Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Россия:

А. А. Филатов, младший научный сотрудник лаборатории материалов и устройств для экологически чистой энергетики, эл. почта: fill.romantic@yandex.ru

Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, Екатеринбург, Россия:
А. В. Суздальцев, зав. лабораторией радиохимии, канд. хим. наук, эл. почта: suzdaltsev_av@mail.ru
Ю. П. Зайков, профессор, научный руководитель, докт. хим. наук, эл. почта: zaikov@ihte.uran.ru

Выполнен краткий обзор современных промышленных и экспериментальных способов синтеза алюмоциркониевых лигатур. Рассмотрены основные закономерности протекающих процессов, а также свойства получаемых лигатур, оценены технико-экономические показатели и перспективы развития рассмотренных технологий. Приведена сравнительная оценка ключевых параметров наиболее перспективных технологий для промышленного применения, оценено влияние температуры, режима синтеза и вида исходного сырья на рентабельность процесса. Более детально рассмотрены алюмино-термические и электролитические способы синтеза лигатур, учтены взгляды других авторов на кинетику протекающих процессов, представлен обзор влияния состава электролита и режима электролиза на структуру и свойства производимых сплавов. Сделан вывод, что наряду с действующими способами прямого сплавления металлов и алюминотермического синтеза перспективным представляется получение лигатур при электролизе оксидно-фторидных расплавов KF – NaF – AlF₃ с использованием оксида циркония в качестве основного металлсодержащего сырья.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-33-90144.

1. Belov N. A., Alabin A. N., Matveeva I. A., Eskin D. G. Effect of Zr additions and annealing temperature on electrical conductivity and hardness of hot rolled Al sheets // Trans. Nonferrous Metals Society of China. 2015. Vol. 25, Iss. 9. P. 2817–2826.
2. Brodova I. G., Bashlykov D. V., Manukhin A. B., Stolyarov V. V., Soshnikova E. P. Formation of nanostructure in rapidly solidified Al – Zr alloy by severe plastic deformation // Scripta Materialia. 2001. Vol. 44, No. 8-9. P. 1761–1764.
3. Belov N. A., Alabin A. N., Teleuova A. R. Comparative analysis of alloying additives as applied to the production of heat-resistant aluminum-base wires // Metal Science and Heat Treatment. 2012. Vol. 53. P. 455–459.
4. Огородов Д. В., Попов Д. А., Трапезников А. В. Способы получения лигатуры Al – Zr (обзор) // Труды ВИАМ. 2015. № 11. C. 2–11.
5. Напалков В. И., Махов С. В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. — М. : МИСиС, 2002. — 374 с.
6. Пат. 2232827 РФ. Способ приготовления лигатуры алюминий – тугоплавкий металл / Знаменский Л. Г. ; заявл. 03.02.2003 ; опубл. 20.07.2004.
7. Агафонов С. Н., Красиков С. А., Ведмидь Л. Б., Жидовинова С. В., Пономаренко А. А. Металлотермическое восстановление циркония из оксидов // Цветные металлы. 2013. № 12. С. 66–70.
8. Pat. 105274372 CN. Method for preparing aluminum-zirconium alloy / Bao X., Ye D., Li X., Zhu Z., Li H.; published. 2016.01.27.
9. Pat. 104388713 CN. Preparation method of aluminumzirconium alloy / Bao X., Li X., Hu T., Chen Q., Fan Zh.; published. 2015.03.04.
10. Liu F., Ding Ch., Tao W., Hu X., Gao B., Shi Zh., Wang Zh. Preparation of aluminum-zirconium master alloy by aluminothermic reduction in cryolite melt // JOM. 2017. Vol. 69. P. 2644–2647.
11. Пат. 2482209 РФ. Способ получения лигатуры алюминий-цирконий (варианты) / Махов С. В., Москвитин В. И., Попов Д. А.; заявл. 19.03.2012 ; опубл. 20.05.2013, Бюл. № 14.
12. Коршунов Б., Сафонов В., Дробот Д. Диаграммы плавкости галогенидных систем переходных элементов. — М. : Металлургия, 1977. — 248 с.
13. Козловский Г. А., Махов С. В., Москвитин В. И., Попов Д. А. Оценка технологий производства лигатур алюминия с Ti, Zr и B из различного сырья // Цветные металлы. 2017. № 3. С. 53–56. DOI: 10.17580/tsm.2017.03.08.
14. Махов С. В., Москвитин В. И., Попов Д. А. Основы кинетики и технологии алюминотермического получения Al – Zr лигатуры из ZrO₂ в хлоридно-фторидных солевых расплавах // Цветные металлы. 2014. № 11. С. 69–72.
15. Москвитин В. И., Попов Д. А., Махов С. В. Термодинамические основы алюминотермического восстановления циркония из ZrO₂ в хлоридно-фторидных солевых расплавах // Цветные металлы. 2012. № 4. С. 43–46.
16. Яценко С. П., Хохлова Н. А., Пасечник Л. А, Сабирзянов Н. А. Получение лигатур на основе алюминия методом высо ко температурных обменных реакций в расплавах солей. III. Многокомпонентные модифицирующие лигатуры алюминия со скандием, цирконием и гафнием // Расплавы. 2010. № 2. С. 89–94.
17. Скачков В. М., Яценко С. П. Получение Sc-, Zr-, Hf-, Y-лигатур на основе алюминия методом высокотемпературных обменных реакций в расплавах солей // Цветные металлы. 2014. № 3. С. 22–26.
18. Kawase M., Ito Y. The electroformation of Zr metal, Zr – Al alloy and carbon films on ceramic // Journal Applied Electrochemistry. 2003. Vol. 33. P. 785–793.
19. Ueda M., Teshima T., Matsushima H., Otsuka T. Electroplating of Al – Zr alloys in AlCl₃ – NaCl – KCl molten salts to improve corrosion resistance of Al // Journal of Solid State Electrochemistry. 2015. Vol. 19. P. 3485–3489.
20. Vukicevic N. M., Jovicevic J. N. Aluminiumzirconium alloys obtained by Al underpotential deposition onto Zr from low temperature AlCl₃ – NaCl molten salts // Journal of Serbian Chemical Society. 2019. Vol. 84. P. 1329–1344.
21. Tsuda T., Hussey C. L., Stafford G. R., Kongstein O. Electrodeposition of Al – Zr alloys from Lewis acidic aluminum chloride-1-ethyl-3-methylimidazolium chloride melt // Journal of Electrochemical Society. 2004. Vol. 151. No. 7. Р. 447–454.
22. Пат. 2515730 РФ. Электрохимический способ получения лигатурных алюминий-циркониевых сплавов / Елшина Л. А.; заявл. 16.11.2012 ; опубл. 20.05.2014, Бюл. № 14.
23. Нерубащенко В. В., Волейник В. В., Крымов А. П., Галочка В. Г., Напалков В. И. Получение лигатуры Al – Zr в электролизных ваннах // Цветные металлы. 1978. № 3. С. 36–38.

24. Li M., Li Y., Wang Zh. Electrochemical reduction of zirconium oxide and co-deposition of Al – Zr alloy from cryolite molten salt // Journal Electrochemical Society. 2019. Vol. 166. No. 2. D65–D68.
25. Першин П. С., Филатов А. А., Суздальцев А. В., Зайков Ю. П. Алюмотермическое получение сплавов Al – Zr в расплаве KF-AlF₃ // Расплавы. 2016. № 5. С. 413–421.
26. Pershin P. S., Kataev A. A., Filatov A. A., Suzdaltsev A. V., Zaikov Yu. P. Synthesis of Al – Zr alloys via ZrO₂ aluminumthermal reduction in KF – AlF₃ – based melts // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. Vol. 48. P. 1962–1969.
27. Robert E., Olsen J. E., Danek V., Tixhon E., Ostvold T. et al. Structure and thermodynamics of alkali fluoride-aluminum fluoride-alumina melts. Vapor pressure, solubility, and Raman spectroscopic studies // Journal of Physical Chemistry B. 1997. Vol. 101. P. 9447–9457.
28. Лякишев Н. П. Диаграммы состояния двойных металлических систем : Справочник в 3 т.: Т. 1. — М. : Машиностроение, 1996.
29. Филатов А. А., Першин П. С., Николаев А. Ю., Суздальцев А. В. Получение сплавов и лигатур Al – Zr при электролизе расплавов KF – NaF – AlF₃ – ZrO₂ // Цветные металлы. 2017. № 11. C. 27–31. DOI: 10.17580/tsm.2017.11.05.
30. Суздальцев А. В., Филатов А. А., Николаев А. Ю., Панкратов А. А., Молчанова Н. Г. и др. Извлечение скандия и циркония из их оксидов при электролизе оксидно-фторидных расплавов // Расплавы. 2018. № 1. С. 5–13.
31. Filatov A. A., Pershin P. S., Suzdaltsev A. V., Nikolaev A. Yu., Zaikov Yu. P. Synthesis of Al – Zr master alloys via the electrolysis of KF – NaF – AlF₃ – ZrO₂ melts // Journal of the Electrochemical Society. 2018. Vol. 165. No. 2. E28–E34.
32. Vorobiev A., Suzdaltsev A. V., Pershin P., Galashev A., Zaikov Yu. Structure of MF – AlF₃ – ZrO₂ (M = K, Na, Li) ionic melts // Journal Molecular Liquids. 2019. Vol. 299. 112241.
33. Першин П. С., Филатов А. А., Николаев А. Ю., Суздальцев А. В., Зайков Ю. П. Катодные процессы при синтезе сплавов Al – Zr в расплаве KF – AlF₃ – Al₂O₃ – ZrO₂ // Бутлеровские сообщения. 2017. Т. 49. № 2. С. 110–116.
34. Филатов А. А., Суздальцев А. В., Николаев А. Ю., Зайков Ю. П. Кинетика электровыделения циркония и алюминия из расплавов KF – AlF₃ – ZrO₂ // Расплавы. 2019. № 3. С. 287–304.
35. Nikolaev A. Yu., Suzdaltsev A. V., Zaikov Yu. P. Cathode process in the KF – AlF₃ – Al₂O₃ melts // Journal of Electrochemical Society. 2019. Vol. 166, Iss. 15. D784–D791.
36. Пат. 2658556 РФ. Способ получения лигатур алюминия с цирконием / Суздальцев А. В., Филатов А. А., Николаев А. Ю., Першин П. С., Зайков Ю. П. ; заявл. 24.08.2017 ; опубл. 21.06.2018, Бюл. № 18.