一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法

技术领域

本发明属于稀土铝合金材料制备领域，特别是涉及一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法。

背景技术

铝及其合金因具有优异的机械性能以及轻量的特点被广泛应用于航空、航天、汽车及船舶等工业制造中，但近年来随着生产技术的革新与发展，对铝及其合金的性能又提出来了更高的要求。

稀土元素作为“工业维生素”具有净化、调质以及微合金化的作用，能极大程度地提升金属及其合金的力学性能、光电特性以及复杂环境下的耐高温和抗腐蚀性，因此在铝合金的制备与改性中备受瞩目，具有广阔的应用前景。

现有稀土铝合金制备包括混熔和熔盐电解两种方法。前者由于稀土本身高活性以及易氧化的特性，熔炼时部分稀土金属氧化烧损，造成大量稀土资源的浪费；后者由于稀土氯化物原料成本高，需经上游氧化物转化合成，易潮解，使用前需干燥处理等原因，使得制备工艺复杂、生产成本经济性差。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法,以解决现有稀土铝合金制备工艺存在步骤复杂、成本高且不能直接利用稀土氧化物资源的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法，包括以下步骤：

S1、将一定比例的无水氯化锂和氯化钾均匀混合后进行干燥预处理，然后在保护气体环境下加热到380～580℃温度，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中加入铈的氧化物和无水氯化铝后快速搅拌形成均匀熔体，密封静置1～3h；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，进行恒电位电解，电解后产物经清洗和干燥后得到铈铝合金。

更进一步的，所述步骤S1中无水氯化锂和氯化钾的质量比为27：(29～37)。

更进一步的，所述步骤S1中干燥预处理的方式为置于氧化铝坩埚中在180～280℃加热条件下干燥6～24h。

更进一步的，所述铈的氧化物为三氧化二铈和二氧化铈中的一种或两种的混合物。

更进一步的，所述步骤S2中的搅拌方式为通过刚玉管搅拌。

更进一步的，所述步骤S2中添加铈的氧化物和无水氯化铝过程为先添加铈的氧化物后再添加无水氯化铝，且添加铈的氧化物在混合熔体中的质量分数占比为0.3％～15％。

更进一步的，所述步骤S2中铈的氧化物和无水氯化铝的质量比为3：(4～7)。

更进一步的，所述步骤S3中的恒电位电解的电位为-1.4～-2.2V，电解时长为1～8小时。

更进一步的，所述步骤S3中的清洗方式为在乙醇和水的质量比为2：(1～5)的混合液中超声清洗0.5～3h。

更进一步的，所述步骤S3中的干燥方式为在70～160℃真空环境中干燥4～12h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本制备方法采用稀土产业链上游的氧化物原料替代氯化物原料，极大地缩减了稀土资源应用于铝铈合金制备时的转化流程，高效利用稀土资源，有效降低生产成本，氧化物原料不吸潮的特性也使得操作上更为便捷；

2、本制备方法利用氯化铝辅助熔解稀土氧化物原料，通过提高熔盐中稀土离子浓度来加速反应进行，相较于传统电解制备技术，所需能耗小，更为节能；

3、本制备方法采用恒电位电解法制备铝铈合金，各合金相电解电位明确，成分可控，能够保证成品质量；

4、本制备方法有利于在各稀土及铝电解制备企业实施，此方法生产效率高、经济性好且对于大多数电解制备企业来说无需增加额外投资。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法的流程图；

图2为本发明所述的一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法在不同截止电位的循环伏安曲线；

图3为本发明所述的一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法所制备的电解产物铈铝合金的XRD图谱；

图4为本发明所述的一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法所制备的电解产物铈铝合金的扫描电镜图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

具体实施方式一：

参见附图说明本实施方式，一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法，包括以下步骤：

S1、将质量比为27：(29～37)的无水氯化锂和氯化钾均匀混合后置于氧化铝坩埚中在180～280℃加热条件下干燥6～24h从而进行干燥预处理，然后在保护气体环境下加热到380～580℃温度，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先添加铈的氧化物后再添加无水氯化铝，且添加铈的氧化物在混合熔体中的质量分数占比为0.3％～15％，添加结束后利用刚玉管搅拌进行快速搅拌形成均匀熔体，密封静置1～3h，铈的氧化物为三氧化二铈和二氧化铈中的一种或两种的混合物；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，进行恒电位电解，电解后产物经清洗和干燥后得到铈铝合金。

在本实施例中，所述步骤S2中铈的氧化物和无水氯化铝的质量比为3：(4～7)。

在本实施例中，所述步骤S3中的恒电位电解的电位为-1.4～-2.2V，电解时长为1～8小时。

在本实施例中，所述步骤S3中的清洗方式为在乙醇和水的质量比为2：(1～5)的混合液中超声清洗0.5～3h。

在本实施例中，所述步骤S3中的干燥方式为在70～160℃真空环境中干燥4～12h。

通过此方式制备铈铝合金，解决了现有稀土铝合金制备工艺存在步骤复杂的问题，同时成本低且能直接利用稀土氧化物资源进行制备，节省了预处理工艺，提高生产效率的同时降低了成本，压缩了步骤的前提下仍然能够制得性能良好的铈铝合金。

具体实施方式二：

参见附图说明本实施方式，一种稀土氧化物直接制备铈铝合金的方法，包括以下步骤：

S1、将质量比为45.1：54.9的无水氯化锂和氯化钾共60g均匀混合后置于氧化铝坩埚中，在200℃下进行12h的干燥预处理，然后将氧化铝坩埚置于充有保护气氛下的马弗炉中，加热升温到500℃，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先加入2.4g氧化铈，形成质量分数为3.8％的含铈熔体，后再加入与添加氧化铈的质量比为3：5的无水氯化铝，用刚玉管快速搅拌均匀，盖上坩埚盖密封静置1h得到均匀熔体；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，以电化学工作站为电源，在-1.98V下进行3h的恒电位电解，电解后产物在质量分数为1：1的乙醇和水的混合溶液中超声1h，后在温度为150℃的真空干燥箱中干燥5h，得到铈铝合金。

具体实施方式三：

S1、将质量比为46.4：53.6的无水氯化锂和氯化钾共60g均匀混合后置于氧化铝坩埚中，在250℃下进行8h的干燥预处理，然后将氧化铝坩埚置于充有保护气氛下的马弗炉中，加热升温到450℃，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先加入4.1g三氧化二铈，形成质量分数为6.4％的含铈熔体，后再加入与添加氧化铈的质量比为3：4的无水氯化铝，用刚玉管快速搅拌均匀，盖上坩埚盖密封静置1.5h得到均匀熔体；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，以电化学工作站为电源，在-1.9V下进行1h的恒电位电解，电解后产物在质量分数为2：1的乙醇和水的混合溶液中超声1h，后在温度为80℃的真空干燥箱中干燥4h，得到铈铝合金。

具体实施方式四：

S1、将质量比为45.5：54.5的无水氯化锂和氯化钾共60g均匀混合后置于氧化铝坩埚中，在230℃下进行18h的干燥预处理，然后将氧化铝坩埚置于充有保护气氛下的马弗炉中，加热升温到550℃，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先加入3.8g氧化铈，形成质量分数为6％的含铈熔体，后再加入与添加氧化铈的质量比为3：7的无水氯化铝，用刚玉管快速搅拌均匀，盖上坩埚盖密封静置2h得到均匀熔体；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，以电化学工作站为电源，在-2.1V下进行6h的恒电位电解，电解后产物在质量分数为1：1的乙醇和水的混合溶液中超声3h，后在温度为70℃的真空干燥箱中干燥8h，得到铈铝合金。

具体实施方式五：

S1、将质量比为47.8：52.2的无水氯化锂和氯化钾共60g均匀混合后置于氧化铝坩埚中，在210℃下进行18h的干燥预处理，然后将氧化铝坩埚置于充有保护气氛下的马弗炉中，加热升温到580℃，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先加入8.6g二氧化铈和三氧化二铈的混合物，形成质量分数为12.5％的含铈熔体，后再加入与添加氧化铈的质量比为3：4的无水氯化铝，用刚玉管快速搅拌均匀，盖上坩埚盖密封静置2.5h得到均匀熔体；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，以电化学工作站为电源，在-1.85V下进行6h的恒电位电解，电解后产物在质量分数为1：1的乙醇和水的混合溶液中超声1.5h，后在温度为120℃的真空干燥箱中干燥10h，得到铈铝合金。

具体实施方式六：

S1、将量比为45.1：54.9的无水氯化锂和氯化钾共60g均匀混合后置于氧化铝坩埚中，在180℃下进行6h的干燥预处理，然后将氧化铝坩埚置于充有保护气氛下的马弗炉中，加热升温到420℃，得到氯化锂和氯化钾的混合熔体；

S2、向混合熔体中先加入5.3g氧化铈，形成质量分数为8.1％的含铈熔体，后再加入与添加氧化铈的质量比为1：2的无水氯化铝，用刚玉管快速搅拌均匀，盖上坩埚盖密封静置2.5h得到均匀熔体；

S3、以均匀熔体为电解液，以钼棒为工作电极，以光谱级石墨棒为对电极，以银/氯化银电极为参比电极，以电化学工作站为电源，在-1.75V下进行8h的恒电位电解，电解后产物在质量分数为2：5的乙醇和水的混合溶液中超声2.5h，后在温度为160℃的真空干燥箱中干燥9h，得到铈铝合金。

上述叙述中，保护气体为高纯氮气或氩气。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。