用质子导体氢泵对铝合金熔体深度脱氢的研究

氢可致铝合金脆裂，高品质铝合金要求氢含量不大于0.1ml/100gAl。现通用方法仅可使氢降至0.15ml/100gAl，欲进一步降低必须采用氯化物，将污染环境。本工作研究质子导体氢泵法深度脱氢，环保无污染，使氢浓度达到超低氢范围。实验采用直接合成法制备质子导体，与金属粉末合成质子-电子导体并烧制成管，对研制的材料进行性能表征。研究采用氢泵将铝合金熔体中氢经过导体管逸出。将直流电压法，质子-电子混合导体短路法结合，配同管内抽取或气流携带使两级氢分压差降至最小，使铝合金熔体深度脱氢至超低氢范围。分析高强铝合金熔体的脱氢规律和极限，包括脱氢电流与外电压，短路电流与脱氢速度，脱氢极限的关系，研究熔体脱氢过程氢泵的阴阳极及整个氢泵的阻抗，确定阻抗限制性步骤，优化改进氢泵。利用氢传感器快速检测氢含量变化。探索比较双、三及多氢泵并联的脱氢效果。研究将为无污染氢泵深度脱氢的新方法提供理论和应用依据。

氢为铝及铝合金材料中的有害元素，在铝加工生产中需要进行铝熔体脱氢。目前常用的脱氢方法易产生HCl、Cl2等有害废气，本研究提出采用高温质子导体制作的“氢泵”，进行铝液无污染脱氢。研究制备了CaZr1-xInxO3-α (x=0, 0.05, 0.1, 0.15)、CaZr1-xScxO3-α (x=0.1, 0.15)、BaZr1-xYxO3-α(x=0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3)、BaZr0.9Yb0.1O3-α、BaCe0.9Y0.1O3-α、Ba3Ca1.18Nb1.82O9-δ等多类高温质子导体及Ni-Ba3Ca1.18Nb1.82O9-δ质子-电子导体，表征了其性能，筛选出最佳材料，研制组装了可用于铝液脱氢的质子导体氢泵，分析研究了铝液脱氢的热力学及动力学过程。氢泵脱氢过程的动力学过程分析表明，当氢含量S>0.246ml/100g时，脱氢速度v=1.16×10-3 ml/(100g•min)，氢泵脱氢速度不随铝液氢含量的减少而改变，当氢含量S<0.246ml/100g时，脱氢速度v=0.0120S-0.0022 ml/(100g•min)，脱氢反应为一级反应，化学反应为脱氢速度控制步骤。氢泵脱氢实验结果表明，铝液氢含量S随外加电压的增加而降低，当脱氢电压为1.5V、2V、2.5V时，氢含量S分别为0.108 ml/100g、0.096 ml/100g、0.093ml/100g，脱氢电压为2V以上时，可以达到高品质铝材氢含量≤0.1ml/100g的要求。研究将为无污染氢泵深度脱氢的新方法提供理论和应用依据。