熔盐电解直接制备钛铬合金的研究

    金属间化合物作为颇有开发潜力的高温结构材料已广泛引起了人们的兴趣。而Laves相是金属间化合物中最大的一族，Laves相TiCr₂是一种易在过共析成分钛铬合金中形成的金属间化合物，在1100℃仍表现出优良的抗蠕变性能，并具有很好的抗氧化能力，TiCr基合金不仅具有优良的力学性能，也具有潜在的优越储氢性能。TiCr基储氢合金最早是在80年代初期由美国Brookhaven实验室研制发现的，这类合金从发现以来就由于其复杂的氢化物组成而一直受到极大的关注。TiCr基储氢合金具有很高的储氢密度，其最大储氢质量比超过2.4%（质量分数），日本在对储氢合金的分类和发展趋势研究中将TiCr合金与Mg基储氢合金并列为第三代储氢合金。     目前TiCr合金的制备主要是以纯金属为原料，然后用粉末冶金法或高温真空熔炼法制得致密合金。由于原料海绵钛生产工艺复杂，能耗高，效率低，再加上合金化过程需要增加新的能耗，导致钛铬合金的生产成本高，因此降低钛合金的冶炼与加工成本是材料界和钛工业界一直努力追求的目标。金属氧化物的熔盐电解法是一种新的电解工艺，首先是由英国剑桥大学的Fray等在20世纪末提出的，这种方法最大的特点就是工艺简单，无污染，适用性强，可以从金属氧化物的混合物直接生产合金；该方法的设备投资少，成本有望低于传统的生产方法。围绕此方法，国际上报道了从金属氧化物中电解提取钛、铌、铬、硅等金属的研究工作。国内外对熔盐电解制备Nb₃Sn合金、TiW合金、TiNi、TiFe等有报道，而对钛铬合金还鲜有研究。本文探索用熔盐电解直接制取钛铬合金的可行性。     一、实验     （一）设备及原料     实验装置如图1所示，实验中采用电阻加热坩埚炉，并配有温度控制器，电解槽为石墨坩埚，内置于不锈钢反应器中，电解电源为WYK－3010直流稳压电源。  图1  电解实验装置简图     实验中所用的电解原料为分析纯TiO₂和Cr₂O₃；熔盐为分析纯无水氧化钙，含量＞96%，其中除含水外，其他杂质含量不超过0.5%。     电解过程在高纯氩气保护下进行，其中Ar含量＞99.999%，O₂含量＜3×10^－4%，H₂O含量＜3×10^－4%。     主要分析设备为：采用荷兰PHILIPS公司X′Pert Pro Super X射线衍射仪分析产物的物相和组成（Cu Ka靶，管电压为40kV，电流为40mA）；采用日本HITACHI S－4800场发射扫描电镜仪分析样品形貌，并配有X射线能谱仪（EDS）进行元素分析；采用美国LECO公司TC－436氮氧测定仪分析电解产物的氧含量。     （二）实验步骤     二氧化钛、氧化铬粉末按摩尔比1∶1混合后加入一定量的胶粘剂，混合均匀后，压制成直径为10mm的电极，电极成型压力4～10MPa。在室温下放置2d，使其自然干燥，然后在马弗炉中于900～1200℃温度下烧结数小时后即可用于电解实验。电解实验在如图1所示的装置中进行，以高密度石墨坩埚壁作阳极，烧结后的金属氧化物的混合物作阴极，在氩气（100ml·min^－1）保护下的氯化钙熔盐中进行电解。首先以石墨棒为阴极，石墨坩埚为阳极，在1.5V电压下进行预电解，目的是脱除熔盐中残存的水分和杂质，然后在指定的电压下进行恒压电解，电解温度控制在900℃。电解结束后，电解产物在氩气保护下炉内自然冷却至室温。     （三）样品检测     电解后的产物，用水冲洗表面后，在超声波辅助下用蒸馏水清洗夹盐，干燥后对所得样品进行SEM，EDS，XRD分析以及氧含量分析。     二、结果与讨论     （一）钛铬合金的制备     以TiO₂＋Cr₂O₃（摩尔比1∶1）为原料的电极在1050℃烧结2h所得微观结构如图2（a）所示，XRD分析结果表明电极由TiO₂和Cr₂O₃组成如图3（a），说明在烧结过程中TiO₂和Cr₂O₃并未发生化学反应。图2（b）给出了2.8V电解6h所得产物的微观结构，颗粒长大至初始电极的2倍左右，XRD分析电解产物主要为TiCr₂和少量Cr，见图3（d）。对电解产物进行DES分析，结果表明电解产物中Cr和Ti的摩尔比为1.95，考虑到分析误差，电解产物中Cr和Ti接近初始电解中原料的配比2，说明熔盐电解钛铬混合氧化物可以直接制备组成可控的钛铬合金。  图2  电解前后电极的SEM图 （a）－初始电极；（b）－2.8V电解6h电解产物  图3  初始电极以及不同时间电解产物的XRD谱     （二）恒压下钛铬合金的形成过程     为了更好地了解TiO₂和Cr₂O₃混合氧化物的还原过程，控制槽电压为2.8V，分别电解10min、1h和6h，所得产物的XRD图谱示于图3。从图中可以看出，混合氧化物的电解还原经历了从优先生成Cr到形成TiCr₂的合金化历程，根据电解不同阶段的产物组成和热力学计算，推测TiO₂和Cr₂O₃混合氧化物在还原过程中发生的主要反应如下：     1、电解10min的产物主要是Cr，CaTiO₃以及少量的CaO，见图3（b）。由于从热力学上分析Cr₂O₃比TiO₂更易还原，因此在反应初始阶段，Cr₂O₃首先被还原为Cr。在2.8V电压下进行电解，Cr₂O₃的还原机制与TiO₂的还原机制类似，也是通过氧离子化和钙热还原反应进行的，发生的反应可能为（1）～（3）。     Cr₂O₃＋6e＝2Cr＋3CO                        （1）     Ca^2＋＋2e＝Ca                               （2）     Cr₂O₃＋3Ca＝2Cr＋3CaO                      （3）     电解还原释放出大量的O^2－向阳极扩散，而熔融盐中的Ca^2＋向阴极扩散，如果氧化物阴极还原生成O^2－的速度大于O^2－向熔融盐和阳极扩散的速度，将会发生反应（4）生成CaTiO₃，因此电解产物中有CaTiO₃的存在。     Ca^2＋＋O^2－＋TiO₂＝CaTiO₃                     （4）     2、电解1h所得电解产物中有新相TiCr₂生成，同时含有Cr，如图3（c），其中含有几个未知的杂峰。由于电解实验所用的电极比较薄，仅有1mm左右，有利于钙、氧从电极中快速脱除，在电解产物中并未发现CaTiO₃。作为中间产物在还原过程中生成的CaTiO₃其寿命非常短，在随后的电解过程中，CaTiO₃在新生成的Cr微粒上反应生成TiCr₂，因而在电解产物中并未检测到CaTiO₃。随着TiCr₂合金的生成和CaTiO₃相的还原，多孔液层中CaO浓度下降，原先析出的CaO随CaTiO₃的还原逐渐熔解并迁出电极。     在电解较大的TiO₂压片时，经常发现CaTiO₃生成，由于现场钙钛矿化的发生，使固态颗粒的体积膨胀，从而缩小颗粒之间的离子传输通道，阻碍了多孔层内的离子迁移，在TiO₂压片完全电解以前，即使施加高于3.0V的电压，经常可以看到部分还原的夹心结构，但在电解TiO₂和Cr₂O₃混合氧化物电极时，由于Cr₂O₃很容易被还原为Cr，Cr的存在提高了电极的导电性，同时又增加了电极的孔隙率，因而并未发现电解TiO₂时经常出现的夹心结构。     3、电解6h所得电解产物为钛铬合金，仍然含有铬的峰。从图3可以看出当电解时间从1h延长到6h后电解产物中TiCr₂的峰增强，而Gr的峰减弱，杂峰消失。从TiCr二元系相图可以看出，室温下C15相的均匀组成为TiCr_1.75（65.5%Cr）～TiCr_1.95（68%Cr），由于原料是按TiCr₂配制，所以可能含有少量未合金化的Cr。     综上所述，本实验条件下混合氧化物还原为钛铬合金经历了如下历程：反应最先生成Cr，副产物CaO与TiO₂反应生成CaTiO₃，在随后的电解过程中生成的CaTiO₃和/或TiO₂在新生成的Cr微粒上反应生成TiCr₂合金。     （三）电解时间对电解产物氧含量的影响     为了研究电解时间对产物氧含量的影响，以TiO₂和Cr₂O₃（摩尔比1∶1）混合物小片为电极在2.8V电压下分别电解1，2，4，6和8h，图4给出了电解产物中氧含量随时间的变化。从图中可以看出，在2.8V槽电压下电解1h，电解产物中的氧含量已经从初始电极的38.81%降低到11.50%，说明在最初的1h电化学反应速度快，前1h脱除的氧占总氧量的74.56%，在电解还原反应2h后，产物中氧含量降低至0.64%，前2h脱除的氧占总氧含量的98.98%。当电解时间从2h延长到6h，电极反应速度变慢，氧含量从2h的0.64%降低到0.20%，前6h脱除的氧占总氧含量的99.68%。这可能是因为从2h后主要发生的反应是从合金的脱氧过程，因此反应变慢。在随后的电解过程中发生脱氧反应，氧含量进一步降低，但氧脱除的速度很慢。  图4  电解产物氧含量随时间的变化（电解电压2.8V，电解温度900℃，Ar100ml·min^－1）     本文仅对熔盐电解直接制备钛铬合金进行了初步研究，所采用的电解条件并非最优条件，下一步研究的重点是制备出纯净的钛铬合金，对其进行储氢性能测试和元素替代从而改进其储氢性能，并且优化电解条件以提高产品纯度和电流效率。     三、结论     （一）在熔融CaCl₂体系中，直接电解TiO₂和Cr₂O₃的混合物，在槽电压2.8V下电解6h可以得到氧含量为0.20%的钛铬合金，说明用直接电解还原法电解TiO₂和Cr₂O₃的混合物制取钛铬合金是可行的。     （二）混合氧化物的还原经历了优先生成Cr到逐步形成TiCr₂的合金化历程，反应最先生成Cr，副产物CaO与TiO₂反应生成CaTiO₃，在随后的电解过程中生成的CaTiO₃和/或TiO₂在新生成的Cr微粒上反应生成TiCr₂合金。