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Mg-Li-Sm、Al-Li-Sm、Al-Li-Y合金的熔盐电解法制备及机理研究

2020-12-13阅读(145)

Mg-Li-Sm、Al-Li-Sm、Al-Li-Y合金的熔盐电解法制备及机理研究

论文摘要

含锂的镁基合金和铝基合金是最轻的结构材料,在航空、航天、武器装备以及民用等领域有着广泛的应用前景。一般来说,这些合金都是采用混熔法制备,而采用电解法制备研究较少。本论文采用熔盐电解的方法制备镁锂稀土合金和铝锂稀土合金,并对稀土离子的熔盐电化学还原和机理等进行了深入的研究,通过恒流电解制备了Mg-Li-Sm合金、Al-Li-Sm合金、Al-Li-Y合金,并对其工艺及产物进行了分析。本文主要进行了三个部分的工作：1、在LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3熔盐体系中,采用共沉积法制备了镁锂钐合金。首先,采用循环伏安、方波伏安等方法在LiCl-KCl-SmCl3熔盐体系中研究了Sm （Ⅲ）的电化学还原机理,Sm（Ⅲ）的还原是分两步进行的,在LiCl-KCl体系中,只能观察到第一步还原反应,电极过程Sm （Ⅲ）/Sm （Ⅱ）是可逆的并且是传质速度步骤控制,计算了Sm（Ⅲ）的扩散系数。之后,在LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3体系中研究了镁锂-钐合金的电化学形成过程,当阴极电流密度达到-0.31 A·cm-2或更高的电流密度下,镁、锂和钐将发生共电沉积。通过恒电流电解,制取了不同相的α,α+β和β相的镁锂钐合金,并研究了合金成分的可控性,通过改变熔盐中氯化镁和氯化钐浓度,可以控制合金中镁、锂和钐的含量。研究了合金中钐含量对合金微观结构及耐腐蚀性的影响,考察了电解参数对电流效率和合金成分影响,证明了共沉积法制备镁锂钐合金的可行性。最后,探索了在LiCl-KCl-MgCl2熔盐体系中添加Sm203电解析出镁锂钐合金的工艺路线,实现了在氯化物熔盐体系中添加氧化钐电沉积得到镁锂钐合金。2、在LiCl-KCl-AlCl3-Sm203熔盐体系中,采用共沉积法制备了铝锂钐合金。首先,采用循环伏安、开路计时电位等方法在LiCl-KCl-SmCl3熔盐体系中研究了Al-Sm合金的电化学形成过程,循环伏安显示在-1.70 V左右出现了一个新的还原峰,而这个电位这要比Sm（Ⅱ）的析出电位要正得多,这是由于Sm（Ⅱ）在铝电极上存在去极化作用,欠电位沉积形成Al-Sm合金造成的。开路计时电位表明铝钐之间可能形成了两种比较稳定的金属间化合物。恒电位电解结果证明,在-1.65--1.90 V范围内,电解得到的合金样品的主要由Al相和Al3Sm相组成,在更负的电位下-2.05 V电解2 h得到的合金样品的主要由Al2Sm相、Al3Sm相组成。之后,在LiCl-KCl-AlCl3-Sm203熔盐体系中研究了铝锂钐合金的电化学形成过程。由于氯化铝的氯化作用,氧化钐被氯化以氯化钐的形式存在,方波伏安实验和ICP结果也验证了上述结论。Sm（Ⅱ）在预沉积的铝表面的欠电位沉积导致了Al-Sm合金的形成,随后Li在预先沉积的Al-Sm合金上的欠电位沉积导致了Al-Li-Sm合金的形成,当阴极电流密度达到-0.47 A·cm-2,铝、锂和钐发生共电沉积。通过恒电流电解的方法得到不同成分的铝锂钐合金产品,并研究了合金成分的可控性,通过改变氯化铝的添加量,可以控制铝锂钐合金的成分。SEM-EDS结果表明稀土元素Sm在合金样品中分布均匀。3、在LiCl-KCl-AlCl3-Y2O3熔盐体系中,采用共沉积法制备了铝锂钇合金。首先,采用循环伏安、方波伏安等方法在LiCl-KCl-YCl3熔盐体系中研究了Y（Ⅲ）的电化学还原机理,Y（Ⅲ）的还原是一步转移三个电子完成的,循环伏安显示电化学反应Y（Ⅲ）/Y（0）是近似可逆过程并且是传质速度步骤控制,计算了Y（Ⅲ）的扩散系数。在620℃～710℃温度范围内,Y（Ⅲ）扩散系数（D）和温度（T）之间符合阿伦尼乌斯公式。之后,在铝电极上研究了A1-Y合金的电化学形成机理,循环伏安显示在-1.45 V左右出现了一个新的还原峰,而这个电位这要比Y（Ⅲ）的析出电位要正得多,这是由于Y（Ⅲ）在铝电极上存在去极化作用,欠电位沉积形成A1-Y合金造成的。开路计时电位曲线显示铝钇之间形成了两种比较稳定的金属间化合物。恒电位电解结果证明,在不同电位下铝钇之间可以形成A13Y、Al2Y两种金属间化合物。最后,在LiCl-KCl-AlCl3-Y2O3熔盐体系中,研究了铝锂-钐合金的电化学形成过程。同样证明是氯化铝的氯化作用,氧化钇主要以氯化钇的形式存在,Y（Ⅲ）在预沉积的铝表面的欠电位沉积导致了A1-Y合金的形成,随后Li在预先沉积的A1-Y合金上的欠电位沉积导致了Al-Li-Y合金的形成,当阴极电流密度达到-0.47 A·cm-2,铝、锂和钇发生共电沉积。通过恒电流电解的方法得到不同成分的铝锂钇合金产品,研究了合金成分的可控性,通过改变氯化铝添加量,可以控制铝锂钇合金的成分。SEM-EDS检测表明Y元素在合金样品中分布均匀。本论文采用稀土氧化物电解制备了Mg-Li-Sm合金、Al-Li-Sm合金、Al-Li-Y合金。电解过程中形成液态阴极,通过液态阴极去极化作用和合金化作用可以形成多元合金,易于实现工业化,为新合金的研究提供了一条可靠的工艺路线。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 熔盐和熔盐电化学
  • 1.1.1 熔盐简介
  • 1.1.2 熔盐电解法
  • 1.1.3 熔盐科学研究进展
  • 1.2 镁锂基合金
  • 1.2.1 镁锂合金
  • 1.2.2 镁锂稀土合金
  • 1.2.3 镁锂基合金的制备方法
  • 1.3 铝锂合金
  • 1.3.1 铝锂合金
  • 1.3.2 铝稀土合金
  • 1.3.3 铝锂稀土合金
  • 1.4 本文研究意义和主要研究内容
  • 1.4.1 研究意义
  • 1.4.2 主要研究内容
  • 第2章 实验部分
  • 2.1 试剂与仪器
  • 2.2 电解质与实验装置
  • 2.2.1 电解质的准备
  • 2.2.2 电解槽结构
  • 2.2.3 三电极体系
  • 2.3 电化学实验测试方法
  • 2.3.1 循环伏安法
  • 2.3.2 计时电位法
  • 2.3.3 方波伏安法
  • 2.4 电解样品分析
  • 2.4.1 X射线衍射（XRD）
  • 2.4.2 金相显微镜（OM）
  • 2.4.3 扫描电子显微镜（SEM）
  • 2.4.4 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）
  • 2.5 本章小结
  • 第3章 共电沉积制备镁锂钐合金
  • 3.1 Sm（Ⅲ）在LiCl-KCl熔盐体系中的电化学行为
  • 3.1.1 循环伏安
  • 3.1.2 方波伏安
  • 3.1.3 Sm（Ⅲ）/Sm（Ⅱ）电化学反应的可逆性
  • 3.1.4 扩散系数的计算
  • 2-SmCl3体系的电化学行为'>3.2 LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3体系的电化学行为
  • 3.2.1 循环伏安
  • 3.2.2 方波伏安
  • 3.2.3 计时电位
  • 2-SmCl3体系中共电沉积制备镁锂钐合金'>3.3 LiCl-KCl-MgCl2-SmCl3体系中共电沉积制备镁锂钐合金
  • 3.3.1 X射线衍射图谱分析
  • 3.3.2 金像显微镜（OM）
  • 3.3.3 扫描电子显微镜（SEM）及能谱分析（EDS）
  • 3.3.4 合金成分分析
  • 3.3.5 稀土钐的添加对合金的影响
  • 3.3.6 电解工艺
  • 2-Sm2O3体系中共电沉积制备镁锂钐合金'>3.4 LiCl-KCl-MgCl2-Sm2O3体系中共电沉积制备镁锂钐合金
  • 3.4.1 循环伏安
  • 3.4.2 恒电流电解
  • 3.5 本章小结
  • 第4章 共电沉积法制备铝锂钐合金
  • 4.1 Al-Sm合金电化学形成过程
  • 4.1.1 循环伏安
  • 4.1.2 开路计时电位
  • 4.1.3 恒电位电解
  • 3-Sm2O3体系的电化学行为'>4.2 LiCl-KCl-AlCl3-Sm2O3体系的电化学行为
  • 4.2.1 循环伏安
  • 4.2.2 方波伏安
  • 4.2.3 计时电位
  • 4.3 恒电流电解制备铝锂-钐合金
  • 4.3.1 合金成分分析
  • 4.3.2 合金样品SEM和EDS分析
  • 4.4 本章小结
  • 第5章 共电沉积制备铝锂钇合金
  • 3体系中Y（Ⅲ）离子的电化学行为'>5.1 LiCl-KCl-YCl3体系中Y（Ⅲ）离子的电化学行为
  • 5.1.1 循环伏安
  • 5.1.2 方波伏安
  • 5.1.3 Y（Ⅲ）/Y（0）电化学反应的可逆性
  • 5.1.4 扩散系数的计算
  • 5.2 Al-Y合金电化学形成过程
  • 5.2.1 循环伏安
  • 5.2.2 开路计时电位
  • 5.2.3 恒电位电解
  • 3-Y2O3体系的电化学行为'>5.3 LiCl-KCl-AlCl3-Y2O3体系的电化学行为
  • 5.3.1 循环伏安
  • 5.3.2 计时电位
  • 5.4 恒电流电解制备铝锂钇合金
  • 5.4.1 XRD
  • 5.4.2 合金样品SEM和EDS分析
  • 5.4.3 合金成分分析
  • 5.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

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