[go: up one dir, main page]

RU2811340C1 - Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием - Google Patents

Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием Download PDF

Info

Publication number
RU2811340C1
RU2811340C1 RU2023121505A RU2023121505A RU2811340C1 RU 2811340 C1 RU2811340 C1 RU 2811340C1 RU 2023121505 A RU2023121505 A RU 2023121505A RU 2023121505 A RU2023121505 A RU 2023121505A RU 2811340 C1 RU2811340 C1 RU 2811340C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
yttrium
aluminum
fluoride
electrolysis
oxide
Prior art date
Application number
RU2023121505A
Other languages
English (en)
Inventor
Алексей Владимирович Руденко
Ольга Юрьевна Ткачева
Александр Александрович Катаев
Андрей Викторович Суздальцев
Юрий Павлович Зайков
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (ИВТЭ УрО РАН)
Application granted granted Critical
Publication of RU2811340C1 publication Critical patent/RU2811340C1/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности к получению функциональных алюминиевых сплавов. Способ включает электролиз фторидно-оксидного расплава с добавками Al2O3 и Y2O3, при этом электролиз осуществляют в открытом реакторе с использованием жидкометаллического алюминиевого катода, а электролизу при температуре от 750 до 850°С подвергают фторидно-оксидный расплав следующего состава (мас.%): фторид калия (KF) - 39-60, фторид натрия (NaF) - до 15, фторид алюминия (AlF3) - 37-52, оксид алюминия (Al2O3) - до 2, оксид иттрия (Y2O3) - до 1,2. 1 пр., 1 ил.

Description

Изобретение относится к металлургии цветных металлов, в частности, к получению функциональных алюминиевых сплавов.
Сплавы и композиционные материалы на основе алюминия с различным сочетанием легирующих элементов находят все большее применение в строительстве зданий и сооружений, электротехнике, автомобилестроении, судостроении, роботостроении, аэрокосмической и других отраслях. Значительную часть требований потребителя по-прежнему обеспечивают сплавы алюминия с кремнием, однако все большее внимание уделяется улучшению тех или иных физико-механических свойств сплавов для их использования в более экстремальных условиях при больших нагрузках. Для этого в сплавы при использовании соответствующих лигатур вводят небольшие добавки (до 0.2-0.5 мас.%) таких элементов как скандий, цирконий, иттрий, иттербий и др. При этом стоимость иттрия и его соединений является одной из самых низких среди вышеперечисленных элементов.
Введение добавок иттрия приводит к повышению однородности структуры литых алюминиевых сплавов ввиду измельчения зерна и наличия фаз кристаллизационного происхождения, что обеспечивает повышение предела текучести, предела прочности, устойчивости к истиранию, повышение электропроводности, улучшение литейных свойств и других эксплуатационных характеристик сплавов, в том числе при повышенных температурах. Таким образом, разработка способов получения сплавов и лигатур алюминия с иттрием является актуальной.
Из источников патентной и научно-практической информации можно отметить, что преимущественно представляют интерес способы получения лигатур алюминия с иттрием с содержанием последнего до 30 мас.% и более. Традиционным способом получения таких лигатур является прямое сплавление иттрия с алюминием под слоем солевого флюса или без него [A novel developed grain refiner (Al-Y-B master alloys) using yttrium and KBF4 powders/ R. Xu, Q. Sun, Zh. Wang, Y. Xu, W. Ren // Russian Journal of Non-Ferrous Metals, 2018, Vol. 59, pp. 50-55]. Недостатками способа являются необходимость предварительного получения иттрия и алюминия, высокая температура процесса для достижения равномерного распределения тугоплавкого элемента (иттрий, температура плавления 1528°С) в лигатуре, а также накопление техногенных отходов в виде отработавшего солевого флюса. Все эти недостатки значительно снижают энергоэффективность процесса и его экологическую безопасность, повышая стоимость конечных продуктов - сплавов алюминия с добавками иттрия. Более эффективными представляются способы получения сплавов алюминия с иттрием с использованием в качестве источника иттрия его соединений.
Известен способ получения сплавов алюминия с иттрием, включающий нагрев алюминия с солевой композицией KF-NaF-YF3 до температуры 750°С, выдержку реакционной смеси при этой температуре и периодическом перемешивании. Дополнительно для отделения сплава алюминия, обогащенного по иттрию в виде включений интерметаллидных соединений используют центрифугирование при частоте вращения 1000-2500об/мин в течение 10 мин [Получение богатых алюминиевых лигатур, содержащих скандий, иттрий и цирконий, для цветной и черной металлургии / С.П. Яценко, В.М. Скачков, Л.А. Пасечник // Цветные металлы, 2020, №8, с. 49-55].
В результате центрифугирования образуются сплавы алюминия с иттрием при содержании последнего до 30 мас.%. Несмотря на относительно низкую температуру, способ характеризуется многостадийностью и сложностью исполнения, а также накоплением отработавшей смеси KF-NaF-YF3, содержащей продукты алюминотермического восстановления (AlF3 и др.) и продукты окисления алюминия и иттрия (Al2O3, Y2O3).
Наиболее близким к заявляемому является способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием, включающий электролиз расплава LiF-YF3-AlF3-Y2O3-Al2O3 в реакторе с атмосферой аргона с температурой 1050°С [Electrochemical co-reduction of Y(III) and Al(III) in a fluoride molten salt system and electrolytic preparation of Y-Al intermediate alloys / G. Yu, L. Zhou, F. Liu, S. Pang, D. Chen, H. Zhao, Zh. Zuo // Journal of Rare Earths, 2022, Vol. 40, pp. 1945-1952]. Способ осуществляют с использованием графитового анода и молибденового катода, при этом источниками алюминия и иттрия являются Al2O3 и Y2O3.В результате электролиза указанных расплавов при катодной плотности тока 8 А/см2был получен сплав, содержащий 92 мас.% иттрия и 8 мас.% алюминия. Снижение катодной плотности тока должно привести к повышению доли алюминия в сплаве. Преимуществом способа является возможность получения сплавов алюминия с высоким содержанием иттрия из соответствующих оксидов. Недостатками способа являются высокая температура, использование атмосферы аргона и необходимость отделения твердого осадка от остатков солей, приводящие к усложнению процесса и повышению энергозатрат.
Задачей изобретения является разработка способа электролитического получения сплавов алюминия с иттрием в реакторе без инертной атмосферы с целью его реализации в условиях промышленного производства.
Для этого предложен способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием, как и известный способ, включающий электролиз фторидно-оксидного расплава с добавками Al2O3 и Y2O3. Способ отличается тем, что электролиз осуществляют в открытом реакторе с использованием жидкометаллического алюминиевого катода, а электролизу при температуре от 750 до 850°С подвергают фторидно-оксидный расплав следующего состава (мас. %):
- фторид калия (KF): - 39-60;
- фторид натрия (NaF): - до 15;
- фторид алюминия (AlF3): - 37-52;
- оксид алюминия (Al2O3): - до 2;
- оксид иттрия (Y2O3): - до 1.2.
Сущность изобретения заключается в следующем. Электролиз расплавов вышеуказанных составов ведут при катодной плотности тока от 0.2 до 1.0А/ зависимости от температуры и состава, при этом на алюминиевом катоде могут протекать следующие реакции:
Al3+ + 3e = Al°,
Y3+ + 3e + 3Al = Al3Y,
Me+ + e = Me (где Me = K, Na),
3Me + Al3+ = Al0 + 3Me+,
12Me + Y3+ + 3Al3+ = Al3Y + 12Me+,
в результате которых на жидкометаллическом алюминиевом катоде осаждаются интерметаллидные соединения иттрия, частично растворяющиеся в алюминии с образованием сплава Al-Y с частицами интерметаллидных соединений алюминия с иттрием, преимущественно Al3Y.
На графитовом аноде происходит разряд кислородсодержащих ионов по реакциям:
O2- - 2e + C = CO,
2O2- - 4e + C = CO2.
После проведения электролиза сплав алюминия с иттрием извлекают либо сливают из электролизера, а во фторидно-оксидный расплав добавляют Y2O3и Al2O3, и расплав подвергают электролизу.
Диапазон экспериментально подобранных составов расплава обеспечивает:
- относительно высокую растворимость и скорость растворения оксидов, что позволяет вести электролиз при высоких скоростях;
- относительно низкую температуру электролиза (750-850°С);
- устойчивость расплава к гидролизу, что позволяет вести электролиз в реакторе без использования инертной атмосферы.
Технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении сплавов алюминия с иттрием при снижении температуры, снижении отходов и упрощении конструкции реактора, что приведет к снижению энергетических и материальных затрат в ходе реализации способа.
Изобретение иллюстрируется таблицей, в которой приведены результаты экспериментальной апробации способа в зависимости от параметров электролиза и состава оксидно-фторидного расплава.
Ниже приведен пример типичной реализации заявленного способа в лабораторном электролизере. Лабораторный электролизер состоит из графитового тигля, размещенного в защитном контейнере из алунда. В пространстве между графитовым тиглем и алундовым контейнером устанавливают токоподвод к донной части графитового тигля. В графитовый тигель помещают алюминий массой до 250 г и смесь KF-NaF-AlF3-Al2O3-Y2O3 необходимого состава массой до 500 г. Всю конструкцию размещают в печи сопротивления и нагревают до рабочей температуры, периодически измеряя температуру платина-платинародиевой термопарой и термопарным модулем LabView (National Instruments, США). После достижения рабочей температуры в расплавленный электролит погружали графитовый анод, и вели электролиз расплава в течение 2 часов.
По окончании электролиза из электролизера извлекают графитовый анод, а расплав и полученный сплав алюминия с иттрием сливают в графитовую изложницу. Далее сплав механически отделяют от застывшей смеси KF-NaF-AlF3-Al2O3-Y2O3, и при помощи методов спектрального анализа и сканирующей электронной микроскопии определяют общее содержание иттрия и примесей в алюминии, а также наличие и морфологию интерметаллидных соединений алюминия с иттрием.
Из данных таблицы видно влияние параметров электролиза расплавов KF-NaF-AlF3-Al2O3-Y2O3 на содержание иттрия в алюминии. В зависимости от состава расплава и условий электролиза были получены сплавы алюминия с содержанием иттрия от 0.05 до 1.06 мас.%. Согласно результатам сканирующей электронной микроскопии, полученные сплавы были представлены твердыми растворами иттрия в алюминии, а также растворами с включениями фаз интерметаллидных соединений Al3Y игольчатой формы.

Claims (6)

  1. Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием, включающий электролиз фторидно-оксидного расплава с добавками Al2O3 и Y2O3, отличающийся тем, что электролиз осуществляют в открытом реакторе с использованием жидкометаллического алюминиевого катода, а электролизу при температуре от 750 до 850°С подвергают фторидно-оксидный расплав следующего состава (мас.%):
  2. - фторид калия (KF) - 39-60;
  3. - фторид натрия (NaF) - до 15;
  4. - фторид алюминия (AlF3) - 37-52;
  5. - оксид алюминия (Al2O3) - до 2;
  6. - оксид иттрия (Y2O3) - до 1,2.
RU2023121505A 2023-08-17 Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием RU2811340C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2811340C1 true RU2811340C1 (ru) 2024-01-11

Family

ID=

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6074545A (en) * 1997-02-04 2000-06-13 Cathingots Limited Process for the electrolytic production of metals
CN1375577A (zh) * 2001-12-29 2002-10-23 中国科学院长春应用化学研究所 富钇稀土铝中间合金制备方法
JP2013209683A (ja) * 2012-03-30 2013-10-10 Hitachi Metals Ltd 希土類元素の金属および合金の製造方法
CN104109882A (zh) * 2013-04-19 2014-10-22 北京有色金属研究总院 用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺
RU2534182C1 (ru) * 2013-07-18 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Способ легирования алюминия или сплавов на его основе
CN109355682A (zh) * 2018-11-30 2019-02-19 包头铝业有限公司 一种生产铝钇合金的方法
RU2743499C1 (ru) * 2020-07-31 2021-02-19 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Термостойкий электропроводный алюминиевый сплав (варианты)

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6074545A (en) * 1997-02-04 2000-06-13 Cathingots Limited Process for the electrolytic production of metals
CN1375577A (zh) * 2001-12-29 2002-10-23 中国科学院长春应用化学研究所 富钇稀土铝中间合金制备方法
JP2013209683A (ja) * 2012-03-30 2013-10-10 Hitachi Metals Ltd 希土類元素の金属および合金の製造方法
CN104109882A (zh) * 2013-04-19 2014-10-22 北京有色金属研究总院 用于制备稀土金属及其合金的电解槽及电解工艺
RU2534182C1 (ru) * 2013-07-18 2014-11-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Способ легирования алюминия или сплавов на его основе
CN109355682A (zh) * 2018-11-30 2019-02-19 包头铝业有限公司 一种生产铝钇合金的方法
RU2743499C1 (ru) * 2020-07-31 2021-02-19 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" Термостойкий электропроводный алюминиевый сплав (варианты)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lu et al. A solid-state electrolysis process for upcycling aluminium scrap
Puga et al. Recycling of aluminium swarf by direct incorporation in aluminium melts
Suzdaltsev et al. Extraction of scandium and zirconium from their oxides during the electrolysis of oxide–fluoride melts
US20030155253A1 (en) Carbon containing Cu-Ni-Fe anodes for electrolysis of alumina
CN112143945A (zh) 一种多种复合稀土元素的高强韧性铸造铝硅合金及其制备方法
CN106381408B (zh) 一种钾冰晶石熔盐中铝热还原制备铝钪中间合金的方法
Guo et al. Molten salt electrolysis of spent nickel-based superalloys with liquid cathode for the selective separation of nickel
Mukherjee et al. CSLM study on the interaction of Nd2O3 with CaCl2 and CaF2–LiF molten melts
Bobić et al. Corrosion influence on surface appearance and microstructure of compo cast ZA27/SiCp composites in sodium chloride solution
Adnan et al. Corrosion behavior of zinc alloy based metal matrix composites reinforced with nano BN
Filatov et al. Modifying ability of an Al–Zr master alloy
RU2811340C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием
Yan et al. Synthesis of niobium aluminides by electro-deoxidation of oxides
Mahmoud et al. Influence of zirconium on the grain refinement of Al 6063 alloy
Kuz'min et al. Production of Al-Si alloys by the direct silicon reduction from the amorphous microsilica
RU2716727C1 (ru) Электролитический способ получения лигатур алюминия из оксидного сырья
Khaliq Thermodynamics and kinetics of transition metal borides formation in molten aluminium
RU2683176C1 (ru) Способ получения силуминов
Yang et al. Electrochemical reduction of Al (III) and Si (IV) in the NaF-AlF3-Al2O3-SiO2 molten salt system and preparation of homogeneous Al-Si alloys by molten salt electrolysis
RU2819113C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия со скандием
Jarvis et al. Novel Developments for Inert Anodes and Wettable Cathodes in Aluminium Electrolysis
Ding et al. Microstructure of Al-5Ti-0.6 C-1Ce master alloy and its grain-refining performance
US3951764A (en) Aluminum-manganese alloy
RU2819114C1 (ru) Способ электролитического получения сплавов алюминия с иттрием с использованием кислородвыделяющего анода
Martin Light Metals 2018