熔盐电解法制备Ti5Si3合金的研究

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钛合金是一种熔点高,密度小,抗腐蚀性好的功能材料,在各种领域都有较多的应用。Ti5Si3在钛硅系合金中熔点高(2130℃),可以在1200℃的高温下保持高强度,是一种良好的高温结构材料。目前制备Ti5Si3主要采用电弧熔炼法和粉末烧结冶金法等,这些方法不仅需要在高温下进行操作,并且较为复杂。熔盐电解法(FFC法)有诸多优势,可以在较低温度下进行反应,操作简单易行,对环境的污染小。
  本论文使用熔盐电解法,将TiO2和SiO2粉末混合后进行压片、烧结,制备成阴极,石墨棒作为阳极,研究不同条件下制备的阴极片的电解过程,得出如下结论:
  研究了阴极的制备方法,研究表明在5Mpa压力下进行压片,阴极内部孔隙较多。阴极片在较高温度和较长时间下烧结后,片中TiO2发生晶型转变,由锐钛矿型转变为金红石型。将钻孔绑样的组装方式改进为直接绑样,避免阴极片发生破裂,满足了电解实验的要求。
  研究了阴极片烧结条件对电解产物的影响。未烧结的阴极片电解后产生较多杂质,未收集到目标产物;700℃烧结的阴极片电解速率较慢,电解产物中还有未反应完全的中间产物;1000℃烧结的阴极片通过电解得到了纯目标相,确定阴极片的烧结温度为1000℃。
  研究了FFC法制备Ti5Si3的反应历程。阴极片烧结温度一致时,随着电解时间的增加,电解产物中Ti5Si3的量明显增加。当电解时间一致时,阴极片的烧结温度越高,整个电解过程中的电流越大,电解速度越快。当使用更厚的阴极片进行电解,发现电解产物的内外层物相组成不一致。外层为Ti5Si3和Ti2O3,内层为Ti5Si3、CaTiO3、Ti2O3,确定了电解反应是由外向内进行的。根据电解不同阶段的产物物相组成,确定反应历程如下:SiO2直接还原为单质Si;TiO2的反应相对复杂,先还原为Ti2O3,同时生成中间产物CaTiO3,随着电解反应地进行,CaTiO3随后电解生成Ti2O3,最后Ti2O3电解生成Ti之后与Si反应生成Ti5Si3。
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