本文選題：熔鹽電解　切入點(diǎn)：陰極法制備鋁合金　出處：《北京科技大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：鋁鈧鋯合金具有高強(qiáng)度、高韌性、耐蝕性、低密度、焊接性優(yōu)等特性,在航空航天工業(yè)、兵器工業(yè)、交通運(yùn)輸及民用行業(yè)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。目前生產(chǎn)Al-Sc-Zr合金主要有對摻法、金屬熱還原法、熔鹽電解法,但主要集中于制備鋁鈧、鋁鋯中間合金,生產(chǎn)工藝過程中存在鈧鋯含量波動較大、電流效率低和鈧鋯元素分布不均勻等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響鋁鈧鋯合金的應(yīng)用,而且通過中間合金熔煉配制鋁鈧鋯合金過程流程長、溫度高、生產(chǎn)成本高�；诖�,本文采用熔鹽電解法在冰晶石熔鹽中以氧化鈧和氧化鋯為原料,鋁液為陰極,直接電解制備鈧鋯含量及組織接近工業(yè)用鋁鈧鋯合金,研究結(jié)果如下：(1)通過第一原理密度泛函理論及虛擬晶體近似法對L1_2-Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)的幾何結(jié)構(gòu)以及相關(guān)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算模擬。結(jié)果表明：L1_2型Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)中Zr含量(0x0.5)增加,合金相的熱穩(wěn)定性逐漸降低,晶格常數(shù)減小體模量增加,剪切模量減小,楊氏模量減小。根據(jù)Pugh準(zhǔn)則及Cauchy壓力(C_(12)-C_(44))評判標(biāo)準(zhǔn),隨著L1_2-Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)中Zr含量增加,合金相的延展性增加。L1_2-Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)合金相理想強(qiáng)度隨著Zr含量增加而線性增大,Zr對易發(fā)生斷裂的[110]方向的理想拉伸強(qiáng)度值提升最大,而對[001]方向的延展性提升更加明顯。壓力的作用下,Zr亦有利于提高晶體的硬度及延展性。通過分析電子態(tài)密度圖和電荷密度分布圖發(fā)現(xiàn),Zr對L1_2-Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)合金相力學(xué)性能和延展性的影響可歸因于Zr的合金化導(dǎo)致價電子增多,從而增強(qiáng)了晶體中p-d共價鍵及d-d金屬鍵。因此,要獲得性能優(yōu)良的鋁鈧鋯合金,需使合金中析出相為L1_2型Al_3(Sc_(1-x)Zr_x),且其中Sc、Zr原子比應(yīng)接近1。此結(jié)果可為鋁合金中鈧鋯含量組成設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。(2)利用電化學(xué)工作站及改進(jìn)的Rapoport膨脹測試儀考察了熔鹽電解電解過程中鈧鋯離子析出行為及不同熔鹽成分對陰極材料的滲透-膨脹行為。結(jié)果表明,鈉冰晶石體系中鈧離子是一步析出還原過程,而鋯離子是分兩步還原的,且鋯離子的析出電位要比鈧離子小。另一方面,熔鹽體系中分子比、KF含量、電流密度對石墨陰極膨脹率均有影響。分子比和KF含量增加,石墨陰極的膨脹率增大,且KF對石墨陰極膨脹率增加影響最大。改變電流密度不影響最終膨脹量,電流密度越大,石墨陰極膨脹速率加快,達(dá)到飽和膨脹時間減少。通過SEM-EDS對石墨陰極進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),添加KF會加劇石墨陰極的電解質(zhì)滲透。因此選用不添加KF的鈉冰晶石(CR=2.4)作為電解制備鋁鈧鋯合金的溶劑。(3)采用液態(tài)鋁為陰極,在分子比為2.4的鈉冰晶石體系中添加氧化鈧、氧化鋯電解制備了鋁鈧鋯合金。結(jié)果表明,在恒電流條件下電解過程平穩(wěn)進(jìn)行。通過調(diào)節(jié)電解工藝參數(shù),最終制備出鈧含量為0.18%～0.53%,鋯含量為0.12%～3.27%的鋁鈧鋯合金,部分合金成分與工業(yè)用合金接近。另外通過改變合金冷凝過程,得到了含有L1_2型Al_3(Sc_(1-x)Zr_x)析出相的鋁臺金。隨著冷卻速度改變,合金的凝固組織,初生相形態(tài)明顯變化：冷卻速度為0.1℃/s的爐冷試樣和冷卻速度為1℃/s的空冷試樣的凝固組織由α-Al基體和L1_2型相及D0_(23)型相組成,此時組織晶粒尺寸較為粗大；冷卻速度約為10℃/s的淬火冷卻試樣的凝固組織由α-Al基體和L1_2型相組成,組織晶粒尺寸較小。(4)采用Image-J軟件、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡對電解制備的鋁鈧鋯合金組織進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著合金中鈧鋯含量比增加,合金平均晶粒尺寸減小。L1_2型初生相粒子在合金中均勻分布沒有成堆聚集,且是以Al_3Zr為核心具有富鋯和富鈧Al_3(Sc,Zr)層相間排列的多層結(jié)構(gòu),初生相中Sc、Zr原子比例可以通過改變合金中的鈧鋯含量來進(jìn)行調(diào)控。不同Sc、Zr原子比的L1_2-Al_3(Sc,Zr)析出相對合金組織晶粒細(xì)化效果不同。結(jié)合第一原理計(jì)算發(fā)現(xiàn),α(Al)在L1_2型Al_3(Sc,Zr)上可以形核,且更容易在Sc/Zr終止層上實(shí)現(xiàn)異質(zhì)形核。(5)在鉀冰晶石體系中,以液態(tài)鋁為陰極,考察了超聲波作用對熔鹽電解制備鋁鈧合金的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),超聲波作用能在一定程度上提高電解過程的電流效率且能改善合金中鈧元素分布。當(dāng)采用小電流密度(小于0.5A/cm~2)電解時,超聲波對合金中鈧含量提升明顯。當(dāng)施加較大電流密度(超過0.5A/cm~2)時,超聲波電解得到合金中鈧含量又趨于減少。此結(jié)果對優(yōu)化改進(jìn)熔鹽電解法制備鋁合金的工藝技術(shù)具有重要意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TF821

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1678956