熔盐电解法制备Al-Cu-Nd三元合金及机理研究

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Al-Cu系合金是铝合金材料中最有代表性的高强韧性合金,且稀土Nd也是典型的过冷元素,能够很好的细化强化合金。因此铝铜钕系合金在很多的领域得到了广泛应用。因此本论文以Na3AlF6-AlF3-MgF2-LiF- Al2O3-CuO-Nd2O3为熔盐电解质,共电沉积制备Al-Cu-Nd合金。  首先研究温度和电解质组分(C uO、Nd2O3)的加入量对电解质的物理化学性能的影响,研究结果分析得出:电导率随温度的增加而增加,密度随温度升高呈ρ(T)=6.21078-0.00339T线性关系降低,粘度随着温度增加而逐渐降低;当温度为935℃时,Nd2O3加入量为3 wt.%左右时,电导率和密度达最大值;Nd2O3加入量为2.5 wt.%粘度大最小值;且相比没有加入2 wt.% CuO的电导率值要提高近15%,粘度值要降低近9.5%。  在Na3AlF6-MgF2-LiF电解质中,分别以Al2O3、Nd2O3和Al2O3、CuO为原料,温度935℃,槽电压3.3V的条件下,制备Al-Nd和Al-Cu合金,并采用还原实验及循环伏安法研究 C u2+及Nd3+的析出机理。研究分析表明:制得稀土Nd含量为4.72 wt.%和获得纯度达95.17%的Al-Nd合金,且合金中的钕与铝合金化过程中主要是以颗粒状的Al11Nd3相弥散分布在晶界中,同时通过还原实验证实其中的Nd是可以经过 Al热还原反应过程得到;循环分析得知,Nd3+离子没有出现特征峰,故 Nd3+离子难于与 Al3+离子共电析出,但在电解过程中加入Nd2O3后Al3+离子扩散系数为D0=0.56子扩散系数D0=0.336提高接近一倍;同时可制得C u质量含量为11.51%,合金纯度可达到97.2%的Al-Cu合金,且合金中C u以环状相分布于晶界处,同时也通过还原实验论证合金形成是结合共电沉积和铝热还原两种还原过程;加入Al2O3后,由于极化作用,使得Cu电位正移其析出电位为-0.358V。  通过研究温度、电压、电解质组分对合金形成速率、组分元素的含量的影响,分析得知Al-Cu-Nd合金较佳的工艺参数,即电解温度为935℃、恒压3.3V、氧化钕的加入为3%左右,此条件下合金形成速率达到最值,合金中Cu含量达11.34%,Nd含量可达4.17%,其余为Al的含量。  在不同温度、外加电压及氧化钕加入量的条件下制备的合金,通过SEM和EDS分析得知:Nd皆以白色棒状或针状相的Al6Cu3Nd2中间化合物存在于晶界处,Cu以环状相的Al2C u及棒状相的Al6C u3Nd2中间化合存在于晶界处;进一步通过XRD分析论证了合金物相组分是由Al6C u3Nd2、Al2Cu和Al三相组成。
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