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熔盐电解法制备铝铈合金：工艺、性能与应用的深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

铝作为一种重要的金属材料，因其密度小、比强度高、耐腐蚀性好、加工性能优良以及易于成型等特点，在现代工业技术发展中占据着不可或缺的地位。在高技术、国防、轻工、建筑、电力通讯、交通运输等诸多领域，铝及其合金都得到了广泛应用。随着科学技术的不断进步，各行业对铝及其合金的性能提出了更高的要求，为了满足这些需求，在熔炼及其加工工艺上持续改进的同时，在铝及其合金中添加其他元素成为了改善性能的重要手段。

铈作为一种稀土元素，在冶金工业中是极为有效的添加剂。将铈作为微量元素加入铝及其合金中，具有诸多显著作用。它不仅能够细化晶粒，起到变质作用，还能改善合金的铸造性能、力学性能，增强合金的耐蚀性以及合金的蠕变性能，从而全面显著地改善和提高铝及其合金的综合性能。美国能源部橡树岭国家实验室和合作伙伴开发的新型铝铈合金，比现有产品更易于应用且更耐热。该合金高温性能的关键在于形成了一种特定的铝-铈金属间化合物，其熔点超过2000摄氏度，使得新合金在300摄氏度（572华氏度）——会导致传统合金开始崩解的温度下依然稳定，并且这种金属间化合物的稳定性有时可省去通常铝合金热处理的需要。

目前，国内生产铝铈中间合金主要存在两种方法。一种是采用混合稀土制备低含量中间合金，在铝液中直接添加稀土金属制备合金铝液，但这种方法存在成分不易控制的问题，使用时实收率不稳定，最终产品质量难以保证。另一种是采用熔盐电解法直接制备混合稀土铝合金，然而稀土含量只能控制在5％左右，并且该方法容易导致铝电解槽工艺技术条件改变，造成电解槽效率低，同时对于稀土含量要求高的稀土合金产品，使用不方便且成本高。

熔盐电解法是一种利用电能转化为化学能的过程，通过将特定金属的盐类熔融后作为电解质进行电解，以提取和提纯金属。对于一些活泼金属，如铝、钙、铍、锂、钠等，以及稀有金属，如钍、铌、锆、钽等，熔盐电解法是常用的制备方法。理想的熔盐电解质应具备较低的熔点、合适的粘度、密度、表面张力、高电导率、低挥发性和不易溶解电解产生的金属熔体等特性，通常会使用多种盐类的混合物来实现这些特性。

研究熔盐电解法制备铝铈合金具有重要的现实意义。从生产效率角度来看，相较于传统的在铝液中直接添加稀土金属制备合金铝液的方法，熔盐电解法能够实现连续作业，且设备相对简单，这有助于提高生产效率。在成本方面，熔盐电解法若能有效控制工艺参数，避免因成分控制不当导致的产品质量问题以及因电解槽工艺条件改变造成的效率降低，有望降低生产成本。从性能优化角度，通过熔盐电解法可以更精准地控制铈在铝中的含量和分布，从而更好地发挥铈对铝及其合金性能的改善作用，提高铝铈合金的综合性能，满足更多高端领域的应用需求。

1.2国内外研究现状

熔盐电解法制备铝铈合金的研究在国内外均受到广泛关注，众多学者从工艺优化、影响因素探究以及性能分析等多个角度展开研究。

在工艺研究方面，国外早期就对熔盐电解法制备合金进行了探索。例如，有研究尝试在不同的熔盐体系中进行铝铈合金的电解制备，分析不同熔盐成分对电解过程和合金质量的影响。随着研究的深入，逐渐发展出一些新的工艺思路，如采用特殊的电极结构和电解槽设计，以提高电解效率和合金的纯度。国内对于熔盐电解法制备铝铈中间合金也取得了一定成果。像包头铝业股份有限公司发明的熔盐电解法直接制备铝铈中间合金的方法，采用在铝电解槽中加入纯氧化铈稀土进行熔盐电解。通过控制纯氧化铈稀土的添加含量及添加方法、电解槽温度、电解质成分、电压、上下水平和炉底压降等参数，实现了铝铈中间合金铝锭中稀土铈含量在10％以上。具体工艺为采用槽面上直接添加纯氧化铈稀土的方法，一周内使氧化铈稀土在槽内的含量达到2-4％，两周内达到6-7％，三周内达到8-10％，一个月内达到10％以上；槽电压控制在4.25-4.45V；上水平控制在12-18cm、下水平控制在32-38cm；电解槽温度控制在940-965℃；炉低压降控制在500mv以下；电解质成分中氟化铝控制在27-28公斤/吨铝。

在影响因素研究方面，国内外学者一致认为电解温度、电流密度、极间距离和电解质的性质等因素对熔盐电解制备铝铈合金有着重要影响。有研究表明，温度过高会导致金属溶解损失加剧，增加生产成本；而温度过低则可能使电解反应速率变慢，影响生产效率。电流密度的大小会影响金属的析出速度和质量，若电流密度过大，可能会产生枝晶状的金属沉积物，影响合金的性能；电流密度过小则会降低生产效率。极间距离的变化会影响电场分布和离子迁移速度，进而影响电解过程。电解质的性质，如熔点、粘度、电导率等，也会对电解过程和合金质量产生