电沉积制备铝钛合金的研究

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Ti元素对Al及Al合金有细化作用,在Al及Al合金中加入Ti元素能有效提高Al及Al合金的强度、耐磨性、加工性、铸造性和导热性,并减小膨胀系数。在Al-Ti合金的制备方法中,传统的制备方法都需要加热,能耗较高,制备出的Al-Ti合金具有成分偏析、析氢和成本较高的缺点,而电沉积法能有效避免这些缺点,且制备出的镀层纯度高,基体不受外形限制。电沉积法常用来制备具有特殊功能的金属镀层,能有效改善金属表面的性能,如抗氧化性、抗腐蚀性、导电性和无磁性等。AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF有机溶剂体系的制备工艺成熟,电流效率高,且在制备Al-Ti合金镀层的过程中既不会影响基体材料的力学性能,也不会产生氢和腐蚀性产物,所制备的镀层纯度较高。本文在各国科研工作者对电沉积制备Al-Ti合金镀层研究的基础上,在AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF有机溶剂体系中,通过两种不同的Ti离子引入方式,采用Ti丝做阳极电沉积制备Al-Ti合金镀层和添加无水TiCl4电沉积制备Al-Ti合金镀层,利用循环伏安法和计时电流法研究电沉积Al-Ti合金镀层的反应过程,利用交流阻抗法研究电沉积Al-Ti合金镀层时电解液的导电性。研究两种Ti离子引入方式下不同影响因素对Al-Ti合金镀层质量的影响。通过SEM扫描电镜、EDS能谱分析和X射线衍射研究电沉积Al-Ti合金镀层的形貌、晶粒尺寸和含Ti量等。通过调整影响因素(Ti离子引入方式、电流密度、沉积时间、无水AlCl3添加量和无水TiCl4添加量等),制备Al-Ti合金镀层。循环伏安研究表明,AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF体系中Al离子的还原过程为Al3+→Al。AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF-Ti体系中Ti离子的还原过程为Ti4+→Ti3+→Ti2+→Ti,并在共沉积Al-Ti合金镀层之前,存在一步单独的Al离子还原过程为Al3+→Al。AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF-TiCl4体系中,Ti离子的还原过程为Ti4+→Ti3+→Ti2+→Ti。Al的沉积难度依次变大。通过交流阻抗法对不同Ti离子引入方式时和不同无水TiCl4添加量时电解液的导电性进行分析,发现AlCl3-LiAlH4-C6H6-THF-TiCl4体系的导电性最佳。采用Ti丝做阳极,电沉积制备的Al-Ti合金镀层的主要成分为Al和AlTi。Al-Ti合金镀层的晶粒尺寸随电流密度的增大而减小,含Ti量随电流密度的增大而增大。Al-Ti合金镀层的含Ti量随沉积时间的增大呈先增大后减小趋势,最佳沉积时间范围为23h时。Al-Ti合金镀层的含Ti量随无水AlCl3添加量的增大呈先增大后减小趋势,最佳无水AlCl3添加量为7.808.01g。添加无水TiCl4电沉积制备的Al-Ti合金镀层的主要成分为AlTi3、Al5Ti2和Al3Ti。Al-Ti合金镀层的晶粒尺寸随电流密度的增大而减小,含Ti量随无水TiCl4添加量的增大而增大,当无水TiCl4添加量为2.85g时(无水AlCl3和无水TiCl4的摩尔比为4:1),Al-Ti合金镀层的含Ti量为42.87wt%。Al-Ti合金镀层的晶粒尺寸随电流密度的增大而减小,含Ti量随电流密度的增大而增大,研究范围内,最佳电流密度为37.00mA/cm2时。Al镀层的晶粒有棱角,且晶粒较大,被Ti细化的Al镀层呈长条状,晶粒较小,Al-Ti合金镀层呈圆球形,晶粒较小。
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