CN109930176A - 一种熔盐制备硅镍合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔盐制备硅镍合金的方法，以NaCl‑KCl‑NaF为溶剂，以SiO₂为硅离子源，以10℃/min的升温速率至温度800℃以后恒温保温4h，以镍片为阴极，高纯石墨片为阳极，放入熔盐内在800℃下进行沉积，生成Ni₃Si。本发明方法设备简单，易于控制，且没有腐蚀性，避免强酸或强碱的使用，较为安全。

Description

一种熔盐制备硅镍合金的方法

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种熔盐制备硅镍合金的方法。

背景技术

金属间化合物Ni₃Si具有良好的耐腐蚀、抗氧化以及优异的高温力学性能和反常的R特性，是一种极具发展潜力的新型L12型高温结构材料，但其严重的室温脆性制约了其发展与应用。目前主要从微合金化、宏合金化、细化晶粒等方面来改善Ni₃Si的本征脆性，微合金化与宏合金化协同作用来解决Ni₃Si的环境脆性问题。Ni₃Si合金的主要制备工艺有熔炼法、燃烧合成法、激光熔覆法以及机械合金法等。

熔炼法是制备材料的传统工艺方式，也是目前金属间化合物Ni₃Si的主要制备方法。熔炼法易于得到成分均匀的合金，但存在设备复杂，冶炼周期长，能耗大，且难以制备粉体材料等问题；燃烧合成法是将一定配比的粉末混合均匀后压制成型，加热到其反应温度，引发自身的化学反应进行发热，使得反应维持下去，最终制得固态的Ni₃Si。燃烧合成法生产出的产品容易出现裂纹和空洞等现象；激光熔覆法是利用材料表面的声子(即晶格振动的简正模能量量子)与激光中的光子互相作用，使得高能激光束与熔覆材料在基材表面一起熔化凝结，得到性能良好的Ni₃Si熔覆层。激光熔覆法具有对基体的热变形和热损害少、无机械接触、能量消耗低等优点，但易出现涂层与基体结合不好、有裂缝、孔洞等问题；机械合金化是将按一定比例混合好的粉末在高能球磨机内进行高速研磨，粉体发生塑性变形，粉体之间经过反复的冷焊、脆断、再冷焊过程，直至达到动态平衡，得到满足要求的Ni₃Si微观结构合金。机械合金化最显著的优点是难熔金属可以不经过熔化过程而使其合金化，不用经过复杂的凝固过程，工艺流程简单。但磨球与磨罐之间的反复摩擦会造成粉体的污染，且在球磨过程中，无法添加其他粉料，操作受到限制，不够灵活。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种熔盐制备硅镍合金的方法，可以直接一步生产Ni₃Si，简单便捷。

本发明具体通过以下技术方案实现：

一种熔盐制备硅镍合金的方法，包括以下步骤：

1)分别称取定量的NaCl、KCl、NaF和SiO₂，将称量的试剂混匀研磨，置于真空干燥箱内去除水分；

2)将经过干燥的混合试剂置于管式电阻加热炉随炉升温至800℃后恒温，使硅在熔盐中达到饱和溶解平衡状态；

3)用镍丝分别把处理后的镍片和高纯石墨片与不锈钢棒连接制备电极；

4)将制作的电极置于熔盐中，使熔盐刚好浸没镍片，高纯石墨片与镍片平行相对放置，进行电沉积；

5)沉积结束后，电极随炉冷降至室温取下阴极镍片，使用蒸馏水在微波条件下进行清洗，真空干燥后即得硅镍合金。

进一步的，所述的步骤(1)中NaCl、KCl和NaF的用量按照摩尔比为1:1:2，所述的SiO₂的用量为重质量3％。

进一步的，所述的步骤(1)中真空干燥条件为：473K温度下干燥12h。

进一步的，所述的步骤(2)中升温速率为10℃/min，在800℃恒温保温4h。

进一步的，所述的步骤(3)中镍片的处理过程为：将镍片用金相砂纸(350#、500#、800#、1000#、1500#、2000#)由粗到细的顺序打磨，在氢氧化钠溶液(10％)中微波震荡5min左右，充分去除表面油脂，在稀盐酸内浸泡1～2min，除去表面残留的氧化层后用无水乙醇洗净吹干备用；

进一步的，所述的步骤(4)中电沉积条件为：在800℃下，电流密度为100～250mA·cm^-2，沉积时间为4h。

进一步的，本发明制备过程全程通氩气保护。

本发明的有益效果为：

本发明可以一步生产Ni₃Si，；设备简单，易于控制，降低生产工艺难度，同时温度控制在800℃，相较于传统方法降低能耗；此外，熔盐体系中的盐均为较为常见的盐，没有腐蚀性，避免强酸或强碱的使用，较为安全。

附图说明

图1是本发明制备方法所得产品的电镜图；

图2是本发明制备方法所得产品的成分检测图；

图3是本发明制备方法所得产品的XRD检测图。

具体实施方式

下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种熔盐制备硅镍合金的方法，以NaCl-KCl-NaF为溶剂，以SiO₂为硅离子源，在20mm×20mm×2mm的镍片上沉积硅，得到均匀，结合力良好的Ni₃Si合金层。

NaCl-KCl为完全互溶型，当NaCl-KCl摩尔比为1:1时存在最低熔点；NaCl-NaF熔盐体系在摩尔比为1:2时，存在一个共晶点，故溶剂NaCl-KCl-NaF的摩尔比固定为1:1:2。SiO₂为称量总质量的3％。

按比例将干燥12h后的分析纯试剂NaCl、KCl、NaF、SiO2充分研磨混匀后倒入刚玉坩埚，放入管式电阻加热炉内加热，以10℃/min的升温速率升到设定温度800℃以后，恒温保温4h，使硅在熔盐中达到饱和溶解平衡状态，这个过程一直有流动的氩气进行气氛保护。

以镍片为阴极，高纯石墨片为阳极，放入熔盐内在800℃下进行沉积。溶解于熔盐内的硅离子在电流的作用下，在镍片表面被还原为Si，且进一步与镍片发生反应，生成Ni₃Si。

下面结合具体的制备过程对本发明技术做进一步的解释说明。

一种熔盐制备硅镍合金的方法，具体通过以下步骤制备：

1)用天平称量摩尔比例为1:1:2的分析纯试剂NaCl、KCl和NaF，SiO₂为称量总质量的3％，所有盐的总质量为250g。将称量好的盐混匀且用玛瑙研钵研磨细化后，倒入刚玉坩埚，放置于真空干燥箱内在473K温度下干燥12h以除去试剂内残余水分；

2)将经过干燥的装有盐的刚玉坩埚，放入管式电阻加热炉随炉升温，升温速率为10℃/min，当炉子显示温度到达设定温度800℃以后，恒温保温4h，使硅在熔盐中达到饱和溶解平衡状态，这个过程一直有流动的氩气进行气氛保护；

3)在管式电阻加热炉升温和保温期间，处理镍片、和高纯石墨片和制作电极；

镍片和高纯石墨片的处理：将镍片用金相砂纸(350#、500#、800#、1000#、1500#、2000#)由粗到细的顺序打磨，然后在氢氧化钠溶液(10％)中微波清洗5min左右，充分除去表面粘附的油脂，在稀盐酸内浸泡1～2min，除去表面残留的氧化层后用无水乙醇洗净吹干。将之前经过干燥的高纯石墨片用砂纸打磨，使其表面密实平整；

4)将制作好的电极放入炉内，使熔盐刚好浸没镍片，高纯石墨片要与镍片平行相对放置。将电源与电极棒相连接，温度保持为800℃，电流密度为100～250mA·cm^-2，沉积时间为4h；

5)沉积结束后，关闭电源，使整个电极在氩气保护下随炉冷却到室温，取下阴极镍片，使用蒸馏水冲洗并浸泡数小时，除去表面粘附的熔盐，然后在蒸馏水内进行微波震荡，进一步清洁其表面，最终制得的样品在真空干燥后，隔绝空气保存，留待检测。

制备全程通氩气保护，氩气在通入炉内之前先经过装有变色硅胶的气体蒸馏塔，将氩气进行干燥。氩气由炉底部的氩气进气口通入，由炉顶的出气口排出，出气通入盛有氢氧化钠的溶液出净化后排出。炉子上下分别配有不锈钢的炉盖保证炉子的气密性，为了防止在高温环境中炉盖被氧化，炉盖内通入循化水冷却，延长炉盖的使用寿命。

如图1所示对制备得到的Ni₃Si送入电子探针显微分析仪(日本电子株式会社，JXA-823003040703)进行检测，得到样品表面镀层电镜照片。从图1中可以看出，制得的硅镍合金表面良好，质地均匀，无明显稀松多孔处。

如图2所示，对硅镍合金用电子探针显微分析仪(日本电子株式会社，JXA-823003040703)检测镀片成分，镀片上主要检测到Ni、Si元素存在，证明该方法可行。

如图3所示对硅镍合金进行XRD检测，(日本理学，Ultima IV)从图中可以看出，有硅镍合金生成。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)分别称取定量的NaCl、KCl、NaF和SiO₂，将称量的试剂混匀研磨，置于真空干燥箱内去除水分；

2)将经过干燥的混合试剂置于管式电阻加热炉随炉升温至800℃后恒温，使二氧化硅在熔盐中达到饱和溶解平衡状态；

3)用镍丝分别把处理后的镍片和高纯石墨片与不锈钢棒连接制备电极；

4)将制作的电极置于熔盐中，使熔盐刚好浸没镍片，高纯石墨片与镍片平行相对放置，进行电沉积；

5)沉积结束后，电极随炉冷却至室温取下阴极镍片，在微波条件下使用蒸馏水进行洗涤，真空干燥后即得硅镍合金。

2.根据权利要求1所述的一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中NaCl、KCl和NaF的用量按照摩尔比为1:1:2，所述的SiO₂的用量为质量百分比3％。

3.根据权利要求1所述的一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，所述的步骤(1)中真空干燥条件为：473K温度下干燥12h。

4.根据权利要求1所述的一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，所述的步骤(2)中升温速率为10℃/min，在800℃恒温保温4h。

5.根据权利要求1所述的一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，所述的步骤(3)中镍片的处理过程为：将镍片用金相砂纸由粗到细的顺序打磨，在10％氢氧化钠溶液中在微波条件下清洗5min左右，充分去除表面油脂，在稀盐酸内浸泡1～2min，除去表面残留的氧化层后用无水乙醇洗净吹干备用。

6.根据权利要求1所述的一种熔盐制备硅镍合金的方法，其特征在于，所述的步骤(4)中电沉积条件为：在800℃下，电流密度为100～250mA·cm^-2，沉积时间为4h。