠電位沉積導(dǎo)致了Al-Y合金的形成,隨后Li在預(yù)先沉積的Al-Y合金上的欠電位沉積導(dǎo)致了Al-Li-Y合金的形成,當(dāng)陰極電流密度達到-0.47 A·cm,-2鋁、鋰和釔發(fā)生共電沉積。通過恒電流電解的方法得到不同成分的鋁鋰釔合金產(chǎn)品,研究了合金成分的可控性,通過改變氯化鋁添加量,可以控制鋁鋰釔合金