熔盐电解法制备含稀土金属间化合物晶须及强化Mg-Li合金机理研究

As perfect crystal without defect, the whiskers with the highly oriented structure have high strength and high elongation, which is highly potential to improve the mechanical properties of Mg-Li alloys.In this proposal, on the basis of the uniform temperature dispersion which is suitalbe for the growth of crystals, the intermetallic compound whiskers are to be directly synthesized in Mg-Li alloys by a facile electrolysis route in molten salt.The high coherence of the interface between whiskers and alloys and the good compatibility are benefical to markedly enhance the mechanical properties of Mg-Li alloys. In addition, the growth mechanism, the microscopic orientation, and the distribution regularities of whiskers will be systematically investigated. Furthermore, the difference characteristic of co-electrolysis deposition between valent/non-valent rare earth ions and other ions,the formation regularity of whiskers, and the thermal effect in the microzone of the electrode interface are also to be studied in order to make clear the nature of the under potential deposition of active metal (including RE, Li) on Al, Mg surfaces.Novel Mg-Li alloys with high mechanical propterties deriving from a large amount of intermetallic compound whiskers is to be achieved by a electrolysis process in molten salt system, which is to provide the basic research results and theoretical guidance for the wide application of this kind of material.

晶须是完美晶体、无缺陷，具有很高的力学性能，镁锂合金是最轻的金属结构材料，本项目针对镁锂合金力学性能较低的特点，提出研究熔盐电解过程中利用熔盐温度场分布均匀，适于晶体生长的特性，在镁锂合金内部直接生长含RE金属间化合物晶须，利用这种晶须与合金界面结合力大，相容性良好的特性来增强镁锂合金以大幅度提高其性能，并深入研究晶须的生长习性和机理，在微观结构上进行深入分析晶须的取向和在合金中的分布规律，探索变价稀土与非变价稀土在与其他离子共电沉积的差异性特征，探寻稀土族元素与铝等共电沉积形成晶须的递变规律，进一步研究电极界面微区的热效应，在理论上诠释活泼金属离子（包括稀土和锂）在铝、镁上欠电位沉积和合金化的本质，通过熔盐电解法制备含有大量晶须的新型镁锂合金，研制出具有高弹性模量超轻金属材料，为实现超轻合金的高性能化提供科学依据。

镁基、铝基合金广泛的应用在航空航天领域、汽车领域和电子行业等。但是，硬度低、弹性模量低等缺点限制了镁基、铝基合金在各种各样领域的进一步应用。在合金中添加稀土元素能够有效的提升合金的性能。传统制备镁基、铝基合金的方法为热还原法，在本实验中采用的是熔盐电解法。首先，利用不同的电化学方法研究了La、Pr、Sm在Mg、Al阴极上的沉积机理。然后采用共电沉积法、阴极合金化法和液态阴极法制备了含有AlXRE (Al4La、Al4Sm) 金属间化合物晶须的镁基、铝基合金。在LiCl-KCl熔盐中，采用不同的电化学方法研究了稀土钐离子在Al电极上的沉积机理。在固态Al电极上，Sm与Al可形成三种金属间化合物，分别为Al2Sm、Al3Sm和Al4Sm。通过阴极合金化法制备了含有不同合金相的Al-Sm合金。在液态Al电极上，Sm与Al可形成一种金属间化合物，为Al4Sm。通过液态阴极法制备了Al-Li-Sm合金。通过调节合金冷却速度制备了含有Al4Sm金属间化合物晶须的Al-Li-Sm合金。测试了合金的显微硬度、弹性模量和腐蚀性能。结果表明，含Al4Sm金属间化合物晶须的Al-Sm合金的显微硬度提升了15%，腐蚀电位提升了2.3 %。Al–Li–Sm合金的显微硬度提升了17.1%，杨氏模量提升了4%。在液态Al阴极上，通过恒电流电解制备了含有Al4La金属间化合物晶须的Al-Li-La合金。测试了合金的显微硬度和弹性模量。测试结果表明，合金的显微硬度提升了14.13%，杨氏模量提升了4.37%。1023 K下，LiCl–KCl–MgCl2–AlCl3–LaCl3体系中采用循环伏安法、开路计时电位法、方波伏安法和计时电位法研究了Mg(II)、Li(I)、Al(III)和La(III)在惰性W电极上的共沉积机理。计时电位结果表明，当电流强度大于–190 mA时，能够实现Mg(II)、Li(I)、Al(III)和La(III)离子的共沉积。在惰性W电极上，恒电流电解制备了含有Al2La和Al11La3相的Mg–Li–Al–La合金。随后采用液态Mg为工作电极恒电流电解制备了含有Al4La金属间化合物晶须Mg–Li–Al–La合金。测试了合金的显微硬度，合金的显微硬度提升了11.68%。