CaC l2-LiF体系制备铝钪合金

程 涛,吕子剑,翟秀静,张明杰,涂赣峰

（1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004;2.中国铝业 河南分公司,郑州 450041）

CaC l2-LiF体系制备铝钪合金

程 涛1,2,吕子剑2,翟秀静1,张明杰1,涂赣峰1

（1.东北大学 材料与冶金学院,沈阳 110004;2.中国铝业 河南分公司,郑州 450041）

以氧化钪为原料、液态铝作阴极,在 CaC l2-L iF（80%CaC l2-0%L iF）体系中通过熔盐电解制备了铝钪 （A l-Sc）合金.实验考查了在 800℃的温度条件下,电解时间、反电动势和槽电压的影响.结果表明,氯化钙 -氟化锂体系的熔盐电解制备可制备出钪质量分数为 2%～6%的铝钪合金.采用 XRD、SEM和电子能谱分析等方法对合金样品进行了表征.结果表明,合金中连续相为铝基,间断相为 ScA l3.

CaC l2-L iF;A l-Sc合金

铝钪系列合金引起世界各国研究开发者的兴趣,这种新型铝合金结构材料将在航空、航天、舰船、兵器等国防军工尖端科技领域及高速列车、轻型汽车、自行车、体育运动器材等领域得到广泛的应用[1-3].

铝钪合金近年来更是研究应用的热点[4-6],不少专家学者都在致力于寻找一条成本低廉、环境效应好、钪回收率高的铝钪合金的生产工艺.国内外铝钪中间合金的制备方法主要有金属热还原法、对掺法和熔盐电解法等 3种方法[7-9].

本文研究在氯化钙 -氟化锂体系中,采用熔盐电解法制备铝钪合金.以液态铝为阴极,采用氧化钪为原料.研究发现,实际上电解和热还原共同作用制备了 w[Sc]=2%～6%的铝钪合金,实现了既提高氧化钪的回收率,又降低合金生产成本的目的.

1 实 验

1.1 实验原材料

实验采用的熔盐电解质体系为氯化钙 -氟化锂 （w（CaC l2）=80%,余为 L iF）,氧化钪 （Sc2O3）为原料,液态铝合金为阴极.阳极为石墨棒.

1.2 实验设备

实验过程中所采用的设备见图 1所示.

1.3 分析方法与设备

对所得合金产品分别进行成分分析、物相分析、表观形貌分析和熔点测试,所用分析测试仪器的名称和型号列于表 1.

1.4 实验操作

氯化钙 -氟化锂混合均匀后加入套有石墨坩埚的刚玉坩埚中,在坩埚炉中融化电解质.待电解质完全融化后,向电解质中加入准备好的铝合金.待合金融化下沉稳定后,向电解液中加入氧化钪,开始电解.

图 1 实验装置简图Fig.1 Expe rim en tequ ipm en t

表 1 实验分析方法与所用设备Tab le 1 Ana lysis equ ipm en t

2 结果与讨论

2.1 实验温度的确定

图 2为 CaC l2-L iF体系差热 -热重分析.由差热 -热重分析结果得出,氯化钙吸水能力强.刚开始时的失重是水分的流失.由于 800℃后物质开始挥发,故电解温度应选择 800℃以下.本实验温度定为 800℃.

2.2 电解时间对反电动势的影响

采用 2A电流,电解温度 800℃.随着电解时间的延长,槽电压和反电动势都有升高的趋势.电解反电动势和槽电压随电解时间的变化见表 2.

表 2 电解反电动势和槽电压随电解时间变化Tab le 2 E lec tro lysis tim e effec t on back EM F and ce llvo ltage

图 2 CaC l2-L iF熔盐差热 -热重曲线Fig.2 CaC l2-L iFm o lten DTA cu rve

由表 2可知,采用 2 A电流的电解过程稳定,当电解时间到达 20m in时,槽电压和反电动势分别稳定在 4.17 V和 3.38 V.

改变电流为 3 A,实验数据见表 3.

表 3 电解反电动势随槽电压电解时间变化Tab le 3 E lec tro lysis tim e effec t on back EM F and ce llvo ltage

由表 3可知,随着电解时间的延长,槽电压不断增高,反电动势也逐渐增高.

2.3 电流强度对反电动势和槽电压的影响

图 3中半正弦波波谷至虚线的距离即为反电动势的值,半正弦波的平均值为槽电压.电流分别选择为 0A,1A,2A和 3A,随着电流强度的增大,电解过程的反电动势和槽电压随之增大.

图 4为电流变化对反电动势和槽电压的影响.

反电动势稳定在 3.89 V,槽电压则随着电流的增加一直增大.

2.4 合金样品分析

（1）合金样品 SEM检测

钪质量分数为 2%的铝钪合金的 SEM照片见图 5,图中显示灰和白两部分,应该为不同的组分,采用能谱分析确定其组成.

白色相的能谱分析结果见图 6和表 4:白色相为铝钪合金.

灰色相的能谱分析结果见图 7和表 5:灰色相为金属铝.

表 4 能谱分析结果Tab le 4 Ana lysis resu lt

表 5 分析结果Tab le 5 Ana lysis resu lt

实验结果表明,氯化钙 -氟化锂熔盐可以用于生产铝钪合金,所得到得合金中钪的质量分数在2%～6%.

3 结 论

（1）以氧化钪为原料,以氯化钙 -氟化锂熔盐为电解质体系,纯铝作液态阴极,在 800℃电解制备了 w[Sc]为 2%～6%的铝钪合金.

（2）采用 XRD,SEM和电子能谱分析等方法对合金样品进行了表征.结果表明,合金金相分为两相,连续相为铝基,间断相为 ScA l3.

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Prepara tion of A l-Sc a lloys investiga ted in the system s of CaC l2-L iF

CH EN G Tao1,2,LÜZ i-jian2,ZHA IX iu-jing1,ZHANG M ing-jie1,TU Gan-feng1
（1.Schoo lofM aterials&M etallu rgy,N o rtheastern U n iversity,Shenyang 110004,China;2.H enan B ranch of Ch ina A lum inum Co.L td,Zhengzhou 450041,Ch ina）

The p reparation ofA l-Sc alloysw as investigated bo th in the system s of CaC l2-L iF bym o lten saltelectro lysis.Scand ium oxide w as used as raw m aterial;and liquid m etal A l cathode w as app lied in the CaC l2-L iF system. In condition of 800℃,the electro lysis tim e,electrodynam ic fo rce and cell vo ltagew ere investigated. Itw as found that the A l-Sc alloysp roductw ith a Sc con ten tof2%～6%Scw ere obtained.The characteristics of the alloyssam p lesw ere analyzed by XRD,SEM and EEP.Them ain phases in the alloysw erem etalA l base and ScA l3.

:CaC l2-L iF;A l-Sc alloy

TF 821

A

1671-6620（2010）01-0039-04

2009-12-31.

辽宁省基金资助 （2008S086）.

程涛 （1973—）,男,山东禹城人,中国铝业股份有限公司河南分公司高级工程师,E-m ail:chengt@china-alum.com;涂赣峰 （1964—）,男,江西赣州人,东北大学教授,博士生导师.