[发明专利]一种快速凝固铝合金材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种铝合金材料及其制备方法，尤其是涉及一种快速凝固铝合金材料及其制备方法。

背景技术

钠硫电池是一种性能优异的二次电池，目前已经成为最有发展前景的静态储能电池之一，近年来在包括日本、美国、欧洲的电力系统中的应用得到快速发展，并且在输配电系统的有、无功支持以及多功能电能储存系统中有巨大的应用前景。

虽然钠硫电池近年来发展非常迅速，但也面临着很多的瓶颈和技术难点，其中硫电极容器的选择就是非常关键的一项。钠硫电池硫极容器的腐蚀是引起电池性能下降、影响电池寿命的重要因素之一。电池硫极中熔融的硫及反应产物多硫化钠具有强腐蚀性，它与金属容器能反应形成结构松散的金属硫化物，影响电池的物理及化学性能，造成电池性能退化。钠硫电池通常采用中心钠结构来获得更高的比能量密度，这样电池壳体材料又同时充当硫极的集流体，这就要求硫极集流体／壳体材料具备以下性能：1、优异的抗腐蚀性能以及长期的化学稳定性；2、足够高的电子电导率；3、对多硫化钠润湿性好，而对硫不润湿；4、足够的机械强度以及良好的可加工性；5、质量尽可能小，成本尽可能低。

目前国内生产的钠硫电池采用的是不锈钢作为硫极容器兼集流体。虽然不锈钢的高温强度较好，导电性及耐腐蚀性均暂时能满足要求。但是，不锈钢作为硫极集流体也面临许多问题：不锈钢价格较为昂贵导致成本较高，且质量大不利于钠硫电池大规模的组装、搬运。同时作为电池的集流体，厚重的不锈钢电阻率在300～350℃的工作温度下也还是偏高，导热性与导电性都有待提高。

因此，我们迫切需要在300～350℃环境下具有良好的高温力学性能、能耐硫及多硫化合物的腐蚀、具有良好导电率的金属材料作为硫极集流体材料，并且质量较小便于组装运输，同时易加工成本低廉。

金属铝是一种集流体的理想材料，它不仅价格便宜、质量轻(密度只有2.3g·cm^-3)、易加工成型，导电性也非常好(在350℃时其电阻率为ρ=6.4×10^-6Ωcm)。铝在硫及硫化物腐蚀后生成一层薄而致密的Al₂S₃保护膜，所以耐腐蚀性能优良。因此，以铝作为硫极集流体的材料，并在其表面制备耐腐蚀涂层将会使硫极容器具有很好的耐腐蚀性能，保证一定的高温力学性能，同时具有较低的电阻率，并且满足钠硫电池轻量化的要求，这将是一种很有发展前景的技术。

想要提高铝合金的耐热性能，合金中必须能够形成大量弥散分布并且具有热稳定性的析出相。由于过渡族金属元素和斓系元素合金元素在液态时固溶度高，固态时固溶度非常低并有较低的扩散系数，因此通过快速凝固技术能够有效提高这些元素在铝中的极限固溶度，在合金中能形成足够数量的弥散颗粒，形成耐热铝合金。

喷射成形是一种快速凝固技术，其特点是能够把金属的雾化过程与成型过程结合在一起，实现了大尺寸的快速凝固材料的一次成型，直接从液态金属中制取具有快速凝固组织、整体致密的高性能材料。由于喷射成形工艺大大提高了制坯过程中材料的冷却速度，因此采用喷射成形工艺制备的材料与采用传统的铸造或铸造变形加工工艺制备的材料相比，其组织明显细化、析出相更加细小且分布更弥散，并且偏析得到了有效控制，从而大幅度地提高了合金的各项力学性能，与传统的快速凝固粉末冶金工艺相比，可以直接形成成品或者半成品，省去了粉末制备、储存运输、烧结等多道生产工序，因此能有效地减少材料的氧化，并且将材料的制备成本大幅度降低。喷射成形工艺制备Al-Fe系耐热铝合金，具有避免粉末冶金过程中的氧化、工艺复杂、成本高等问题，是制备Al-Fe系合金的一种非常有潜力的方法。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有良好高温力学性能和良好的耐腐蚀性能的快速凝固铝合金材料及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种快速凝固铝合金材料，该铝合金材料成分包含：6～10wt％的铁，2～6wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-(6～10)Fe-(2～6)Re；其中Re表示混合稀土。所述的混合稀土为镧-铈混合稀土，成分包含：La32～33wt％、Ce62～63wt％，余下为F、Fe、Al、Mg、P、Cl、Zn及不可避免的杂质。

作为优选，该铝合金材料成分包含：8wt％的铁，4wt％的混合稀土，余量为铝及不可避免的杂质，按元素组成表示为Al-8Fe-4Re。