熔盐电解法制备铝锆中间合金

发布时间：2020-10-09 22:19

　　 铝锆合金具有高强度、高韧性、良好的耐蚀和抗再结晶性能等优良性能,在航空航天、核能、输电线路以及高速列车等领域有广泛的应用。合金中Zr元素最经济有效的添加方式是通过Al-Zr中间合金熔配加入,然而现有的Al-Zr中间合金制备方法存在成本高及合金成分不稳定的问题。本文以此为出发点,选择在冰晶石-碳酸锆和冰晶石-氧化锆熔盐体系制备铝锆中间合金,并研究了两者溶解行为和还原过程的差异,同时设计了一套连续制备铝锆合金的装置。采用等温饱和法分析研究了碳酸锆和氧化锆在2.2NaF·AlF3-5wt%CaF2熔盐体系中的溶解行为,结果表明,980℃下,Zr(CO3)2经过1h达到溶解平衡,此时熔盐中Zr含量为3wt%,而ZrO2经过2h才能达到溶解平衡,Zr含量为l.3wt%。由此可见在溶解度和溶解速度方面,Zr(CO3)2相对于ZrO2具有很大优势。熔盐电解法制备Al-Zr中间合金具有电化学还原和铝热还原两种还原机制。研究发现,在熔盐电解槽中制备合金过程中,通电与否对合金Zr含量影响不大,但是通电能够使合金中Zr元素分布更均匀。在铝液-熔盐还原法制备铝锆中间合金过程中熔盐成分、反应时间对合金制备具有影响,研究结果表明,随着熔盐分子比的提高,ZrO2的溶解速度和溶解度均有所提高,从而增加了合金Zr含量;通过探究还原时间对Al-ZrO2和Al-Zr(CO3)2还原体系制备铝锆中间合金的影响,结果表明Al-Zr(CO3)2反应体系在还原反应速度和所制备合金Zr含量方面均有优势,所制备合金底部Zr含量最高能达到13.0wt%,合金相为Al3Zr,而合金上部Zr含量约为2wt%,与Al-ZrC2体系所制备合金相形态相似,Zr(CO3)2取代ZrO2参与铝液-熔盐还原反应进行铝锆中间合金的制备是可行的。另外,本研究设计并制造了连续型熔盐电解槽,并进行了铝锆中间合金的制备。实验结果表明,制备的铝锆中间合金中Zr元素含量在0.646-1.15%之间,合金能够顺利得到取出。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TF821
【部分图文】：

该平衡ＡＩ３Ｚｔ？相在铝基体中较为粗大，与基体不共格。这类颗粒一般由逡逑亚稳态（３＇－ＡｂＺｒ相长时间高温退火产生。Ｚｒ在铝合金中各存在形式的转变过程示逡逑意图如图１．３所示。逡逑Ｓ元素丨邋＼逦＼逦１邋Ｉ邋态Ａｌ３Ｚｒ逡逑／＾Ｆｉｒｓｔｌｉｎｇ逡逑＾生相Ａｌ３Ｚｒ￣］逦平衡态Ａｌ３Ｚｒ逡逑图１．３邋Ｚｒ元素在铝合金中存在形式的演示示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｅｖｏｌｖｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ａｐｐｅａｒａｎｃｅ邋ｏｆ邋ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｚｒ邋ｉｎ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙｓ逡逑１．４．２邋Ｚｒ元素在铝合金中的作用机理逡逑向铝合金中添加Ｚｒ元素能够提高合金的抗应力腐蚀和抗剥落（或层状）腐蚀逡逑性能，使得合金的淬火敏感性不会显著增加，同时Ｚｒ元素能够稳定合金的变形组逡逑织，使合金的综合性能得到提高。逡逑锆元素在各铝合金系列中的具体作用和影响如下［１６邋］：逡逑１）逦Ａｌ－Ｃｕ，Ａｌ－Ｌｉ，Ａｌ－Ｃｕ－Ｌｉ以及Ａｌ－Ｃｕ－Ｌｉ－Ｍｇ系合金中，加入痕量的Ｚｒ元素能逡逑够促进各强化相的形核；逡逑２）逦Ａｌ－Ｍｎ、ＡＩ－ＣＵ－Ｍｇ系合金中，Ｚｒ元素能够有效减缓时效沉淀早期阶段的进程；逡逑３）逦Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ，Ａｌ－Ｚｎ－Ｍｇ－Ｃｕ系合金中，微量的Ｚｉ？元素的作用效果更为明显，能逡逑够有效改善合金的断裂幵性、抗应力腐蚀性能和合金的强度，抑制在结晶过程逡逑的发生

晶石熔盐体系中的溶解行为，并用摄像机记录下了整个溶解过程。逡逑２．１邋Ｚｒ０２／Ｚｒ（Ｃ０３邋）２在冰晶石熔体中溶解速度测定逡逑测量溶解速度的实验装置简图如下图２．１所示。高纯石墨坩埚盛放冰晶石熔逡逑盐，搅拌桨为高纯石墨材质。为防止高温条件下熔盐挥发带来测量误差，高温加逡逑热炉上面加盖密封，炉内通入氩气形成保护气氛，同时高纯石墨坩埚上加石墨盖，逡逑进一步降低熔盐的挥发。逡逑－１５－逡逑

为２５ｍｍ的不锈钢模具中，利用油压千斤顶，在ｌＯＯＭＰａ的压力冷成型后可得到逡逑表面光滑，强度较高的氧化锆和碳酸锆生坯，备用。实验过程中所用的不锈钢模逡逑具及所得到的碱式碳酸锆压片分别如下图２．２和图２．３所示。逡逑Ｉ逡逑图２．２不锈钢模具实物图逡逑Ｆｉ＾．邋２．２邋Ｐｈｏｔｏ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｔａｉｎｌｅｓｓ邋ｍｏｄｅｌ逡逑图２．３邋Ｍ化锆／碳酸锆试样压片逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｚｒ0２／Ｚｒ（Ｃ0３）２邋ｔａｂｌｅｔ邋ｓａｍｐｌｅｓ逡逑图邋２．４邋分别为邋９８０°Ｃ邋温度下，２．２ＮａＦ，ＡｌＦ３－５ｗｔ％ＣａＦ２邋熔盐中邋Ｚｒ0２邋和邋Ｚｒ（Ｃ０３）２逡逑－１７－逡逑

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本文编号：2834281