CaCl2-NaCl体系熔盐电解制备Nd-Mg、Nd-Zn合金电化学机理研究

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镁合金和锌合金具有相对密度小等特点,在航空航天、汽车等领域应用较广。稀土元素的添加,对镁合金和锌合金的各类性能有较大提升,改善耐蚀性差、高温强度低等缺点。稀土镁合金与稀土锌合金传统制备方法为对掺法,对金属纯度要求较高,成本高,易成分偏析,能耗大。熔盐电解法操作简单,操作温度较低,成本小,制得的产品成分均匀。本研究选取稀土元素钕,以质量比为67.3:32.7的CaCl2-NaCl共晶盐为电解质体系,通过添加氯化钕、氧化钕、氯化镁、氯化锌调整熔盐组成,温度873 K条件下,通过循环伏安法等暂态测试技术研究钕离子在惰性钨电极上的还原过程,研究熔盐电解制备钕镁合金和钕锌合金的电化学机理,为电解法制备稀土合金产品提供基础理论数据。温度为873 K,研究CaCl2-NaCl-Nd Cl3熔盐中Nd(Ⅲ)在钨电极上的电化学行为。Nd(Ⅲ)还原为Nd(Ⅱ),还原电位为-1.98 V;由Nd(Ⅱ)还原为金属钕,沉积在钨丝上,还原电位为-2.02 V。两个过程均受扩散控制,Nd(Ⅲ)离子的扩散系数为6.344×10-5cm2/s。计时电流研究结果表明钕在钨电极上成核方式为瞬时成核。温度为873 K,在CaCl2-NaCl-Mg Cl2体系和CaCl2-NaCl-Zn Cl2体系分别加入Nd Cl3,研究钨电极上钕离子与镁离子、钕离子与锌离子两类共沉积的电化学过程。Mg(Ⅱ)的还原峰电位为-1.56 V,Nd-Mg金属间化合物的还原电位为-1.82 V。锌离子的还原电位为-0.47 V。存在3对氧化还原信号,对应钕锌合金的形成,还原峰电位分别为-1.25 V、-1.65 V、-1.70 V。采用等温饱合法测量氧化钕在CaCl2-NaCl熔盐873 K的溶解度,加入Mg Cl2或Zn Cl2都提高了氧化钕的溶解度,从热力学角度分析了溶解机理。在CaCl2-NaCl-Mg Cl2体系和CaCl2-NaCl-Zn Cl2体系分别加入Nd2O3,采用循环伏安、方波伏安等方法在温度为873 K研究在钨电极上钕离子与镁离子、钕离子与锌离子共沉积的电化学过程。在CaCl2-NaCl-Mg Cl2-Nd2O3体系以-1.76 V恒电位电解4 h,电沉积产物中钕镁合金主要以Mg12Nd和Mg41Nd5形式存在。873 K时,在CaCl2-NaCl-Zn Cl2-Nd2O3熔盐中,在钨电极上施加-1.72 V电解4 h。电沉积产物中钕锌合金主要以Nd3Zn11形式存在。
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