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熔盐电解直接制备铝锂镨合金及其电化学行为

刘金峰  
【摘要】:随着航空事业的发展,对轻质材料的需求极为迫切。与常规铝合金相比,铝锂合金具有低密度、高比强度、高比刚度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和卓越的超塑性能等一系列优点,造价比树脂基复合材料要低,被认为是21世纪航空航天工业最理想的轻质高强结构材料。稀土元素添加到合金中可以净化杂质、提高合金塑性、强度、刚度以及耐腐蚀等性能,稀土在铝合金中有着广泛的应用。通常工业上制备铝锂合金一般都采用铸锭冶金法和粉末冶金法。本文以化合物为原料,采用熔盐电解法一步直接制备铝锂稀土合金,并对金属离子的电化学行为进行了深入的研究。 本文研究了在LiCl-KCl-AlCl3和LiCl-KCl熔盐体系中铝离子和锂离子的电化学行为及合金的制备过程。在循环伏安曲线中,低的扫描速率下铝离子的阴极还原峰电位不随扫速变化而变化,但在较高扫描速率下峰值电位发生了偏移,这说明铝离子的氧化还原过程是准可逆的,在进一步对峰电流与扫速的关系分析得出铝离子的还原过程为扩散控制步骤。方波伏安法得出铝离子的还原过程为一步三电子反应。通过计时电流和计时电位的分析进一步佐证了循环伏安得出的结论,即铝离子还原过程为扩散控制步骤。计时电位和计时电流两种电化学方法得出的扩散系数分别为2.34×10-5cm2·s-1和9.0×10-5cm2·s-1。随着铝离子的浓度增大,铝离子还原生成金属铝的电位向正方向移动。在对锂离子的电化学行为研究中,通过计时电位的分析得出阴极还原反应是不可逆的过程。对铝锂合金进行X射线衍射(XRD)分析后表明,合金中主要存在Al2Li3, Al4Li9和β-Li相三种成分,通过调节电流密度可以改变合金的组成成分。扫描电子显微镜(SEM)和EDS分析表明,电解产物中的铝元素在合金中的分布不太均匀。ICP分析表明,铝锂合金中铝锂含量可以通过调节电流密度和氯化铝的浓度得到所需要合金产物。 本文还研究了LiCl-KCl-AlCl3-Pr6O11熔盐体系中镨离子的电化学行为及稀土合金的制备过程。由于Pr6O11在LiCl-KCl熔盐中的溶解度很小,直接电解有很大的困难,几乎不能将其电解出来,但是在有AlCl3存在下,Pr6O11与AICl3反应使得Pr6O11能够部分氯化,增大了Pr6O11在熔盐中的溶解度,使得金属镨得以电解出来与之形成合金。在对不同扫速循环伏安曲线进行分析,得出Pr(Ⅲ)离子氧化还原行为是准可逆的,更进一步的分析表明镨离子还原过程为扩散控制步骤。通过方波伏安得出镨离子的还原过程为一步三电子反应,并与金属铝形成Pr-Al合金。对合金进行SEM和EDS分析表明合金中主要是由灰色和较暗的黑色两个区域组成,灰色区域主要为Pr3Al11金属间化合物,而较暗的黑色区域是由于形成了Al相和Al-Li金属间化合物。进一步面扫描分析得出在合金中Al元素的分布比较均匀,而Pr元素的分布不太均匀。


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