CN102358945B - 熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法。在电解炉内，采用金属铝为阴极，石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极；以质量比为48.9％的KCl、48.9％的LiCl和2.20％的ErCl3的混合物为电解质体系；在520℃下电解；通过控制阴极电位在-1.4V- -2.1V，在固态铝阴极上析出铒并向铝阴极内部扩散形成含有Al3Er、Al2Er、Al2Er3铝铒合金及含有Al-Li和Al3Er的铝锂铒合金。本发明通过控制阴极电位，形成的强化相Al3Er具有较高熔点和稳定的耐热性能，可以使铝铒、铝锂铒合金的强度显著提高。本发明解决了熔盐电解法生产制备铝铒合金、铝锂铒合金没有达到可以控制合金组成的现状。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种铝基合金的制备方法。具体地说是一种制备铝铒合金、铝锂铒合金的方法。
背景技术
锂(Li)是元素周期表中最轻的金属元素，密度为5.360g/cm2，在铝中每加入1％(质量比)的锂，可使合金密度降低3％，弹性模量增加约6％，加入2％的锂，密度降低10％，弹性模量提高25％～35％，这是添加其他轻金属元素所不及的。由于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成形性能，用其取代常规铝合金，可使构件质量减轻10％～15％，刚度提高15％～20％，特别是它的价格比先进的复合材料便宜得多，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。
但是，铝锂合金还存在着韧性差，各向异性明显及强度不够高等问题。为进一步改善合金的性能，各国学者通过添加微量稀土元素La、Ce等元素的方法对其进行改良，改善合金的某些性能，但依然不是最理想的合金元素。而Sc元素的添加，可以促进经历细化，提高合金再结晶温度，增加合金强度，耐蚀性和可焊接性能。但稀土Sc价格较贵，增加了成本。而Er价格比Sc低廉的多，形成的强化相Al3Er具有较高熔点和稳定的耐热性能，使合金的强度显著提高，其对晶粒的细化也比其他的稀土元素显著的多。此外，Er还能明显抑制纯铝的再结晶，并提高其耐蚀性能。因此，铒元素被认为是替代贵稀土元素Sc的理想元素。
专利申请号01134612.4、名称为“一种铝铒合金”的专利文件中记载，在铝或铝合金熔炼过程中加入经真空熔炼的Al-Er中间合金制得Er重量百分比为0.1～0.3％的铝铒合金，提高了铝及铝合金的拉伸强度、屈服强度和铝及铝合金的再结晶温度。专利申请号200810226730、名称为“稀土Er微合金化的Al-Mg-Mn-Zr合金”的专利文件中，采用半连续铸造法制备了Er重量百分比0.1～0.5％的Al-Mg-Mn-Zr合金，提高了合金的力学性能。
目前稀土铝合金的生产主要采用对掺法、熔盐电解法和热还原法。
(1)对掺法：将稀土金属、铝金属按比例高温熔融而成。该方法制得的合金，容易发生包晶反应，产生夹杂物，高温下锂、稀土烧损大。制取工艺复杂，成本高。
(2)熔盐电解法：熔盐电解法分为液态阴极法、固态阴极法和共沉积法。液态阴极法以铝液为液态阴极，以稀土氧化物为原料进行熔盐电解，制取铝稀土合金。固态阴极法又称为阴极合金化法，把金属铝作为阴极，稀土化合物作为电解质在电解过程中析出并和铝阴极合金化形成铝稀土合金。共沉积法是在电解过程中直接加入稀土化合物和铝化合物，稀土和铝 在电解过程中共沉积形成铝稀土合金。
(3)热还原法：一般选择冰晶石为电解质体系，带熔盐溶化后加入氧化稀土和铝，加热搅拌，利用铝热还原作用把稀土还原出来形成铝稀土合金。这种方法一般与液态阴极电解法结合使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生产过程简单，合金组成在生产过程中可以控制，能量消耗低的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法。
本发明的目的是这样实现的：
在电解炉内，采用金属铝为阴极，石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极；以质量比为48.9％的KCl、48.9％的LiCl和2.20％的ErCl3的混合物为电解质体系；在520℃下电解；通过控制阴极电位在-1.4V- -2.1V，在固态铝阴极上析出铒并向铝阴极内部扩散形成含有Al3Er、Al2Er、Al2Er3铝铒合金及含有Al-Li和Al3Er的铝锂铒合金。
本发明中的LiCl和KCl分别在300℃、600℃干燥处理24小时。
本发明的理论依据为当铒在铝电极上析出时，对于不同的金属间化合物，有不同的析出电位。电解过程中通过控制铝铒合金、铝锂铒合金的电极电位，在恒定电位下进行电解，即可得到不同金属间化合物的铝铒合金、铝锂铒合金。根据Al-Er相图可以看到，可以形成Al3Er、Al2Er、AlEr、Al2Er3、AlEr2五种金属间化合物，其中Al3Er、Al2Er、Al2Er3稳定存在的化合物。根据Al-Li相图可以看出，可以形成AlLi、Al2Li3和Al4Li9三种金属间化合物，其中AlLi是稳定存在的化合物。
本发明采用的是熔盐电解的方法制取铝铒合金、铝锂铒合金。与背景技术相比，不用其它元素如钙、镧、铈等元素还原重稀土铒。而且通过控制电解电位来得到含不同金属间化合物的铝铒合金、铝锂铒合金。整套工艺过程简单，对设备要求低，实验条件容易实现。
根据文献报道，在铝合金中添加Er，可以明显改善合金的铸态组织，细化枝晶组织，提高合金的硬度和抗拉强度等力学性能，同时也会增加合金的抗腐蚀性，并减轻杂质的危害。
本发明提供一种工艺简单，生产成本低的铝锂铒合金制备方法。本发明特点在于：(1)采用熔盐电解法，以固态铝为阴极，通过控制电极电位，直接得到含有不同金属间化合物的铝铒合金、铝锂铒合金。控制阴极电位在-1.4V～-1.6V和-2.1V(相对于Ag/AgCl电极)，形成的强化相Al3Er具有较高熔点和稳定的耐热性能，使合金的强度显著提高。(2)本发明的电解温度低(520℃)，远远低于ErCl3的熔点和金属Er的熔点，因此，可以延长设备的使用寿命，节省能源，降低生产成本。
附图说明
图1是实施例1-8制备的不同金属间化合物的铝铒合金、铝锂铒合金的XRD分析图。
图2－4是实例6制备的合金样品的扫描电子显微镜(SEM)照片及面扫描照片。其中：图2是SEM照片；图3是合金中Al分布的面扫描(Al K)；图4是合金中Er分布的面扫描(ErL)。
具体实施方式
下面举例对本发明做更详细地描述：
1、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.4V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
2、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.5V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
3、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.6V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
4、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.7V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和Al2Er的铝锂铒合金。
5、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.8V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和Al2Er3的铝铒合金。
6、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-1.9V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er、Al2Er和Al2Er3的铝铒合金。
7、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-2.0V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al2Er3的铝铒合金。
8、以质量比为48.9％、48.9％、2.20％的KCl+LiCl+ErCl3混合物为电解质体系，以金属铝为阴极，光谱纯石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极，电解温度为520℃，电极电位-2.1V， 经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和AlLi的铝锂铒合金。
Claims (9)
1.一种熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：在电解炉内，采用金属铝为阴极，石墨棒为阳极，Ag/AgCl为参比电极；以质量比为48.9%的KCl、48.9%的LiCl和2.20%的ErCl3的混合物为电解质体系；在520℃下电解；通过控制阴极电位在-1.4V至-2.1V，在固态铝阴极上析出铒并向铝阴极内部扩散形成含有Al3Er、Al2Er、Al2Er3铝铒合金及含有Al-Li和Al3Er的铝锂铒合金；
其中LiCl、KCl分别在300℃、600℃温度下干燥处理24小时。
2.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.4V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
3.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.5V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
4.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.6V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er的铝铒合金。
5.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.7V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和Al2Er的铝锂铒合金。
6.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.8V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和Al2Er3的铝铒合金。
7.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-1.9V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er、Al2Er和Al2Er3的铝铒合金。
8.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-2.0V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al2Er3的铝铒合金。
9.根据权利要求1所述的熔盐电解制备不同金属间化合物的铝铒或铝锂铒合金的方法，其特征是：电极电位为-2.1V，经2小时电解，在铝阴极上析出铒并向电极内部扩散形成含有Al3Er和Al-Li的铝锂铒合金。
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