DE4016502C2

DE4016502C2 - Verfahren zur Herstellung von Titanpulver oder Titanverbundpulver

Info

Publication number: DE4016502C2
Application number: DE4016502A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Kametani; Hidenori Sakai
Original assignee: Kokan Mining Co Ltd; NKR Co Ltd
Current assignee: Kokan Mining Co Ltd; NKR Co Ltd
Priority date: 1989-05-24
Filing date: 1990-05-22
Publication date: 1994-09-08
Anticipated expiration: 2010-05-23
Also published as: JPH0747787B2; GB2231883A; JPH02311316A; US5032176A; GB2231883B; DE4016502A1; GB9010551D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Titanpulver oder Titanverbundpulver.

Titan oder Titanlegierung wird im Hinblick auf den hohen Schmelzpunkt (Schmelzpunkt von Titan: 1668°C), hohe Festig keit, hohe Zähigkeit, geringe Dichte und ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit verbreitet als Werkstoff für ver schiedene Teile von Flugzeugen oder Maschinen und für Aus rüstung der chemischen Industrie eingesetzt.

Aufgrund des erwähnten hohen Schmelzpunkts ist es jedoch nicht einfach, Bauteile aus Titan oder Titanlegierung durch Präzisions- bzw. Feinguß herzustellen, so daß eine derartige Herstellung hohe Fertigungskosten bedingt.

Bekannt ist die kostengünstigere Herstellung von Titanteil chen nach einem pulvermetallurgischen Verfahren, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Titanpulvers, Formen des Titanpulvers zu einem Rohpreßling einer vorge schriebenen Form durch Preßformen bzw. Verpressen und an schließendes Sintern dieses Rohpreßlings. Ein anderes be kanntes Verfahren zur kostengünstigeren Herstellung von Teilen (Werkstücken) aus Titanlegierung ist ein anderes pulvermetallurgisches Verfahren, umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Pulvergemisches durch Mischen eines Titanpulvers mit einem Pulver eines anderen Metalls, mit dem das Titanpulver legiert werden soll, anschließendes Formen des Pulvergemisches zu einem Rohpreßling einer vor geschriebenen Form durch Preßformen bzw. Verpressen und anschließendes Sintern des so erhaltenen Rohpreßlings.

Für die Herstellung von Bauteilen aus Titan oder Titanle gierung nach einem der angegebenen pulvermetallurgischen Verfahren muß ein Titanpulver oder ein Titanverbundpulver als Ausgangsmaterial verwendet werden.

Für die Herstellung eines Titanpulvers als solches Ausgangs material sind folgende Verfahren bekannt.

A) Zunächst wird ein Titanschwamm nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:

1. Klumpiges Magnesium wird in ein unter einer Argongas atmosphäre gehaltenes Stahlgefäß eingebracht und zu einer Magnesiumschmelze erschmolzen. Sodann wird flüssiges Titantetrachlorid von Raumtemperatur von oben her tropfenweise in das Gefäß eingegeben. Auf grund seines Siedepunkts von 136°C wird das einge tropfte Titantetrachlorid in gasformiges Titantetra chlorid umgewandelt. Dabei entstehen Titanschwamm (Ti) und Magnesiumchlorid (MgCl₂) aufgrund einer durch nachstehende Formel (1) ausgedrückten Reduktions reaktion zwischen dem gasförmigen Titantetrachlorid und der Magnesiumschmelze: TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂ (1)Der dabei erhaltene Titanschwamm wird dann vom Magnesiumchlorid abgetrennt. Das oben beschriebene Verfahren ist allgemein als "Kroll-Prozeß" bekannt.
2. Klumpiges Natrium wird in ein unter einer Argongas atmosphäre gehaltenes Stahlgefäß eingebracht und zu einer Natriumschmelze erschmolzen. Sodann wird flüssi ges Titantetrachlorid von Raumtemperatur von oben her tropfenweise in das Gefäß eingegeben. Aufgrund seines Siedepunkts von 136°C wird das eingetropfte Titantetrachlorid in gasförmiges Titantetrachlorid umgewandelt. Dabei entstehen Titanschwamm (Ti) und Natriumchlorid (NaCl) aufgrund einer durch nach stehende Formel (2) ausgedrückten Reduktionsreaktion zwischen dem gasförmigen Titantetrachlorid und der Natriumschmelze: TiCl₄ + 4 Na → Ti + 4 NaCl (2)Der hierbei erhaltene Titanschwamm wird dann vom Natriumchlorid abgetrennt. Dieses Verfahren ist all gemein als "Hunter-Prozeß" bekannt.

B) Sodann wird unter Verwendung des auf oben beschriebene Weise erhaltenen Titanschwamms ein Titanpulver nach einem der folgenden Verfahren hergestellt:

a) Der Titanschwamm wird mittels eines Mahlwerks zu Titan pulver vermahlen (im folgenden als "bekanntes Ver fahren 1" bezeichnet).
b) Der Titanschwamm wird zunächst zum Absorbieren von Wasserstoff gebracht, um ihn spröde zu machen. Danach wird der spröde Titanschwamm mittels eines Mahlwerks zu Titanteilchen vermahlen. Die Titanteilchen werden anschließend zur Herstellung eines Titanpulvers dehydriert (im folgenden als "bekanntes Verfahren 2" bezeichnet).
c) Das nach dem bekannten Verfahren 1 erhaltene Titan pulver wird durch Preßformen zu einem Rohpreßling einer Elektrodenform geformt. Der so erhaltene Roh preßling wird hierauf zum Schmelzen desselben mit elektrischem Strom beschickt, und die erhaltene Schmelze wird zu einem hochreinen Titanbarren ver gossen, der anschließend im Lichtbogen erschmolzen wird. Die Titanschmelze läßt man in ein unter einer Inertgasatmosphäre gehaltenes Gefäß herabtropfen oder -fließen, wobei unter Druck stehendes Inertgas gegen den Fallstrom der Titanschmelze (aus)geblasen oder der Fallstrom der Titanschmelze mit einer Zentri fugalkraft beaufschlagt wird, um die Titanschmelze zu zerstäuben. Die so zerstäubte Titanschmelze wird schnell gekühlt und zum Erstarren gebracht, wodurch ein Titanpulver erhalten wird (im folgenden als "bekanntes Verfahren 3" bezeichnet).

Die bekannten Verfahren 1 bis 3 sind jedoch mit folgenden Problemen behaftet:

1. Wenn bei den beschriebenen Titanschwamm-Herstellungsver fahren 1 und 2 die Reduktionsreaktionstemperatur im Stahl gefäß mindestens 1000°C erreicht, reagiert das das Gefäß bildende Eisen mit Titan unter Bildung von Fe-Ti (mit einer eutektischen Temperatur von 1080°C), was zu einem niedrigeren Herstellungsausbringen an Titanschwamm führt. Zur Vermeidung der Entstehung von Fe-Ti ist es nötig, die Reduktionsreaktionstemperatur im Stahlgefäß auf bis zu 960°C zu halten. Zu diesem Zweck muß ein größeres Stahlgefäß verwendet oder die dem Stahlgefäß zugeführte Menge an Titantetrachlorid geregelt werden. Eine solche Regelung ist aber nicht einfach. Auch bei Verwendung eines größeren Stahlgefäßes wird keine wesentliche Ver besserung der Produktionsleistung erzielt.
2. Bei den bekannten Verfahren 1 bis 3 wird zunächst Titan schwamm durch Reduktion von Titantetrachlorid nach dem Kroll- oder dem Hunter-Prozeß hergestellt, worauf der so erhaltene Titanschwamm vermahlen oder zerstäubt wird; hierfür sind mithin zwei Arbeitsschritte und damit umfangreiche Einrichtungen und ein großer Zeit aufwand nötig. Da der Titanschwamm dabei zudem chargen weise hergestellt wird, ist die Produktionsleistung sehr gering. Außerdem weisen die einzelnen Teilchen des durch Vermahlen des Titanschwamms erhaltenen Titanpulvers eine unregelmäßige Gestalt mit Vorsprüngen oder scharfen Kanten auf, so daß ihre Preßbarkeit gering ist.
3. Beim bekannten Verfahren 3 müssen - wie erwähnt - zur Ge winnung eines hochreinen Titanpulvers ein hochreiner Titanbarren erschmolzen und dann das erschmolzene Titan zerstäubt werden. Für diese Zwecke sind aber großtechnische Anlagen erforderlich.
4. Für die Herstellung oder Fertigung von Bauteilen bzw. Werkstücken aus einer Titanlegierung erfordert das gleich mäßige Vermischen des Titanpulvers mit einem Pulver eines anderen, zuzulegierenden Metalls Hochtechnologie-Maßnahmen. Es erweist sich daher als schwierig, Teile aus einer gleichförmigen Titanlegierung herzustellen.

Im Hinblick auf diese Gegebenheiten besteht ein großer Be darf nach der Entwicklung eines Verfahrens, das mit ein fachen Schritten und mit hoher Produktionsleistung die Her stellung eines Titanpulvers oder Titanverbundpulvers als Werkstoff für die Herstellung von Werk stücken aus Titan oder Titanlegierung nach einem pulver metallurgischen Verfahren ermöglicht. Ein solches Verfahren ist aber bisher noch nicht entwickelt worden.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Ver fahrens, das mit einfachen Schritten und mit hoher Produk tionsleistung die Herstellung eines Titanpulvers oder Titan verbundpulvers als Werkstoff für die Herstellung von Gegen ständen bzw. Werkstücken aus Titan oder Titanlegierung nach einem pulvermetallurgischen Verfahren ermöglicht.

Die Gegenstände der Erfindung sind in den Patentansprüchen 1, 4 und 7 in ihrer allgemeinen Ausführungsform dargelegt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, die ein das Verfahren gemäß der Erfindung veranschaulichendes Fließbild zeigt.

Im Zuge der Entwicklung eines Verfahrens, mit dem die ange gebene Aufgabe gelöst werden kann, wurde folgendes gefunden:

Titantetrachlorid besitzt einen niedrigen Siedepunkt und kennzeichnet sich durch eine leichte bzw. einfache Reduk tionsreaktion mit einem reduzierenden Gas. Bei Verwendung von gasförmigem Titantetrachlorid und eines erschmolzenen Reduktionsmittels, wie erschmolzenes Magnesium oder Natrium, ist daher eine Reduktionsreaktion ohne weiteres herbeiführ bar. Wenn man dabei erschmolzenes Magnesium oder Natrium in ein Reaktionsgefäß hineinfließen läßt und gasförmiges Titantetrachlorid in Richtung auf den Fallstrom der Magnesium- oder Natriumschmelze bläst, wird die Magnesium- oder Natriumschmelze durch das gasförmige Titantetrachlorid zerstäubt. Zwischen der zerstäubten Magnesium- oder Natrium schmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid erfolgt unter Erzeugung von Titanteilchen eine Reduktionsreaktion ent sprechend der oben angegebenen Formel (1) oder (2).

Bei der durch Formel (1)

TiCl₄ + 2Mg → Ti + 2MgCl₂ (1)

ausgedrückten Reduktionsreaktion reagiert z. B. 1 Mol (189,9 g) TiCl₄ mit 2 Molen (48,6 g) Mg unter Lieferung von 1 Mol (47,9 g) Ti und 2 Molen (190,6 g) MgCl₂.

Das Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform der Er findung beruht nun auf dieser Erkenntnis.

Zudem wurde folgendes gefunden: Bei Verwendung einer er schmolzenen Magnesium- oder Natriumlegierung anstelle der genannten Magnesium- oder Natriumschmelze findet zwischen der zerstäubten erschmolzenen Magnesium- oder Natriumle gierung und dem gasförmigen Titantetrachlorid eine Reduktionsreaktion nach obiger Formel (1) oder (2) unter Bildung von Titanverbundteilchen statt.

Das Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform beruht nun auf dieser Feststellung.

Ferner wurde folgendes gefunden: Wenn anstelle des genannten gasförmigen Titantetrachlorids ein Gasgemisch aus gasförmi gem Titantetrachlorid und einem gasförmigen Chlorid min destens eines Metalls aus der Gruppe Aluminium, Vanadium, Zinn, Chrom, Eisen, Zirkon und/oder Zink verwendet wird, findet zwischen dem zerstäubten erschmolzenen Magnesium oder Natrium und dem gasförmigen Titantetrachlorid im Gas gemisch eine Reduktionsreaktion nach obiger Formel (1) oder (2) unter Lieferung von Titanverbundteilchen statt.

Das Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform der Er findung beruht auf dieser Erkenntnis.

Im folgenden ist eine erste Ausführungsform der Erfindung anhand von Fig. 1 beschrieben.

Gemäß Fig. 1 ist flüssiges Titantetrachlorid bei Raum temperatur in einem TiCl₄-Behälter 1 enthalten. Das flüssige Titantetrachlorid wird aus dem Behälter 1 in einen Vergaser 2 eingespeist, in welchem das flüssige Titantetrachlorid auf eine Temperatur im Bereich von 150-300°C erwärmt und da durch in gasförmiges Titantetrachlorid überführt wird, das in einen Vorwärmer 3 eingeführt und darin auf eine Tempera tur von 650-900°C erwärmt wird. Das so erwärmte gasförmige Titantetrachlorid wird auf noch näher zu beschreibende Weise in eine in einem Reaktionsgefäß 4 vorhandene Gasdüse 5 eingeblasen.

Oberhalb des Reaktionsgefäßes 4 befindet sich ein mit dessen oberem Ende in Berührung stehender Reduktionsmittelbehälter 6, der ein Reduktionsmittel, z. B. Magnesium, enthält. Im Reduk tionsmittelbehälter 6 enthaltenes klumpiges Magnesium wird mittels einer am Außenumfang des Reduktionsmittelbehälters 6 vorgesehenen Heizeinrichtung 7 auf eine Temperatur von 650-900°C erwärmt und dadurch in erschmolzenes Magnesium bzw. eine Magnesiumschmelze überführt, das bzw. die über ein(e) im Boden des Reduktionsmittelbehälters 6 vorgesehene(s) Rohr oder Auslaufdüse 8 in das Reaktionsgefäß 4 hineinfällt bzw. -fließt.

Das Reaktionsgefäß 4 weist die in seinem oberen Abschnitt angeordnete Gasdüse 5, eine um seinen Umfang herum ange ordnete Heizeinrichtung 9 zum Erwärmen des Reaktionsgefäßes 4, einen im oberen Bereich seiner Seitenwand 4a vorgesehenen Inertgas-Einblasstutzen 10, einen Inertgas-Auslaß 11 und einen Auslauf 12 für erschmolzenes Reaktionsprodukt, die beide im unteren Bereich der Seitenwand 4a des Reaktions gefäßes 4 angeordnet sind, sowie einen in seinem Boden 4b vorgesehenen Titanteilchen-Auslauf 13 auf.

Die Gasdüse 5 ist z. B. eine Ringschlitzdüse mit einer die Auslaufdüse 8 im Boden des Reduktionsmittelbehälters 6 um gebenden Ringleitung 5a und einer Ringöffnung 5b, die der Auslaufdüse 8 zugewandt und mithin in Richtung auf den Fallstrom der aus der Auslaufdüse 8 ausfließenden Magnesiumschmelze ge richtet ist. Das aus der Ringöffnung 5b der Gasdüse 5 aus geblasene gasförmige Titantetrachlorid beaufschlagt den Fallstrom der aus der Auslaufdüse 8 ausfließenden Magnesium schmelze. Die Gasdüse 5 kann auch aus einer Anzahl von lanzenartigen Düsen bestehen, welche die Auslaufdüse 8 umgeben und deren Öffnungen (Mündungen) in Richtung auf den Fallstrom der Magnesiumschmelze aus der Auslaufdüse 8 gerichtet sind. Im allgemeinen wird eine Ringschlitzdüse bei einer großtechni schen Anlage verwendet, während lanzenförmige Düsen bei einer kleineren Anordnung eingesetzt werden.

Der Auslauf 12 für Reaktionsproduktschmelze ist im unteren Bereich der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 angeordnet, wo sich erschmolzenes Magnesiumchlorid als im Reaktions gefäß 4 anfallendes erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 an sammelt. Der Inertgas-Auslaß 11 befindet sich über dem Aus lauf 12 für erschmolzenes Reaktionsprodukt im unteren Bereich der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4, wo sich er schmolzenes Magnesiumchlorid als erschmolzenes Reaktions produkt 15 ansammelt.

Die Magnesiumschmelze wird im Reaktionsgefäß 4 durch das aus der Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 einfließenden Magnesiumschmelze ausgeblasene gasförmige Titantetrachlorid zerstäubt. Zwischen der so zerstäubten Magnesiumschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid findet eine durch die (bereits angegebene) Formel (1)

TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂ (1)

ausgedrückte Reduktionsreaktion statt, bei welcher erschmol zenes Magnesiumschlorid als erschmolzenes Reaktions produkt 15 und das erschmolzene Magnesiumchlorid enthaltende Titanteilchen 14 entstehen.

Das erschmolzene Magnesiumchlorid 15 und die dieses ent haltenden, auf die beschriebene Weise erzeugten Titanteil chen 14 sammeln sich am Boden des Reaktionsgefäßes 4 an, wobei sich die das erschmolzene Magnesiumchlorid enthalten den Titanteilchen 14 aufgrund der unterschiedlichen Wichte der beiden Komponenten unter dem erschmolzenen Magnesium chlorid ansammeln bzw. absetzen. Aus dem sich am Boden des Reaktionsgefäßes 4 ansammelnden Bodensatz, bestehend aus erschmolzenem Magnesiumchlorid 15 und den magnesiumchlorid haltigen Titanteilchen 14 wird das erschmolzene Magnesium chlorid abgetrennt und über den am unteren Ende der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 vorgesehenen Auslauf 12 für er schmolzenes Reaktionsprodukt aus dem Reaktionsgefäß 4 aus getragen. Danach werden die das erschmolzene Magnesium chlorid enthaltenden Titanteilchen 14 über den bodenseitigen Titanteilchen-Auslauf 13 aus dem Reaktionsgefäß 4 ausgetragen. Die das Magnesiumchlorid enthaltenden ausgetragenen Titan teilchen 14 werden nach einem bekannten Verfahren, wie Wasserauslaugung oder Vakuumverdampfung, behandelt, um das Magnesiumchlorid von den Titanteilchen 14 zu entfernen und damit ein Titanpulver zu erhalten.

Wenn ein(e) durch nachstehende Formel (3) ausgedrückter Wert der Weber-Zahl (Wb) im Bereich von 10³-10⁴ gehalten wird, wird die über die Auslaufdüse 8 in das Reaktions gefäß 4 einströmende Magnesiumschmelze durch das gasförmige Titantetrachlorid, das über die Gasdüse 5 gegen den Magnesium schmelzen-Fallstrom gerichtet wird, zufriedenstellend zer stäubt:

In obiger Formel bedeuten:

D_L Innendurchmesser der Schnauze 8 (in cm)
u = Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Titantetra chlorids (in cm/s)
ρ Dichtedifferenz zwischen Magnesiumschmelze und gas förmigem Titantetrachlorid (in g/cm³) und
γ Oberflächenspannung zwischen Magnesiumschmelze und gasförmigem Titantetrachlorid (mN/m).

Zur Gewährleistung einer zufriedenstellenden Zerstäubung der Magnesiumschmelze durch das gasförmige Titantetrachlorid, d. h. um den Wert der Weber-Zahl (Wb) nach obiger Formel (3) im Bereich zwischen 10³ und 10⁴ zu halten, werden die Größen D_L, u, ρ und γ nach Formel (3) insbesondere wie folgt bestimmt:

1. Zunächst wird ein Verhältnis der Strömungsmenge der Magnesiumschmelze zur Strömungsmenge des gasförmigen Titantetrachlorids bestimmt;
2. sodann wird die Weber-Zahl (Wb) auf eine Größe einge stellt, bei der sich die erwähnte zufriedenstellende Zerstäubung der Magnesiumschmelze ergibt;
3. hierauf wird der Innendurchmesser (D_L) der Auslaufdüse 8, durch welche die Magnesiumschmelze in das Reaktionsgefäß 4 hineinfällt bzw. einströmt, bestimmt;
4. daraufhin erfolgt eine Bestimmung der Querschnitts fläche der Ringöffnung 5b der Gasdüse 5 zum Ausblasen des gasförmigen Titantetrachlorids;
5. anschließend wird die Strömungsgeschwindigkeit (u) des gasförmigen Titantetrachlorids bestimmt;
6. danach wird die Differenz (ρ) zwischen der Dichte einer Magnesiumschmelze bei der Schmelzpunkttemperatur (651°C) von Magnesium und der Dichte von gasförmigem Titantetra chlorid bei der Schmelzpunkttemperatur (651°C) von Magnesium bestimmt; und
7. die Größe der Oberflächenspannung von 569 mN/m (Dyn/cm) der Magnesiumschmelze beim Schmelzpunkt (651°C) von Magnesium wird als γ-Wert zugrundegelegt, weil die Ober flächenspannungsgröße der Magnesiumschmelze während der Reduktionsreaktion unbekannt ist.

Die obigen Größen bzw. Parameter 1-7 können ohne wei teres mittels in der chemischen Industrie bekannter Techni ken ermittelt werden.

Zur Aufrechterhaltung eines zweckmäßigen Drucks im Reaktions gefäß 4 wird vorzugsweise ein Inertgas, wie Argongas, in einer kleinen Menge über den Inertgas-Einblasstutzen 10 im oberen Bereich der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 in dieses eingeblasen.

Gemäß der genannten Formel (1)

TiCl₄ + 2 Mg → Ti + 2 MgCl₂ (1)

betragen die Menge an gasförmigem Titantetrachlorid und die Menge an Magnesiumschmelze, die für die Reduktionsreaktion nötig sind, 1 Mol bzw. 2 Mole. Die Menge von 1 Mol des gas förmigen Titantetrachlorids entspricht etwa 22,4 l im Normal zustand und etwa 69 l bei einer Temperatur von 650°C; letztere Menge beträgt etwa das 3,1-fache der Menge im Normalzustand.

Das Molverhältnis zwischen dem gasförmigen Titantetrachlorid und der Magnesiumschmelze braucht jedoch nicht notwendiger weise der obengenannten Größe zu entsprechen: Beispielsweise kann die Magnesiumschmelze in einem geringen Überschuß vor liegen, um eine vollständige Umsetzung des gasförmigen Titantetrachlorids herbeizuführen, oder das gasförmige Titantetrachlorid kann in geringer Überschußmenge vorhanden sein, um eine vollständige Umsetzung der Magnesiumschmelze zu erreichen. Zudem kann der Wert der Weber-Zahl (Wb) nach Formel (1) zur Einhaltung des Bereichs zwischen 10³ und 10⁴ geändert werden, indem die Strömungsmenge des gasförmigen Titantetrachlorids durch Zumischen eines Inertgases zu diesem konstant gehalten wird.

Als Reduktionsmittel kann anstelle von Magnesium auch Natrium verwendet werden. Natrium besitzt mit 98°C einen niedrigeren Schmelzpunkt als Magnesium, so daß es sich leichter erschmelzen läßt. Im Reduktionsmittelbehälter 6 enthaltenes Natrium in Klumpenform wird durch Erwärmung auf eine Temperatur von 100-900°C mittels der am Außenumfang des Reduktionsmittelbehälters 6 vorgesehenen Heizeinrichtung 7 in eine Natriumschmelze überführt, die im Reaktionsgefäß 4 mittels des gasförmigen Titantetrachlorids zerstäubt wird, das über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduk tionsmittelbehälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eintretenden Natriumschmelze (aus)geblasen wird. Zwischen der so zer stäubten Natriumschmelze und dem gasförmigen Titantetra chlorid findet eine Reduktionsreaktion nach der angegebenen Formel (2)

TiCl₄ + 4 Na → Ti + 4 NaCl (2)

statt; dabei entstehen erschmolzenes Natriumchlorid als erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 und das erschmolzene Natriumchlorid enthaltende Titanteilchen 14.

Das erschmolzene Natriumchlorid 15 und die dieses enthal tenden Titanteilchen 14 werden auf die gleiche Weise wie bei Verwendung von Magnesium als Reduktionsmittel behandelt, um ein Titanpulver zu gewinnen.

Wenn bei der Reduktionsreaktion zwischen dem gasförmigen Titantetrachlorid und der Natriumschmelze die Menge des über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Natriumschmelze-Fallstrom gerichte ten gasförmigen Titantetrachlorids relativ zu der über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eintretenden Natrium schmelzenmenge übermäßig groß ist, entstehen Titandichlorid- bzw. TiCl₂-Teilchen anstelle von Titan- bzw. Ti-Teilchen, so daß die Herstellung eines Titanpulvers unmöglich wird. Wenn dagegen das gasförmige Titantetrachlorid so in Richtung auf den Fallstrom der Natriumschmelze geblasen wird, daß die ange gebenen Bedingungen für eine zufriedenstellende Zerstäubung der Natriumschmelze erfüllt sind, läuft die erwähnte Reduktionsreaktion glatt ab, weil gasförmiges Titantetrachlorid in ausreichender Menge um die Teilchen der zerstäubten Natriumschmelze herum vorhanden ist. Die Ober flächenspannung der Natriumschmelze beim Schmelzpunkt von Natrium ist geringer als die Oberflächenspannung der Magne siumschmelze beim Schmelzpunkt von Magnesium. Zudem nimmt die Oberflächenspannung allgemein mit höherer Temperatur ab, so daß sich eine Natriumschmelze leichter zerstäuben läßt als eine Magnesiumschmelze.

Wenn die über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 einströmende Magnesium- oder Natriumschmelze beim erfindungsgemäßen Verfahren durch das über die Gasdüse 5 ausgeblasene gasförmige Titantetrachlorid zufriedenstellend zerstäubt wird, lassen sich die folgenden Wirkungen erzielen:

A) Die zerstäubte Mägnesium- oder Natriumschmelze besitzt insgesamt eine sehr große Oberfläche und befindet sich in einer sehr starken Wirbelbewegung. Die durch die an gegebene Formel (1) oder (2) ausgedrückte Reduktions reaktion zwischen der zerstäubten Magnesium- oder Natriumschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid läuft daher sehr schnell und ungestört bzw. glatt ab, wobei das gasförmige Titantetrachlorid schnell ver braucht wird. Infolgedessen agglomeriert die zerstäubte Magnesium- oder Natriumschmelze in keinem Fall zu großen Tropfen.
B) Die Reduktionsreaktion nach Formel (1) oder (2) läuft auf den Teilchenoberflächen der zerstäubten Magnesium- oder Natriumschmelze ab. Da sich zudem - wie erwähnt - die zerstäubte Magnesium- oder Natriumschmelze in einer sehr starken Wirbelbewegung befindet, bedeckt das in der Reduktionsreaktion entstandene erschmolzene Magnesium chlorid oder erschmolzene Natriumschlorid in keinem Fall die Teilchen der zerstäubten Magnesium- bzw. Natriumschmelze, und es behindert daher in keinem Fall den Ablauf der Reduktionsreaktion. Infolgedessen läuft die Reduktionsreaktion zwischen der zerstäubten Magnesium- oder Natriumschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid ungehindert ab, so daß praktisch voll kommene Titanteilchen 14 und erschmolzenes Magnesium chlorid bzw. erschmolzenes Natriumchlorid als erschmolze nes Reaktionsprodukt bzw. Reaktionsproduktschmelze 15 erhalten werden.

Die Erwärmungstemperatur des als Reduktionsmittel im Re duktionsmittelbehälter 6 enthaltenen Magnesiums sollte im Bereich von 650-900°C liegen. Unter 650°C wird das Magnesium nicht erschmolzen. Bei einer Magnesium-Erwärmungs temperatur von über 900°C steigt andererseits die Temperatur im Inneren des Reaktionsgefäßes 4 übermäßig an, weil die Reduktionsreaktion nach Formel (1) eine exotherme Reaktion ist; das das Reaktionsgefäß 4 bildende Eisen reagiert da bei mit dem erzeugten Titan unter Bildung von Fe-Ti, was das Problem einer Herabsetzung des Herstellungsausbringens an Titanpulver mit sich bringt.

Die Erwärmungstemperatur des als Reduktionsmittel im Reduk tionsmittelbehälter 6 enthaltenen Natriums sollte im Bereich von 100-900°C liegen. Unter 100°C wird Natrium nicht er schmolzen. Bei einer Natrium-Erwärmungstemperatur von über 900°C steigt andererseits die Temperatur im Inneren des Reaktionsgefäß 4 übermäßig an, weil die Reduktionsreaktion nach Formel (2) eine exotherme Reaktion ist; das das Reaktionsgefäß bildende Eisen reagiert dabei mit dem er zeugten Titan unter Bildung von Fe-Ti, was das Problem einer Herabsetzung des Herstellungsausbringens an Titan pulver mit sich bringt.

Die Temperatur des gasförmigen Titantetrachlorids, das in Richtung auf den Fallstrom der Magnesium- oder Natriumschmelze, als er schmolzenes Reduktionsmittel, geblasen werden soll, sollte im Bereich von 650-900°C liegen. Wenn die Temperatur des gasförmigen Titantetrachlorids unter 650°C liegt, expandiert das gasförmige Titantetrachlorid nicht zufriedenstellend, so daß eine ungenügende Zerstäubung der Magnesium- oder Natrium schmelze stattfindet. Bei Verwendung von Magnesium als Reduktionsmittel wird zudem die Temperatur der zerstäubten Magnesiumschmelze durch das ausgeblasene gasförmige Titan tetrachlorid unter ihren Schmelzpunkt erniedrigt, wodurch die Reduktionsreaktion behindert wird. Bei einer Temperatur des gasförmigen Titantetrachlorids von über 900°C steigt anderer seits die Temperatur im Inneren des Reaktionsgefäßes 4 übermäßig an; das das Reaktionsgefäß 4 bildende Eisen reagiert dabei mit dem erzeugten Titan unter Bildung von Fe-Ti, was das Problem einer Herabsetzung des Herstellungs ausbringens an Titanpulver mit sich bringt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren nach der ersten Ausführungs form wird die über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittel behälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 abwärts eintretende Magnesium- oder Natriumschmelze, als erschmolzenes Reduk tionsmittel, durch das aus der Gasdüse 5 ausgeblasene gas förmige Titantetrachlorid zufriedenstellend zerstäubt, wo bei aufgrund der Reduktionsreaktion zwischen der zerstäub ten Magnesium- oder Natriumschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid Titanpulver hergestellt wird. Wie erwähnt, besitzt die zerstäubte Magnesium- oder Natriumschmelze eine sehr große Oberfläche, und sie befindet sich in einer starken Wirbelbewegung. Die beschriebene Reduktionsreaktion läuft daher sehr schnell und glatt ab, wobei das bei der Reduktionsreaktion anfallende erschmolzene Magnesium- oder Natriumchlorid in keinem Fall den Ablauf der Reduk tionsreaktion stört.

Wie erwähnt, steigt die Temperatur aufgrund der bei der Reduktionsreaktion erzeugten Wärme in dem Bereich des Reaktionsgefäßes 4 an, in welchem das gasförmige Titantetra chlorid den Fallstrom der Magnesium- oder Natriumschmelze beaufschlagt. Durch Einstellung des Durchmessers des Reaktionsgefäßes 4 derart, daß diese Beaufschlagung des Fallstroms der Magnesium- oder Natriumschmelze durch das gasförmige Titantetrachlorid an einer von der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 entfernten Stelle stattfindet, ist es jedoch möglich, die Entstehung von Fe-Ti aufgrund der Reaktion des das Reaktionsgefäß 4 bildenden Eisens mit dem erzeugten Titan zu verhindern. Da die bei der Reduktions reaktion erzeugte Wärme einen Temperaturanstieg im Reaktions gefäß 4 hervorruft, kann die Vorwärmtemperatur des gas förmigen Titantetrachlorids im Vorwärmer 3 gesenkt werden, und es wird auch eine Temperaturhaltewirkung des Reaktions gefäßes 4 gewährleistet.

Die Teilchengröße des herzustellenden Titanpulvers kann durch Änderung der Weber-Zahl (Wb) nach der angegebenen Formel (3) beliebig eingestellt werden. Jedes Teilchen des hergestellten Titanpulvers besitzt eine im wesentlichen sphärische Gestalt ohne Vorsprünge oder scharfe Kanten wie im Falle der Teilchen des nach einem herkömmlichen Mahl- oder Pulverisierverfahren hergestellten Titanpulvers. Das nach dem Verfahren gemäß der ersten Aus führungsform erhaltene Titanpulver besitzt daher eine hohe Fließfähigkeit und eine ausgezeichnete Preßformbarkeit.

Durch das kontinuierliche Herabfallen- bzw. -fließenlassen der Magnesium- oder Natriumschmelze in das Reaktionsgefäß 4, das kontinuierliche Ausblasen des gasförmigen Titantetra chlorids gegen den abwärts gerichteten Strom bzw. Fallstrom der Magnesium- oder Natriumschmelze zwecks Erzeugung des erschmolzenen Reaktionsprodukts 15 und der Titanteilchen 14 sowie das kontinuierliche Austragen oder Abziehen derselben aus dem Reaktionsgefäß 4 ist es außerdem möglich, Titanpulver mittels einer Ausrüstung vergleichsweise kleiner Abmessungen wirksam bzw. wirtschaftlich und kontinuierlich herzustellen.

Nachstehend ist anhand von Fig. 1 eine zweite Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, nach dem ein Titanverbundpulver für einen Gegenstand oder ein Werk stück aus einer Titanlegierung, die Titan und mindestens ein diesem zuzulegierendes Metall, wie Aluminium, Zinn und/oder Zink, enthält, auf die im folgenden erläuterte Weise her gestellt wird.

Ein Reduktionsmittel, wie Magnesium, und mindestens ein Metall aus der Gruppe Aluminium, Zinn und Zink, vorzugsweise Aluminium, werden in den Reduktionsmittelbehälter 6 nach Fig. 1 eingebracht und mittels der Heizeinrichtung 7 zur Bildung einer Magnesiumlegierungsschmelze bei einer Temperatur im Bereich von 650-900°C erschmolzen, um als erschmolzenes Reduktions mittel verwendet zu werden. Die so erzeugte Magnesium legierungsschmelze wird dann über die Auslaufdüse 8 im Fall strom in das Reaktionsgefäß 4 eingeleitet.

Sodann wird gasförmiges Titantetrachlorid bei einer Tempera tur im Bereich von 650-900°C über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittel behälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eingeleiteten Magnesium legierungsschmelze geblasen, um letztere zu zerstäuben. Zwischen dem Magnesium in der so zerstäubten Magnesium legierungsschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid läuft eine Reduktionsreaktion nach der angegebenen Formel (1) ab, wobei erschmolzenes Magnesiumchlorid als erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 und Titanverbundteilchen 14 aus das erschmolzene Magnesiumchlorid enthaltenden Titan teilchen und Aluminiumteilchen entstehen. In den so er zeugten Titanverbundteilchen 14 sind die Titanteilchen physikalisch mit den Aluminiumteilchen vereinigt.

Die so erzeugten, das erschmolzene Magnesiumchlorid enthal tenden Titanverbundteilchen 14 werden auf die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebene Weise über den im Boden 4b des Reaktionsgefäßes 4 vorgesehenen Titanteil chen-Auslauf 13 aus dem Reaktionsgefäß 4 ausgetragen. Die das Magnesiumchlorid enthaltenden ausgetragenen Titanteil chen 14 werden sodann nach einem bekannten Verfahren, wie Wasserauslaugung oder Vakuumverdampfung, vom Magnesium chlorid befreit, wodurch ein Titanverbundpulver aus Titan pulver und Aluminiumpulver erhalten wird.

Anstelle der Magnesiumlegierungsschmelze mit einer Tempera tur von 650-900°C kann als Reduktionsmittel auch eine aus Natrium und Aluminium bestehende erschmolzene Natrium legierung bzw. Natriumlegierungsschmelze einer Temperatur im Bereich von 100-900°C verwendet werden. Die verwendete Natriumlegierungsschmelze wird mittels des gasförmigen Titantetrachlorids bei einer Temperatur von 650-900°C zerstäubt. Zwischen dem Natrium in der zerstäubten Natrium legierungsschmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid findet eine Reduktionsreaktion nach obiger Formel (2) statt, wobei erschmolzenes Natriumchlorid als erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 und Titanverbundteilchen 14 aus das erschmolzene Natriumchlorid enthaltenden Titanteilchen und Aluminiumteilchen entstehen. In den so erzeugten Titanver bundteilchen 14 sind die Titanteilchen physikalisch mit den Aluminiumteilchen vereinigt.

Das Natriumchlorid wird von den so erzeugten, das Natrium chlorid enthaltenden Titanverbundteilchen 14 nach einem bekannten Verfahren, wie Wasserauslaugung oder Vakuumver dampfung, abgetrennt, wodurch ein Titanverbundpulver aus Titan- und Aluminiumpulver erhalten wird.

Wenn bei der Herstellung des Titanverbundpulvers nach dem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform der Gehalt an Magnesium in der Magnesiumlegierungsschmelze oder der Gehalt an Natrium in der Natriumlegierungsschmelze niedrig ist, reagiert das mindestens eine Metall in der betreffenden Legierungsschmelze mit dem gasförmigen Titantetrachlorid unter Bildung eines Chlorids dieses mindestens einen Metalls. Das Magnesium in der Magnesiumlegierungsschmelze oder das Natrium in der Natriumlegierungsschmelze sollte daher vor zugsweise in Überschußmenge relativ zum gasförmigen Titan tetrachlorid vorliegen.

Durch Einstellung des Mengenverhältnisses von Magnesium in der Magnesiumlegierungsschmelze oder von Natrium in der Natriumlegierungsschmelze zu dem mindestens einen Metall ist es darüber hinaus möglich, den Gehalt an dem mindestens einen Metallpulver im Titanverbundpulver einzustellen.

Wenn aus den in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebenen Gründen der Wert der Weber- Zahl (Wb) nach Formel (3) im Bereich von 10³-10⁴ gehalten wird, wird die über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittel behälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eingeleitete Magnesium legierungsschmelze oder Natriumlegierungsschmelze durch das über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der Magnesiumlegie rungsschmelze oder Natriumlegierungsschmelze geblasene gas förmige Titantetrachlorid zufriedenstellend zerstäubt. Aus den bei der ersten Ausführungsform genannten Gründen sollten ferner die Temperatur der Magnesiumlegierungsschmelze im Bereich von 650-900°C, die Temperatur der Natriumlegierungs schmelze im Bereich von 100-900°C und die Temperatur des gasförmigen Titantetrachlorids im Bereich von 650-900°C liegen.

Als das erwähnte, mindestens eine Metall kann anstelle von Aluminium auch Zinn und/oder Zink verwendet werden.

Im folgenden ist anhand von Fig. 1 eine dritte Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, nach dem ein Titanverbundpulver für einen Gegenstand bzw. ein Werk stück aus einer Titanlegierung aus Titan und mindestens einem diesem zuzulegierenden Metall, wie Aluminium, Vanadium, Zinn, Chrom, Eisen, Zirkon und/oder Zink, auf die im folgen den erläuterte Weise hergestellt wird.

Ein Reduktionsmittel, z. B. Magnesium, wird in den Reduktions mittelbehälter 6 nach Fig. 1 eingebracht und mittels der Heizeinrichtung 7 bei einer Temperatur von 650-900°C erschmolzen. Die so bereitete Magnesiumschmelze wird im Fallstrom über die Auslaufdüse 8 in das Reaktionsgefäß 4 eingeleitet.

Sodann werden flüssiges Titantetrachlorid in den TiCl₄- Behälter 1 und ein flüssiges Chlorid mindestens eines Metalls aus der Gruppe Aluminium, Vanadium, Zinn, Chrom, Eisen Zirkon und/oder Zink, z. B. flüssiges Vanadiumchlorid, in einen Behälter 16 für ein von TiCl₄ verschiedenes Chlorid eingefüllt. Das flüssige Titantetrachlorid und das flüssige Vanadiumchlorid werden vor der Einführung in den Vergaser 2, in welchem das erhaltene Gemisch zu einem Gasgemisch aus gasförmigem Titantetrachlorid und gasförmigem Vanadium chlorid verdampft wird, miteinander vermischt.

Dieses Gasgemisch wird dann bei einer Temperatur von 650-900°C über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eintretenden Magnesiumschmelze geblasen, um letztere zu zerstäuben. Zwischen der so zerstäubten Magnesiumschmelze und dem Gasgemisch aus gasförmigem Titantetrachlorid und gasförmigem Vanadiumchlorid findet eine Reduktionsreaktion nach der angegebenen Formel (1) statt, wobei erschmolzenes Magnesiumchlorid als erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 und Titanverbundteilchen 14 aus das erschmolzene Magnesiumchlorid enthaltenden Titan teilchen und Vanadiumteilchen entstehen. In den auf diese Weise erhaltenen Titanverbundteilchen 14 sind die Titan teilchen physikalisch mit den Vanadiumteilchen vereinigt.

Die erzeugten, das erschmolzene Magnesiumchlorid enthalten den Titanverbundteilchen 14 werden auf die in Verbindung mit der ersten Ausführungsform beschriebene Weise über den im Boden 4b des Reaktionsgefäß 4 vorgesehenen Titanteilchen- Auslauf 13 aus dem Reaktionsgefäß 4 ausgetragen. Von diesen ausgetragenen, das Magnesiumchlorid enthaltenden Titanver bundteilchen 14 wird dann das Magnesiumchlorid nach einem bekannten Verfahren, wie Wasserauslaugung oder Vakuumver dampfung, abgetrennt, wodurch ein Titanverbundpulver aus Titan- und Vanadiumpulver erhalten wird.

Anstelle der Magnesiumschmelze einer Temperatur von 650-900°C kann auch erschmolzenes Natrium bzw. eine Natriumschmelze einer Temperatur von 100-900°C als Reduktionsmittel verwendet werden. Bei Verwendung einer Natriumlegierungsschmelze wird diese mittels des eine Temperatur von 650-900°C besitzenden Gasgemisches aus gasförmigem Titantetrachlorid und gasförmigem Vanadium chlorid zerstäubt. Zwischen der so zerstäubten Natrium schmelze und dem gasförmigen Titantetrachlorid im Gasge misch findet eine Reduktionsreaktion entsprechend der angegebenen Formel (2) statt, wobei erschmolzenes Natrium chlorid als erschmolzenes Reaktionsprodukt 15 und Titanverbundteilchen 14 aus das erschmolzene Natriumchlorid und Vanadiumteilchen enthaltenden Titanteilchen entstehen. In den so erzeugten Titanverbundteilchen 14 sind die Titan teilchen physikalisch mit den Vanadiumteilchen kombiniert oder vereinigt.

Von den so erzeugten, das Natriumchlorid enthaltenden Titan verbundteilchen 14 wird das Natriumchlorid nach einem be kannten Verfahren, wie Wasserauslaugung oder Vakuumver dampfung, abgetrennt, wodurch ein Titanverbundpulver aus Titan- und Vanadiumpulver erhalten wird.

Als das mindestens eine Metall kann anstelle von Vanadium auch Aluminium, Zinn, Chrom, Eisen, Zirkon und/oder Zink verwendet werden.

Wenn aus den in Verbindung mit der ersten Ausführungsform genannten Gründen die Größe bzw. der Wert der Weber-Zahl (Wb) nach Formel (3) im Bereich von 10³-10⁴ gehalten wird, wird die über die Auslaufdüse 8 aus dem Reduktionsmittelbe hälter 6 in das Reaktionsgefäß 4 eingeleitete herabströ mende Magnesium- oder Natriumschmelze durch das über die Gasdüse 5 gegen den Fallstrom der Magnesium- oder Natrium schmelze geblasene Gasgemisch zufriedenstellend zerstäubt. Aus den in Verbindung mit der ersten Ausführungsform ge nannten Gründen sollten ferner die Temperatur der Magnesium schmelze im Bereich von 650-900°C, die Temperatur der Natriumschmelze im Bereich von 100-900°C und die Tempera tur des Gasgemisches im Bereich von 650-900°C gehalten werden.

Bei der Herstellung des Titanverbundpulvers gemäß zweiter und dritter Ausführungsform (des erfindungsgemäßen Ver fahrens) besitzen die erschmolzene Magnesiumlegierung, die erschmolzene Natriumlegierung und das Gasgemisch aus gas förmigem Titantetrachlorid und gasförmigem Chlorid des mindestens einen Metalls in jedem Fall gleichmäßige oder einheitliche chemische Zusammensetzungen. Es ist somit möglich, ein Titanverbundpulver einer gleichmäßigen bzw. einheitlichen chemischen Zusammensetzung herzustellen, ohne daß ein umständlicher Arbeitsgang des gleichmäßigen Vermischens eines Titanpulvers mit einem diesem zuzulegie renden Metallpulver, wie bei den bisherigen Verfahren zur Herstellung einer Titanlegierung, durchgeführt zu werden braucht; hierdurch werden Verbesserungen bezüglich der Güte und des Fertigungsausbringens eines Gegenstands aus Titan legierung erzielt.

Erfindungsgemäß kann ferner ein Titanverbundpulver nach folgendem Verfahren hergestellt werden.

Die Titanteilchen sind während der Herstellung oder unmittel bar nach der Herstellung im Reaktionsgefäß 4 sehr aktiv. Bei Einblasung von gasförmigem Stickstoff in das Reaktions gefäß 4 über den im oberen Bereich seiner Seitenwand 4a vorgesehenen Inertgas-Einblasstutzen 10, um im Inneren des Reaktionsgefäßes 4 eine Stickstoffatmosphäre zu erhalten, reagieren die im Reaktionsgefäß 4 erzeugten Titanteilchen unmittelbar mit dem Stickstoff unter Bildung von Titan nitrid- Teilchen. Aus diesen Titannitridteilchen wird dann auf die für die Herstellung des Titanpulvers bei der ersten Ausführungsform beschriebene Weise ein Titan nitridpulver hergestellt.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird ein Titanpulver nach dem Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform her gestellt. Als Reaktionsgefäß 4 wird ein zylindrisches Gefäß eines Innendurchmessers von 20 cm und einer Höhe von 80 cm benutzt. Der am oberen Ende des Reaktionsgefäßes 4 ange ordnete Reduktionsmittelbehälter 6 besteht aus einem zylindrischen Gefäß oder Behälter eines Innendurchmessers von 6 cm und einer Höhe von 55 cm. Die im Boden des Re duktionsmittelbehälters 6 vorgesehene Auslaufdüse 8 mit einem Bohrungsdurchmesser von 1,5 mm ist in den oberen Bereich des Reaktionsgefäßes 4 durch eine in dessen oberem Ende vorge sehene Öffnung eines Innendurchmessers von 8 cm eingesetzt. Vergaser 2 und Vorwärmer 3 bestehen aus einem Rohr aus Siliziumdioxid jeweils eines Innendurchmessers von 2,5 cm und einer Länge von 40 cm. Als Gasdüse 5 im Reaktionsgefäß 4 werden vier lanzenförmige Düsen jeweils eines Bohrungs durchmessers von 1 mm benutzt. Die vier lanzenförmigen Düsen sind so um die Auslaufdüse 8 herum angeordnet, daß die aus diesen vier Düsen ausgeblasenen Gasstrahlen an einer 2,5 cm unter dem unteren Ende der Auslaufdüse 8 gelegenen Stelle konzentriert sind bzw. zusammentreffen.

In den Reduktionsmittelbehälter 6 wird klumpiges Magnesium in einer Menge von 392 g eingefüllt und unter Erhaltung einer Argongasatmosphäre im Reduktionsmittelbehälter 6 mittels der Heizeinrichtung 7 auf eine Temperatur von etwa 700°C erwärmt, um das Magnesium zu erschmelzen. Während des Aufschmelzens des klumpigen Magnesiums wird die Auslaufdüse 8 des Reduktionsmittelbehälters 6 mittels eines Stopfens verschlossen.

In den TiCl₄-Behälter 1 wird flüssiges Titantetrachlorid bei Raumtemperatur in einer Menge von 500 g eingebracht. Das flüssige Titantetrachlorid wird unter Einstellung seiner Strömungsmenge mittels eines Regelventils und eines Strö mungsmessers (nicht dargestellt) in den Vergaser 2 einge speist und in diesem durch Erwärmen in gasförmiges Titan tetrachlorid einer Temperatur von etwa 300°C überführt. Das gasförmige Titantetrachlorid wird dann in den Vorwärmer 3 eingeleitet und darin auf eine Temperatur von etwa 800°C erwärmt.

Der obere Bereich des Reaktionsgefäßes 4 wird mittels der Heizeinrichtung (9) auf einer Temperatur von etwa 600°C gehalten, während sein unterer Abschnitt auf Raumtemperatur gehalten wird. Durch Entfernen des Stopfens aus der Auslaufdüse 8 im Boden des Reduktionsmittelbehälters 6 wird die in diesem enthaltene Magnesiumschmelze im Fallstrom über die Auslaufdüse 8 in das Reaktionsgefäß 4 eingeführt. Das auf eine Tempera tur von etwa 800°C erwärmte gasförmige Titantetrachlorid wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 101 m/s über die Gasdüse 5 in Richtung auf den in das Reaktionsgefäß 4 ein tretenden Fallstrom der Magnesiumschmelze geblasen, um letztere zu zerstäuben. Die Zerstäubung wird etwa 6 min lang fortgeführt. Bei diesem Zerstäubungsvorgang wird die im Reduktionsmittelbehälter 6 vorhandene Menge von 392 g Magnesiumschmelze vollständig verbraucht; von der im TiCl₄- Behälter 1 enthaltenen Menge von 500 g an flüssigem Titan tetrachlorid werden 296 g verbraucht. Die Temperatur des Bereichs des Reaktionsgefäßes 4, in welchem das gasförmige Titantetrachlorid in Richtung auf den Fallstrom der Magnesiumschmelze geblasen wird, steigt auf eine Größe an, bei welcher sich dieser Bereich orangefarbig verfärbt. Unter den Boden des Reaktionsgefäßes 4 wird eine nicht dargestellte Wanne aus rostfreiem Stahl zum Auffangen des Reaktionsprodukts ge stellt.

In der Wanne werden 493 g Reaktionsprodukt aufgefangen, während sich 117 g Reaktionsprodukt in der Innenfläche der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 niederschlagen. Das in einer Menge von 493 g in der Wanne aufgefangene Reaktions produkt besteht aus 336 g nicht-umgesetzten Magnesiums und 157 g eines Gemisches aus Titanteilchen und Magnesium chlorid. Der größte Teil des in der Menge von 117 g an der Innenfläche der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 nie dergeschlagenen Reaktionsprodukts besteht ebenfalls aus einem Gemisch aus Titanteilchen und Magnesiumchlorid. Das nicht-umgesetzte Magnesium ist deshalb in der Wanne vor handen, weil das Ausblasen des gasförmigen Titantetrachlorids über die Gasdüse 5 gegenüber der Einleitung des Fallstroms der Magnesiumschmelze verspätet erfolgte.

Aus der Gesamtmenge von 274 g der Gemische aus Titanteil chen und Magnesiumchlorid, die der Wanne unter dem Reaktions gefäß 4 und von der Innenfläche der Seitenwand 4a des Reaktionsgefäßes 4 gewonnen werden, wird das Magnesium chlorid durch Wasserauslaugung entfernt; dabei wird Titan pulver in einer Menge von 55 g erhalten. Da die theoretische Produktionsmenge an Titan aus 296 g flüssigen Titantetra chlorids 73 g beträgt, wird das Titanpulver in einer Aus beute von etwa 75% gewonnen. Das so erhaltene Titanpulver besitzt eine schwarzgraue Farbe (graue Farbe bei Betrachtung unter dem Mikroskop). Eine Röntgenbeugungsanalyse zeigt, daß das Titanpulver aus metallischem Titan besteht. Das Titanpulver besitzt eine Teilchengröße von 100-200 µm und besteht aus einem Aggregat, in welchem sphärische Teilchen einer Teilchengröße von 1-2 µm sich zu Klümpchen ver bunden haben. Das Titanpulver einer Teilchengröße von 100-200 µm läßt sich durch etwa 30 s lange Behandlung in einer Vibrationsmühle ohne weiteres zu einem Titanpulver einer Teilchengröße von bis zu 10 µm pulverisieren.

Beispiel 2

Mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird ein Titanverbund pulver nach dem Verfahren gemäß der zweiten Ausführungs form hergestellt. Im Reduktionsmittelbehälter 6 werden 349,2 g Magnesiumklümpchen und 38,8 g Aluminiumklümpchen zur Zubereitung von 388 g einer erschmolzenen Mg-Al-Legie rung einer Temperatur von etwa 700°C erschmolzen. Diese erschmolzene Mg-Al-Legierung wird dann auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 aus dem Reduktionsmittelbehälter 6 über die Auslaufdüse 8 in das Reaktionsgefäß 4 eingeführt. Gas förmiges Titantetrachlorid einer Temperatur von etwa 800°C wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 101 m/s über die Gasdüse 5 in Richtung auf den Fallstrom der in das Reaktions gefäß 4 eintretenden erschmolzenen Mg-Al-Legierung gebla sen, um letztere zu zerstäuben. Die Zerstäubung erfolgt für etwa 5 min. Dabei werden die 388 g der im Reduktionsmittel behälter 6 vorhandenen erschmolzenen Mg-Al-Legierung voll ständig verbraucht, während 325 g flüssigen Titantetrachlorids aus dem TiCl₄-Behälter 1 verbraucht werden.

Wie in Beispiel 1 wird eine nicht dargestellte Wanne aus rostfreiem Stahl unter den Boden des Reaktionsgefäßes 4 gestellt, um ein Reaktionsprodukt aufzufangen.

Im Reaktionsgefäß 4 werden insgesamt 682 g Reaktionsprodukt, enthaltend nicht-umgesetztes Magnesium und ein Gemisch aus Titanverbundteilchen und Magnesiumchlorid, gewonnen. Dieses Reaktionsprodukt wird derselben Behandlung wie in Beispiel 1 unterworfen, wobei eine Gesamtmenge von 67 g an Titanver bundpulver aus Titanpulver und Aluminiumpulver aus der Ge samtmenge des Reaktionsprodukts von 682 g gewonnen wird. Eine chemische Analyse dieses Titanverbundpulvers zeigt, daß darin Titan und Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von 25:1 vorhanden sind.

Beispiel 3

Mittels der Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird ein Titanverbund pulver nach dem Verfahren gemäß der dritten Ausführungsform hergestellt. Wie im Fall von Beispiel 1 werden Magnesium klümpchen in einer Menge von 392 g in den Reduktionsmittel behälter 6 eingebracht und unter Aufrechterhaltung einer Argongasatmosphäre im Reduktionsmittelbehälter 6 mittels der Heizeinrichtung 7 auf etwa 700°C erwärmt, um die Magnesiumklümpchen in eine Magnesiumschmelze zu überführen.

Entsprechend Beispiel 1 werden ferner 500 g flüssigen Titantetrachlorids von Raumtemperatur in den TiCl₄-Behälter 1 eingefüllt. Sodann wird flüssiges Vanadiumchlorid (VCl₄) eines Siedepunkts von 148°C in den Behälter 16 für von TiCl₄ verschiedenes Chlorid eingefüllt. Das flüssige Titantetra chlorid wird unter Einstellung seiner Strömungsmenge mittels eines Regelventils und eines Strömungsmessers (nicht dar gestellt) zum Vergaser 2 geleitet; vor dem Eintritt in den Vergaser 2 wird dem flüssigen Titantetrachlorid flüssiges Vanadiumchlorid (VCl₄) in einer Strömungsmenge von etwa 0,7 ml/min zugemischt. Das resultierende Flüssigkeitsge misch wird dann in den Vergaser 2 eingeleitet und in diesem erwärmt und verdampft, um ein Gasgemisch aus gasförmigem Titantetrachlorid und gasförmigem Vanadium chlorid einer Temperatur von etwa 300°C zu erzeugen. Dieses Gasgemisch wird in den Vorwärmer 3 eingeführt und darin auf etwa 800°C erwärmt.

Sodann wird entsprechend Beispiel 1 die Magnesiumschmelze einer Temperatur von etwa 700°C aus dem Reduktionsmittel behälter 6 im Fallstrom über die Auslaufdüse 8 in das Reaktionsgefäß 4 eingespeist. Das aus gasförmigem Titantetra chlorid und gasförmigem Vanadiumchlorid bestehende Gasge misch einer Temperatur von etwa 800°C wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 101 m/s über die Gas düse 5 in Richtung auf den Fallstrom der in das Reaktionsgefäß 4 eintretenden Magnesiumschmelze geblasen, um letztere zu zerstäuben. Die Zerstäubung erfolgt für etwa 5 min. Bei diesem Zerstäubungsvorgang wird die im Reduktionsmittelbe hälter 6 enthaltene Menge von 392 g Magnesiumschmelze voll ständig verbraucht, während von den 500 g flüssigen Titan tetrachlorids im TiCl₄-Behälter 1 eine Menge von 348 g verbraucht wird.

Im Reaktionsgefäß 4 werden insgesamt 662 g Reaktionsprodukt, enthaltend nicht-umgesetztes Magnesium und ein Gemisch aus Titanverbundteilchen und Magnesiumchlorid, gewonnen. Dieses Reaktionsprodukt wird derselben Behandlung wie in Beispiel 1 unterworfen, wobei eine Gesamtmenge von 68 g Titanverbund pulver aus Titanpulver und Vanadiumpulver aus der Gesamt menge des Reaktionsprodukts von 662 g gewonnen wird. Eine chemische Analyse dieses Titanverbundpulvers zeigt, daß darin Titan und Vanadium in einem Gewichtsverhältnis von 100:1,6 vorhanden sind.

Das vorstehend beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht somit die mit hoher Produktionsleistung und mit einfachen Maßnahmen erfolgende kontinuierliche Herstellung eines Titanpulvers als Werkstoff für die Herstellung von Gegenständen aus Titan sowie eines Titan verbundpulvers als Werkstoff für die Herstellung von Ge genständen aus Titanlegierung nach einem pulvermetallurgischen Prozeß. Das erfindungsgemäße Ver fahren bietet somit einen großen industriellen Nutzeffekt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Titanpulver, dadurch ge kennzeichnet, daß
ein erschmolzenes Reduktionsmittel bei einer Temperatur im Bereich von 100-900°C kontinuierlich im Fallstrom in ein Reaktionsgefäß eingeleitet wird,
gasförmiges Titantetrachlorid bei einer Temperatur im Be reich von 650-900°C derart in Richtung auf den Fall strom des erschmolzenen Reduktionsmittels geblasen wird, daß für die Weber-Zahl ein Wert erreicht wird, der fol gender Formel: worin bedeuten:D_L Innendurchmesser (in cm) einer Auslaufdüse, über welche das erschmolzene Reduktionsmittel im Fallstrom in das Reaktionsgefäß eingeleitet wird,
u Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Titantetra chlorids (in cm/s),
ρ Dichtedifferenz zwischen dem erschmolzenen Reduktions mittel und dem gasförmigen Titantetrachlorid (in g/cm³) und
γ Oberflächenspannung zwischen dem erschmolzenen Reduktionsmittel und dem gasförmigen Titantetra chlorid (in mN/m)genügt, um das erschmolzene Reduktionsmittel zu zerstäu ben, und durch eine Reduktionsreaktion zwischen dem zer stäubten erschmolzenen Reduktionsmittel und dem gasförmi gen Titantetrachlorid ein erschmolzenes Reaktionsprodukt sowie dieses enthaltende Titanteilchen erzeugt werden, und zur Gewinnung des Titanpulvers außerhalb des Reaktions gefäßes die Titanteilchen von dem Reaktionsprodukt abge trennt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem erschmolzenen Reduktionsmittel um erschmol zenes Magnesium einer Temperatur im Bereich von 650-900°C und bei dem erschmolzenen Reaktionsprodukt um erschmolzenes Magnesiumchlorid handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem erschmolzenen Reduktionsmittel um er schmolzenes Natrium einer Temperatur von 100-900°C und bei dem erschmolzenen Reaktionsprodukt um erschmolzenes Natriumchlorid handelt.

4. Verfahren zur Herstellung von Titanverbundpulver, dadurch gekennzeichnet, daß
ein erschmolzenes Reduktionsmittel in Form einer erschmol zenen Legierung bei einer Temperatur im Bereich von 100-900°C kontinuierlich im Fallstrom in ein Reaktions gefäß eingeleitet wird,
gasförmiges Titantetrachlorid bei einer Temperatur im Be reich von 650-900°C derart in Richtung auf den Fall strom des erschmolzenen Reduktionsmittels geblasen wird, daß für die Weber-Zahl ein Wert erreicht wird, der fol gender Formel: worin bedeuten:D_L Innendurchmesser (in cm) einer Auslaufdüse, über welche das erschmolzene Reduktionsmittel im Fallstrom in das Reaktionsgefäß eingeleitet wird,
u Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Titantetra chlorids (in cm/s),
ρ Dichtedifferenz zwischen dem erschmolzenen Reduktions mittel und dem gasförmigen Titantetrachlorid (in g/cm³) und
γ Oberflächenspannung zwischen dem erschmolzenen Reduktionsmittel und dem gasförmigen Titantetra chlorid (in mN/m)genügt, um das erschmolzene Reduktionsmittel zu zerstäuben, und durch eine Reduktionsreaktion zwischen dem zerstäubten erschmolzenen Reduktionsmittel und dem gasförmigen Titan tetrachlorid ein erschmolzenes Reaktionsprodukt sowie dieses enthaltende Titanverbundteilchen erzeugt werden, und zur Gewinnung des Titanverbundpulvers außerhalb des Reaktionsgefäßes die Titanverbundteilchen von dem Reak tionsprodukt abgetrennt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der das erschmolzene Reduktionsmittel bildenden erschmolzenen Legierung um eine solche aus erschmolzenem Magnesium und mindestens einem erschmolzenen Metall aus der Gruppe Aluminium, Zinn und Zink handelt, das erschmol zene Reduktionsmittel eine Temperatur von 650-900°C aufweist, das erschmolzene Reaktionsprodukt aus erschmol zenem Magnesiumchlorid besteht und die Titanverbundteil chen aus Titanteilchen und Teilchen des mindestens einen Metalls gebildet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der das erschmolzene Reduktionsmittel bil denden erschmolzenen Legierung um eine solche aus er schmolzenem Natrium und mindestens einem erschmolzenen Metall aus der Gruppe Aluminium, Zinn und Zink handelt, das erschmolzene Reduktionsmittel eine Temperatur von 100-900°C aufweist, das erschmolzene Reaktionsprodukt aus erschmolzenem Natriumchlorid besteht und die Titan verbundteilchen aus Titanteilchen und Teilchen des min destens einen Metalls gebildet sind.

7. Verfahren zur Herstellung von Titanverbundpulver, da durch gekennzeichnet, daß
ein erschmolzenes Reduktionsmittel bei einer Temperatur im Bereich von 100-900°C kontinuierlich im Fallstrom in ein Reaktionsgefäß eingeleitet wird,
ein Gasgemisch einer Temperatur im Bereich von 600-900°C aus gasförmigem Titantetrachlorid und einem gasförmigen Chlorid mindestens eines Metalls aus der Gruppe Aluminium, Vanadium, Zinn, Chrom, Eisen, Zirkon und Zink derart in Richtung auf den Fallstrom des erschmolzenen Reduktions mittels geblasen wid, daß für die Weber-Zahl ein Wert erreicht wird, der folgender Formel: worin bedeuten:D_L Innendurchmesser (in cm) einer Auslaufdüse, über welche das erschmolzene Reduktionsmittel im Fallstrom in das Reaktionsgefäß eingeleitet wird,
u Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches (in cm/s),
ρ Dichtedifferenz zwischen dem erschmolzenen Reduk tionsmittel und dem Gasgemisch (in g/cm³) und
γ Oberflächenspannung zwischen dem erschmolzenen Reduktionsmittel und dem Gasgemisch (in mN/m)genügt, um das erschmolzene Reduktionsmittel zu zer stäuben, und durch eine Reduktionsreaktion zwischen dem zerstäubten erschmolzenen Reduktionsmittel und dem Ge misch ein erschmolzenes Reaktionsprodukt sowie dieses enthaltende Titanverbundteilchen erzeugt werden, und zur Gewinnung eines Titanverbundpulvers außerhalb des Reaktionsgefäßes die Titanverbundteilchen von dem Reaktionsprodukt abgetrennt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem erschmolzenen Reduktionsmittel um Magnesium einer Tempertur von 650-900°C handelt und das erschmolzene Reaktionsprodukt aus erschmolzenem Magnesiumchlorid sowie die Titanverbundteilchen aus Titanteilchen und Teilchen des mindestens einen Metalls bestehen.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem erschmolzenen Reduktionsmittel um Natrium einer Temperatur von 100-900°C handelt und das erschmolzene Reaktionsprodukt aus erschmolzenem Natriumchlorid sowie die Titanverbundteilchen aus Titanteilchen und Teilchen des mindestens einen Metalls bestehen.