EA050552B1 - THERMOCHEMICAL TREATMENT OF EXOTHERMIC METAL SYSTEMS - Google Patents

THERMOCHEMICAL TREATMENT OF EXOTHERMIC METAL SYSTEMS

Info

Publication number
EA050552B1
EA050552B1 EA201990031 EA050552B1 EA 050552 B1 EA050552 B1 EA 050552B1 EA 201990031 EA201990031 EA 201990031 EA 050552 B1 EA050552 B1 EA 050552B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
metal
powder
chlorides
reaction
product
Prior art date
Application number
EA201990031
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Джавад Хайдар
Original Assignee
Киналтек Пти. Лтд.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Киналтек Пти. Лтд. filed Critical Киналтек Пти. Лтд.
Publication of EA050552B1 publication Critical patent/EA050552B1/en

Links

Abstract

Данное изобретение относится к способу контроля экзотермических реакций между хлоридами металлов, таких как Zn, V, Cr, Со, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo, и Al, а также к применению способа для получения металлических сплавов и соединений на базе основных металлов, таких как Zn, V, Cr, Со, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo. Способ обеспечивает смесь химических предшественников, включая по меньшей мере один твердый хлорид основного металла, который смешивают и он экзотермически взаимодействует с контрольным порошком на основе Zn, V, Cr, Со, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo, а затем получающиеся промежуточные продукты взаимодействуют с алюминиевым (А1) поглотителем. Восстановление проводят контролируемым образом, управляя скоростью реакции и предотвращая чрезмерное повышение температуры реагентов и продуктов реакции.This invention relates to a method for controlling exothermic reactions between chlorides of metals such as Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, and Al, as well as to the use of the method for producing metal alloys and compounds based on base metals such as Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo. The method provides a mixture of chemical precursors, including at least one solid chloride of the base metal, which is mixed and exothermically reacts with a control powder based on Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, and then the resulting intermediate products react with an aluminum (Al) absorber. The reduction is carried out in a controlled manner, controlling the reaction rate and preventing an excessive increase in the temperature of the reactants and reaction products.

Description

Область техникиField of technology

Настоящее изобретение относится к способу получения сплавов и соединений на основе одного или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Al, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо и/или Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re.The present invention relates to a method for producing alloys and compounds based on one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Al, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo and/or Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re.

Уровень техникиState of the art

Металлические порошки на основе сплавов и соединений переходных металлов могут быть использованы в различных промышленных применениях. Металлические порошки часто получают с помощью многостадийного процесса плавки, включая плавление слитков из необходимых компонентов сплава с последующим испарением или распылением. Путь плавления состоит из значительных трудностей при изготовлении многих композиций, когда эти сплавы включают реакционноспособные добавки. Также существует потребность в точном и однородном составе по всему порошковому продукту, что трудно достичь, когда составляющие элементы имеют сильно отличающиеся физические свойства.Metal powders based on transition metal alloys and compounds can be used in a variety of industrial applications. Metal powders are often produced through a multi-stage melting process, including melting ingots of the required alloy components followed by evaporation or atomization. The melting process poses significant challenges in the production of many compositions when these alloys include reactive additives. There is also a need for a precise and uniform composition throughout the powder product, which is difficult to achieve when the constituent elements have widely varying physical properties.

Некоторые порошки из чистых металлов получают, используя карбонильный путь, когда металлические составляющие превращают в газообразные карбонилы металлов, которые затем нагревают в условиях, подходящих для разложения на соответствующий металл, при этом продукт обычно находится в форме порошка. Этот путь используют в промышленном масштабе для производства некоторых материалов, таких как Ni, но, как правило, он не подходит для получения большинства сплавов.Some pure metal powders are produced using the carbonyl route, where metallic components are converted into gaseous metal carbonyls, which are then heated under conditions suitable for decomposition into the corresponding metal, with the product typically in powder form. This route is used on an industrial scale to produce certain materials, such as Ni, but is generally unsuitable for producing most alloys.

Существует потребность в новой технологии, чтобы избежать трудностей, связанных с существующим способом при непрямом плавлении для производства сплавов, и чтобы можно было получать высококачественные порошки при низких затратах. Точно так же существует потребность в новом способе, позволяющем получать соединения, которые не могут быть получены с использованием современных способов плавления, когда составляющие элементы химически не совместимы.There is a need for a new technology to overcome the difficulties associated with the existing indirect melting process for alloy production, allowing for the production of high-quality powders at a low cost. Similarly, there is a need for a new method to produce compounds that cannot be produced using current melting methods when the constituent elements are chemically incompatible.

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения порошков переходных металлов, порошков металлических сплавов или порошков соединений металлов с низкой стоимостью их получения.The present invention relates to a method and device for producing transition metal powders, metal alloy powders or metal compound powders at low production costs.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Нижеприведенные термины здесь имеют следующие значения, если не указано иное.The following terms have the following meanings unless otherwise specified.

Термин основной металл относится к одному или более элементам, таким как Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os и Re.The term base metal refers to one or more elements such as Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os and Re.

Термин сплавы из основных металлов относится к сплавам или соединениям на основе основных металлов, содержащим основные металлы с общей концентрацией более 10 мас.%, в частности, более 25 мас.%, или, в частности, более 50 мас.%.The term base metal alloys refers to base metal based alloys or compounds containing base metals in a total concentration of more than 10 wt.%, in particular more than 25 wt.%, or in particular more than 50 wt.%.

Термин легирующие добавки относится к одному или более элементам или соединениям на основе О, N, S, Р, С, В, Si, Mn, Ti, Zr и Hf. Металлические добавки могут иметь индивидуальные концентрации предпочтительно ниже 10 мас.%, а общая концентрация всех добавок может составлять предпочтительно менее 50 мас.%. Однако концентрация Al может доходить до 90 мас.%, а концентрации С, В и Si могут составлять более 25 мас.%.The term alloying additives refers to one or more elements or compounds based on O, N, S, P, C, B, Si, Mn, Ti, Zr, and Hf. The metallic additives may have individual concentrations preferably below 10 wt.%, and the total concentration of all additives may preferably be less than 50 wt.%. However, the concentration of Al may reach up to 90 wt.%, and the concentrations of C, B, and Si may be greater than 25 wt.%.

Термин Al восстановитель относится к чистому Al или алюминиевому сплаву в форме порошка, используемому для восстановления реагента на основе галогенидов основных металлов.The term Al reducing agent refers to pure Al or aluminum alloy in powder form used to reduce base metal halide reagent.

Термины контрольный порошок или контрольный агент относятся к порошкам, добавляемым в реагенты для контроля или изменения энергии/кинетики реакции восстановления. Контрольный порошок представляет собой твердый порошок, реакционная способность которого с галогенидами основных металлов или Al восстановителем меньше, чем реакционная способность галогенидов с Al восстановителем. Контрольный порошок или контрольный агент может быть изготовлен из чистого металла или соединения на основе металлов, такого как сплав, интерметаллид, галогенид (например, хлорид), оксид или нитрид.The terms control powder or control agent refer to powders added to reactants to control or alter the energy/kinetics of a reduction reaction. A control powder is a solid powder whose reactivity with base metal halides or an Al reducing agent is less than the reactivity of the halides with an Al reducing agent. The control powder or control agent can be made from a pure metal or a metal-based compound, such as an alloy, intermetallic, halide (e.g., chloride), oxide, or nitride.

Термин галогенид (галогениды) основных металлов относится к исходному галогениду (галогенидам) основных металлов, например, хлориду (хлоридам), а термин субгалогенид (субгалогениды) основных металлов относится к галогенидам с более низкой валентностью, чем у исходного галогенида (галогенидов).The term major metal halide(s) refers to the parent halide(s) of the major metal, such as chloride(s), and the term major metal subhalide(s) refers to halides of lower valence than the parent halide(s).

Термины AlCl3, хлорид алюминия и хлориды алюминия могут относиться к описанию всех соединений Al-Cl, включая AlCl3 и Al2Cl6 как в газовой, так и в твердой фазах. Галогенид алюминия имеет аналогичное значение.The terms AlCl 3 , aluminum chloride, and aluminum chlorides can refer to all Al-Cl compounds, including AlCl 3 and Al 2 Cl 6 in both gas and solid phases. Aluminum halide has a similar meaning.

Термин в форме мелких частиц относится к порошкам со средним размером частиц менее 500 мкм, предпочтительно менее 50 мкм и более предпочтительно менее 15 мкм по меньшей мере по одному из измерений.The term "fine particle form" refers to powders with an average particle size of less than 500 µm, preferably less than 50 µm, and more preferably less than 15 µm in at least one dimension.

Для основных металлов, к которым относится настоящее изобретение, реакция восстановления хлоридов основных металлов с помощью Al является высоко экзотермичной, что может привести к термическому неуправляемому эффекту с чрезмерным повышением температуры реагентов. Настоящее изобретение обеспечивает способ управления экзотермическими реакциями между хлоридами основных металлов и Al, и этот способ используют для восстановления твердых хлоридов металлов на основе Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо с получением основных металлов или их сплавов.For the base metals to which this invention pertains, the reduction reaction of base metal chlorides with Al is highly exothermic, which can lead to thermal runaway with excessive increases in the reactant temperature. The present invention provides a method for controlling exothermic reactions between base metal chlorides and Al, and this method is used to reduce solid metal chlorides based on Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, and Mo to produce base metals or their alloys.

- 1 050552- 1 050552

В одном воплощении в способе преодолены термические неуправляемые вследствие экзотермических реакций эффекты путем контактирования порошка галогенида основных металлов с контрольным порошком и путем контактирования этой смеси с Al восстановителем. Включение контрольного порошка позволяет снизить скорость экзотермической реакции, добавить термическую массу и, возможно, он действует как восстановитель, частично восстанавливая галогениды основных металлов до промежуточного соединения. Далее будут сделаны ссылки на хлориды основных металлов, чтобы проиллюстрировать способ и объяснить различные стадии обработки. Однако использование других галогенидов входит в объем изобретения, и использованный пример хлорида не является ограничивающим.In one embodiment, the method overcomes thermal runaway effects due to exothermic reactions by contacting a base metal halide powder with a control powder and then contacting this mixture with an Al reducing agent. The inclusion of the control powder helps slow the rate of the exothermic reaction, adds thermal mass, and possibly acts as a reducing agent, partially reducing the base metal halides to an intermediate compound. Reference will now be made to base metal chlorides to illustrate the method and explain the various processing steps. However, the use of other halides is within the scope of the invention, and the chloride example used is not limiting.

Реакции между хлоридами основных металлов и Al можно разделить на две стадии, где хлориды основных металлов смешивают и подвергают взаимодействию с контрольным порошком на основе Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo, а затем полученный промежуточный продукт подвергают взаимодействию с Al поглотителем. Две стадии реакции выполняют так, что при этом обеспечивается комбинация механизмов контроля, включающих обеспечение контрольного порошка для: (i) реакции с хлоридами основных металлов, (ii) замедление скорости реакции, (iii) снижение интенсивности экзотермического тепловыделения и (iv) поглощения тепла, выделяемого в результате реакции; и возможно обеспечение внешних дополнительных средств для контроля скорости реакции посредством постепенного смешивания и взаимодействия твердых реагентов; и возможно обеспечение внешнего эффективного управления энергией для удаления тепла, образующегося в ходе реакций.The reactions between the chlorides of the main metals and Al can be divided into two stages, where the chlorides of the main metals are mixed and reacted with a control powder based on Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, and then the resulting intermediate product is reacted with an Al absorber. The two reaction stages are carried out in such a way that a combination of control mechanisms is ensured, including providing a control powder for: (i) reaction with the chlorides of the main metals, (ii) slowing down the reaction rate, (iii) reducing the intensity of exothermic heat release and (iv) absorbing the heat released as a result of the reaction; and possibly providing external additional means for controlling the reaction rate through gradual mixing and interaction of solid reactants; and possibly providing external effective energy management for removing the heat generated during the reactions.

Процесс восстановления может быть разделен на две стадии:The recovery process can be divided into two stages:

стадию восстановления для осуществления контролируемого восстановления хлоридов основных металлов с помощью контрольного порошка и Al поглотителя при температурах менее 660°С, предпочтительно менее 500°С; и стадию очистки при температурах выше точек сублимации/испарения хлоридов для очистки порошкового продукта и индукции агломерации, когда это необходимо.a reduction step for carrying out controlled reduction of the chlorides of the base metals using a control powder and an Al absorbent at temperatures below 660°C, preferably below 500°C; and a cleaning step at temperatures above the sublimation/evaporation points of the chlorides to clean the powder product and induce agglomeration when necessary.

Процесс может быть осуществлен полностью в периодическом режиме, в полупериодическом режиме или полностью в непрерывном режиме.The process can be carried out entirely in batch mode, in semi-batch mode or entirely in continuous mode.

Настоящее изобретение включает несколько аспектов.The present invention includes several aspects.

В первом аспекте предложен способ контролируемого экзотермического восстановления галогенида одного или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os и Re, с Al восстановителем, причем способ включает:In the first aspect, a method is provided for the controlled exothermic reduction of a halide of one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os and Re, with an Al reducing agent, wherein the method comprises:

контактирование указанного одного или более галогенидов металлов, контрольного порошка и Al восстановителя, находящихся в форме мелких частиц, при температурах между 25°С и максимальной температурой Tmax с образованием металлов или продукта из металлического сплава в форме порошка и побочного включающего хлорид алюминия продукта; и отделение побочных продуктов от порошкового продукта из металлического сплава;contacting said one or more metal halides, a control powder and an Al reducing agent in the form of fine particles at temperatures between 25°C and a maximum temperature Tmax to form metals or a metal alloy product in the form of a powder and a by-product comprising aluminum chloride; and separating the by-products from the metal alloy powder product;

где контрольный порошок включает один или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо или их сплав или их соединение, и служит для контролирования экзотермического выделения тепла при реакции восстановления, тем самым поддерживается температура реакции ниже Tmax; и где Tmax находится между 400°С и 1100°С, причем она ниже температуры плавления основного металла или продукта из металлического сплава.wherein the control powder comprises one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo or an alloy or compound thereof, and serves to control the exothermic heat release during the reduction reaction, thereby maintaining the reaction temperature below T max ; and wherein T max is between 400°C and 1100°C, wherein it is below the melting point of the base metal or metal alloy product.

Контрольный порошок может быть конечным, полностью восстановленным продуктом по способу, или промежуточным, частично восстановленным продуктом по способу, или порошком, отличным от конечного продукта, но выбранным из одного или более чем одного другого основного металла, совместимого с требуемым составом необходимого конечного продукта. В предпочтительном воплощении контрольный порошок может также включать хлориды алюминия, и при сублимации хлорида алюминия он действует как охлаждающий агент, отводя тепло из реакционной зоны, в которой происходят экзотермические химические реакции.The control powder may be the final, fully reduced product of the process, or an intermediate, partially reduced product of the process, or a powder different from the final product but selected from one or more other base metals compatible with the desired composition of the desired final product. In a preferred embodiment, the control powder may also include aluminum chlorides, and upon sublimation of the aluminum chloride, it acts as a cooling agent, removing heat from the reaction zone where the exothermic chemical reactions occur.

Во втором аспекте предложен двухстадийный способ получения неорганических порошков на основе Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо и/или Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re, где на первой стадии восстановления (в дальнейшем называемой стадией восстановления) хлориды основных металлов, контрольный порошок и порошок из алюминиевого сплава постепенно вводят в первую реакционную зону при температуре от 25°С до 700°С, предпочтительно от 160°С до 660°С, более предпочтительно от 200°С до 600°С, и смесь постепенно реагирует при регулировании скорости подачи реагента, чтобы поддерживать умеренную температуру реагентов ниже 660°С, предпочтительно ниже 600°С; контрольным порошком могут быть полученные продукты из основных металлов. Скорость подачи, смешивание и соотношение контрольного порошка и хлоридов основных металлов являются механизмами управления, которые можно использовать для ограничения повышения температуры вследствиеIn the second aspect, a two-stage method for producing inorganic powders based on Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo and/or Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re is proposed, wherein in the first reduction stage (hereinafter referred to as the reduction stage), chlorides of the base metals, a control powder and an aluminum alloy powder are gradually introduced into the first reaction zone at a temperature of from 25°C to 700°C, preferably from 160°C to 660°C, more preferably from 200°C to 600°C, and the mixture gradually reacts while adjusting the reagent feed rate to maintain a moderate temperature of the reagents below 660°C, preferably below 600°C; the control powder can be the obtained products from the base metals. Feed rate, mixing and the ratio of control powder to base metal chlorides are control mechanisms that can be used to limit the temperature rise due to

- 2 050552 выделения экзотермической энергии и поддержания равновесия между теплом, выделяемым в ходе реакций, и теплом, отводимом при внешнем охлаждении. В конце стадии восстановления происходит образование твердого порошкообразного металлического продукта, который может включать в себя остаточные хлориды основных металлов и остаточный Al восстановитель;- 2 050552 release of exothermic energy and maintaining equilibrium between the heat released during reactions and the heat removed by external cooling. At the end of the reduction stage, a solid powdered metallic product is formed, which may include residual chlorides of the main metals and residual Al reducing agent;

на второй стадии очистки (в дальнейшем называемой стадией очистки) продукты со стадии восстановления переводят во вторую реакционную зону и нагревают до температуры, которая выше температуры сублимации/испарения хлоридов основных металлов и предпочтительно ниже температуры плавления продуктов из сплавов основных металлов; стадия очистки служит для очистки порошкового продукта и завершения реакции, приводящей к образованию твердого порошкового продукта и газообразных побочных продуктов.In the second purification stage (hereinafter referred to as the purification stage), the products from the reduction stage are transferred to the second reaction zone and heated to a temperature that is higher than the sublimation/evaporation temperature of the base metal chlorides and preferably lower than the melting temperature of the base metal alloy products; the purification stage serves to purify the powder product and complete the reaction resulting in the formation of a solid powder product and gaseous by-products.

В третьем аспекте предложен способ получения катализаторов и структурированных материалов, где продукт представляет собой металл, сплав или соединение на базе одного или более основных металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Al, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo и/или Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re, и дополнительно включает легирующие добавки. Согласно способу по этому аспекту, основной металл или сплав из основных металлов получают в соответствии со способами по первому или второму аспектам, и способ может включать в себя дополнительную стадию последующей обработки полученного порошка из сплава основных металлов, чтобы вызвать изменения в его составе и/или морфологии. Средства для выполнения дополнительной стадии могут включать растворение Al в щелочном или кислом растворе и взаимодействие порошка из основных металлов с реакционноспособными элементами, такими как кислород, водород, натрий и/или сера. Контрольный порошок может быть конечным или промежуточным продуктом способа или порошком, отличным от конечного продукта и добавляемым к исходным химическим веществам.In the third aspect, a method for producing catalysts and structured materials is proposed, wherein the product is a metal, alloy or compound based on one or more base metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Al, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo and/or Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re, and additionally includes alloying additives. According to the method of this aspect, the base metal or alloy of base metals is obtained in accordance with the methods of the first or second aspects, and the method may include an additional step of post-processing the obtained base metal alloy powder to cause changes in its composition and/or morphology. The means for performing the additional step may include dissolving Al in an alkaline or acidic solution and reacting the base metal powder with reactive elements such as oxygen, hydrogen, sodium and/or sulfur. The control powder may be a final or intermediate product of the process, or a powder different from the final product and added to the starting chemicals.

В четвертом аспекте предложен способ получения многокомпонентных порошковых сплавов и композитов, где контрольный порошок имеет существенно другой состав по сравнению с элементным составом, полученным путем восстановления исходных хлоридов основных металлов с помощью Al, и где конечный продукт содержит значительное количество непрореагировавшего контрольного порошка; контрольный порошок может быть в форме порошка с температурой плавления выше 660°С. Контрольный порошок образует один из компонентов продукта.The fourth aspect provides a method for producing multicomponent powder alloys and composites, wherein the control powder has a significantly different composition compared to the elemental composition obtained by reducing the initial chlorides of the base metals using Al, and wherein the final product contains a significant amount of unreacted control powder; the control powder may be in the form of a powder with a melting point above 660°C. The control powder forms one of the components of the product.

Тепло может быть отведено из реагентов, чтобы ограничить повышение температуры до допустимого уровня из-за экзотермического выделения энергии.Heat can be removed from the reactants to limit the temperature rise to an acceptable level due to exothermic energy release.

В пятом аспекте изобретения предложено модульное устройство для получения основных металлов или порошков из сплавов основных металлов на основе Al, Zn, V, Cr, Со, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо и/или Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re.In the fifth aspect of the invention, a modular device is proposed for producing base metals or powders from base metal alloys based on Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo and/or Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re.

Это устройство может включать контейнеры для хранения твердых реагентов в инертной атмосфере, и дополнительные устройства для подачи порошка, и смесители для порошков, и первый реактор, способный работать с металлическими порошками и хлоридами металлов при температуре до 700°С; этот реактор включает средства, предназначенные для подачи, смешивания, перемешивания и для реагирования отдельного потока материалов, содержащего восстанавливаемые химические вещества, контрольный порошок и Al восстановитель; реактор предназначен для нагрева реагентов до первой температуры, достаточной для осуществления реакции в смеси между восстанавливаемыми химическими веществами, контрольным порошком и алюминием, с образованием промежуточных продуктов на базе основных металлов; реактор включает секцию с более низкой температурой для конденсации химических веществ из реактора и хлоридов алюминия, если это необходимо.This device may include containers for storing solid reactants in an inert atmosphere, and additional devices for feeding powder, and mixers for powders, and a first reactor capable of handling metal powders and metal chlorides at a temperature of up to 700°C; this reactor includes means for feeding, mixing, stirring and reacting a separate stream of materials containing reducible chemicals, a control powder and an Al reducing agent; the reactor is designed to heat the reactants to a first temperature sufficient to carry out a reaction in the mixture between the reducible chemicals, the control powder and aluminum, with the formation of intermediate products based on basic metals; the reactor includes a section with a lower temperature for condensation of chemicals from the reactor and aluminum chlorides, if necessary.

Первый реактор включает устройство для перемещения реагентов в реактор, а также для рециркуляции по меньшей мере части промежуточных продуктов для использования в качестве контрольного порошка, и второй высокотемпературный реактор, способный нагреваться до 1100°С, и который предназначен для нагрева реагентов из первого реактора до второй температуры, достаточной для дальнейшего взаимодействия промежуточного порошкового продукта и образования твердого порошкового продукта на базе основных металлов;The first reactor includes a device for moving reactants into the reactor, as well as for recycling at least a portion of the intermediate products for use as a control powder, and a second high-temperature reactor capable of heating to 1100°C, and which is designed to heat the reactants from the first reactor to a second temperature sufficient for further interaction of the intermediate powder product and the formation of a solid powder product based on basic metals;

контейнер для сбора побочных продуктов и контейнер для сбора продукта.by-product collection container and product collection container.

Как правило, устройство включает в себя нагревающее/охлаждающее устройство для регулирования температуры реагентов в пределах требуемой операции и характеристик продукта. Могут быть предусмотрены отверстия для введения инертных и химически активных газов.Typically, the device includes a heating/cooling device to regulate the temperature of the reactants within the required operating range and product characteristics. Ports may be provided for the introduction of inert and chemically active gases.

Устройство по пятому аспекту изобретения предпочтительно подходит для реализации способа по любому из аспектов изобретения, описанных в данном документе.The device according to the fifth aspect of the invention is preferably suitable for implementing the method according to any of the aspects of the invention described herein.

- 3 050552- 3 050552

Один аспект по настоящему изобретению обеспечивает новый способ контроля экзотермических реакций между хлоридами основных металлов и Al, и процесс, в котором реализуется способ прямого получения основных металлов или порошковых сплавов, используя недорогие химические вещества. Изобретение преодолевает трудности, обычно связанные с маршрутом плавления/атомизации, таким как сегрегация, и позволяет получать сплавы с такими качествами, которые невозможно получить по маршруту плавления. Настоящее изобретение относится к основном металлам Мъ, где все реакции между Al и любыми стабильными видами хлоридов на основе Mb и Cl (MbClx), приводящие к основному металлу, являются экзотермическими при всех температурах обработки от 25°С до 1000°С, относящихся к условиям обработки требуемых сплавов из основных металлов.One aspect of the present invention provides a new method for controlling exothermic reactions between base metal chlorides and Al, and a process that enables the direct production of base metals or powder alloys using inexpensive chemicals. The invention overcomes difficulties typically associated with the melting/atomization route, such as segregation, and enables the production of alloys with properties that are not obtainable via the melting route. The present invention relates to base metals Mb, wherein all reactions between Al and any stable chloride species based on Mb and Cl ( Mb Clx ), leading to the base metal, are exothermic at all processing temperatures from 25°C to 1000°C, relevant to the processing conditions of the desired base metal alloys.

В наиболее предпочтительном воплощении способ предусматривает процедуры восстановления хлоридов основных металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо, для получения основного металла или сплавов. В способе используют Al в качестве поглотителя хлора и способ обеспечивает безопасные и эффективные средства для преодоления трудностей, связанных с чрезвычайной реакционной способностью Al и восстанавливаемых хлоридов основных металлов. Способ позволяет включать добавки на основе легирующих элементов и Al. В воплощениях, обсуждаемых в следующих разделах, описаны процедуры и правила для реализации способа и для контроля тепловых эффектов, обусловленных энергией, выделяемой при реакции восстановления.In a particularly preferred embodiment, the method comprises procedures for reducing chlorides of base metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, and Mo to produce base metals or alloys. The method utilizes Al as a chlorine scavenger and provides a safe and effective means for overcoming the difficulties associated with the extreme reactivity of Al and the reduced chlorides of base metals. The method allows for the inclusion of additives based on alloying elements and Al. The embodiments discussed in the following sections describe procedures and rules for implementing the method and for controlling the thermal effects caused by the energy released during the reduction reaction.

Способ по настоящему изобретению может быть осуществлен в периодическом режиме, полунепрерывном режиме или в непрерывном режиме путем экзотермической реакции между твердыми хлоридами основных металлов, контрольным порошком и восстановителями, содержащими Al. Реакционную стадию предпочтительно осуществляют путем взаимодействия сначала хлоридов основных металлов с контрольным порошком, а затем путем взаимодействия полученной смеси с Al. Способ предусматривает, что отдельные потоки восстанавливаемых хлоридов основных металлов и Al восстановителя должны непрерывно подавать в реакционную зону, содержащую контрольный порошок, по схеме, предназначенной для эффективного управления теплом, выделяемым взаимодействующими реагентами при экзотермическом восстановлении.The method of the present invention can be carried out in a batch mode, a semi-continuous mode, or a continuous mode by an exothermic reaction between solid chlorides of the base metals, a control powder, and reducing agents containing Al. The reaction stage is preferably carried out by first reacting the chlorides of the base metals with the control powder, and then by reacting the resulting mixture with Al. The method provides that separate streams of the reduced chlorides of the base metals and the Al reducing agent should be continuously fed into the reaction zone containing the control powder, according to a scheme designed to effectively manage the heat released by the reacting reagents during the exothermic reduction.

В одном предпочтительном воплощении способ включает стадии смешивания и взаимодействия первого потока восстанавливаемых химических веществ-предшественников, включающего по меньшей мере один восстанавливаемый твердый хлорид основного металла, второго потока, включающего контрольный порошок и третьего потока, включающего Al восстановитель в форме мелких твердых частиц, при температурах от T0 до Tmax с образованием продукта в форме порошка и побочного продукта, включая газообразный хлорид алюминия; T0 предпочтительно находится ниже точки плавления Al восстановителя, а Tmax составляет от 400°С до 1100°С; реакции между восстанавливаемым хлоридом (хлоридами) и Al восстановителем являются экзотермическими, при этом способ включает средства для контроля скорости реакции и ограничения температуры реагентов до менее чем 1100°С, более предпочтительно до менее чем 1000°С и еще более предпочтительно до менее чем 900°С. Восстанавливаемая смесь может содержать химические вещества-предшественники для легирующих добавок, включая металлы, полуметаллы и неметаллы из Периодической таблицы Д.И. Менделеева.In one preferred embodiment, the method comprises the steps of mixing and reacting a first stream of reducible precursor chemicals comprising at least one reducible solid chloride of the parent metal, a second stream comprising a control powder, and a third stream comprising an Al reducing agent in the form of fine solid particles, at temperatures from T 0 to T max to form a product in the form of a powder and a by-product including gaseous aluminum chloride; T 0 is preferably below the melting point of the Al reducing agent, and T max is from 400 °C to 1100 °C; the reactions between the reducible chloride(s) and the Al reducing agent are exothermic, and the method comprises means for controlling the reaction rate and limiting the temperature of the reactants to less than 1100 °C, more preferably to less than 1000 °C, and even more preferably to less than 900 °C. The mixture being reduced may contain chemical precursors to alloying additives, including metals, semimetals, and nonmetals from the Periodic Table.

Tmax зависит от физических характеристик продуктов из основных металлов и обычно ограничена температурой его плавления. Tmax составляет от 400°С до 1100°С и она предпочтительно выше, чем температура сублимации/испарения исходных хлоридов основных металлов, но предпочтительно ниже температуры плавления основных металлов или продукта из сплава. Tmax depends on the physical characteristics of the base metal products and is usually limited by their melting point. Tmax ranges from 400°C to 1100°C and is preferably higher than the sublimation/evaporation temperature of the parent base metal chlorides, but preferably lower than the melting point of the base metals or the alloy product.

В одном воплощении Tmax ниже 1100°С. Во втором воплощении Tmax ниже 1000°С. В третьем воплощении Tmax ниже 900°С. В четвертом воплощении Tmax ниже 800°С.In one embodiment, T max is below 1100°C. In a second embodiment, T max is below 1000°C. In a third embodiment, T max is below 900°C. In a fourth embodiment, T max is below 800°C.

В пятом воплощении Tmax ниже 700°С. В шестом воплощении Tmax ниже 600°С.In the fifth embodiment, T max is below 700°C. In the sixth embodiment, T max is below 600°C.

Исходное количество Al восстановителя зависит от количества исходных восстанавливаемых химических веществ и требуемой концентрации Al в конечных продуктах. Количество Al в исходных материалах относительно восстанавливаемых химических веществ предпочтительно соответствует значению от 80% до 5000% от количества, требуемого для восстановления всех восстанавливаемых химических веществ-предшественников до основных металлов в их элементарном состоянии. Количество Al в продукте из основных металлов составляет от 0,0001 мас.%, до 90 мас.%.The initial amount of Al reducing agent depends on the amount of the starting chemicals being reduced and the required Al concentration in the final products. The amount of Al in the starting materials relative to the chemicals being reduced preferably corresponds to a value of 80% to 5000% of the amount required to reduce all the precursor chemicals to their elemental base metals. The amount of Al in the base metal product ranges from 0.0001 wt.% to 90 wt.%.

Выбор контрольного порошка зависит от требуемых характеристик изделий из порошковых сплавов. Для обычных сплавов и соединений контрольный порошок может представлять собой предварительно обработанный продукт или полуобработанный продукт реакции, который предпочтительно смешивают и подвергают взаимодействию с исходными твердыми восстанавливаемыми предшественниками до осуществления реакции с алюминиевым (Al) сплавом. Кроме того, контрольный порошок может быть одним из компонентов требуемого основного металла или продукта из сплава. В частицах основных металлов в контрольном порошке содержание Cl предпочтительно составляет менее 50%, предпочтительно менее 75% от исходных реагентов. Для получения композитных продуктов или многокомпонентных продуктов контрольный порошок может быть одним из компонентов продукта и может отличаться от обрабатываемых видов основных металлов.The choice of control powder depends on the desired characteristics of the powder alloy products. For conventional alloys and compounds, the control powder may be a pretreated product or a semi-finished reaction product, which is preferably mixed and reacted with the starting solid reducible precursors before the reaction with the aluminum (Al) alloy. Furthermore, the control powder may be one of the components of the desired base metal or alloy product. The Cl content of the base metal particles in the control powder is preferably less than 50%, preferably less than 75%, of the starting reactants. For the production of composite or multicomponent products, the control powder may be one of the product components and may differ from the base metal species being processed.

- 4 050552- 4 050552

Относительное количество исходных твердых хлоридов основных металлов и контрольного порошка зависит от комбинации факторов, включая свободную энергию Гиббса реакции между хлоридом основного металла и Al, а также термические свойства реагентов и контрольного порошка, и обычно составляет от 0,03:1 до 50:1 или 100:1 по массе; для некоторых сильно экзотермических реакций соотношение между хлоридом и контрольным порошком может составлять 1:35 по массе.The relative amounts of the parent solid chlorides of the base metals and the control powder depend on a combination of factors including the Gibbs free energy of the reaction between the base metal chloride and Al and the thermal properties of the reactants and the control powder, and typically range from 0.03:1 to 50:1 or 100:1 by weight; for some highly exothermic reactions, the ratio between chloride and control powder may be 1:35 by weight.

Настоящий подход позволяет с низкими затратами получать широкий спектр существующих распространенных сплавов и композиций в дополнение к другим композициям, которые иначе невозможно было бы получить в коммерческих количествах. Преимущество настоящего подхода в его предпочтительных формах по сравнению с предшествующим уровнем техники заключается в способности достигать эффективного контроля над механизмами реакции и максимизировать выход реакции при меньшем количестве исходных материалов-предшественников.The present approach enables the low-cost production of a wide range of existing, common alloys and compositions, in addition to other compositions that would otherwise be unattainable in commercial quantities. The advantage of the present approach in its preferred forms over the prior art lies in the ability to achieve effective control over reaction mechanisms and maximize reaction yields with smaller amounts of precursor starting materials.

Признаки предпочтительных форм настоящего подхода включают в себя.Features of preferred forms of this approach include:

1. Экзотермические реакции восстановления между восстанавливаемыми хлоридами основных металлов и Al проводят в безопасных контролируемых условиях.1. Exothermic reduction reactions between the reducible chlorides of the base metals and Al are carried out under safe, controlled conditions.

2. Контрольный порошок может служить как промежуточный восстановитель, позволяя контролировать кинетику реакции. Это особенно важно для многокомпонентных систем и хлоридов поливалентных основных металлов, где реакции между хлоридами основных металлов и контрольным порошком играют основную роль в замедлении выделения экзотермической энергии.2. The control powder can serve as an intermediate reducing agent, allowing for control of reaction kinetics. This is especially important for multicomponent systems and polyvalent base metal chlorides, where reactions between the base metal chlorides and the control powder play a key role in slowing the release of exothermic energy.

3. Восстановление хлоридов основных металлов в основном проводят на стадии восстановления при температурах ниже 600°С, в основном ниже 500°С. В аспектах способов по настоящему изобретению на стадии восстановления удаляют по меньшей мере 50%, а предпочтительно по меньшей мере 60% и более, предпочтительно по меньшей мере 75% хлора, содержащегося в исходных хлоридах основных металлов.3. The reduction of the base metal chlorides is generally carried out in the reduction step at temperatures below 600°C, generally below 500°C. In aspects of the methods of the present invention, at least 50%, and preferably at least 60% or more, preferably at least 75% of the chlorine contained in the starting base metal chlorides is removed in the reduction step.

4. Способ не зависит от получаемых промежуточных соединений, и для большинства основных металлов реакции восстановления идут с образованием непосредственно элементарных видов.4. The method does not depend on the intermediate compounds obtained, and for most basic metals the reduction reactions proceed with the formation of elemental species directly.

5. Контрольный порошок служит как теплопоглотитель и снижает скорость реакции между исходными химическими веществами, тем самым снижается интенсивность экзотермической энергии.5. The control powder serves as a heat absorber and reduces the reaction rate between the starting chemicals, thereby reducing the intensity of exothermic energy.

6. - Большинство реакций между восстанавливаемыми хлоридами и Al восстановителем происходят при температуре ниже 500°С, где алюминиды образуются слабо и медленно, что позволяет Al восстановителю оставаться активным для дальнейших реакций.6. - Most reactions between the chlorides being reduced and the Al reducing agent occur at temperatures below 500°C, where aluminides are formed weakly and slowly, allowing the Al reducing agent to remain active for further reactions.

7. Горячий побочный газ, образующийся в результате реакций, вызывает значительное перемешивание реагентов и помогает восстановить поверхность контакта между ними, что увеличивает выход реакции. Это помогает преодолеть ограничения на твердотельные реакции, обычно возникающие в результате диффузионно-контролируемой кинетики, когда продукты реакции образуют слои вокруг реагентов.7. The hot byproduct gas generated by the reactions causes significant mixing of the reactants and helps restore the contact surface between them, increasing the reaction yield. This helps overcome the limitations of solid-state reactions typically associated with diffusion-controlled kinetics, where the reaction products form layers around the reactants.

8. Экзотермические реакции могут включать реакции, включающие взаимодействие легирующих добавок или предшественников легирующих добавок с другими видами основных металлов или Al, и такими экзотермическими реакциями можно управлять с помощью процедур и воплощений, описанных в настоящем документе как часть способа.8. Exothermic reactions may include reactions involving the interaction of alloying elements or alloying element precursors with other types of base metals or Al, and such exothermic reactions may be controlled by the procedures and embodiments described herein as part of the method.

9. Способ будет проиллюстрирован в последующем обсуждении на примерах, основанных на простых реакциях стехиометрического восстановления с помощью чистого алюминия, приводящих к основному металлу (металлам).9. The method will be illustrated in the following discussion with examples based on simple stoichiometric reduction reactions with pure aluminum leading to the parent metal(s).

Общая реакция между хлоридами основных металлов и Al выглядит следующим образом:The general reaction between chlorides of the main metals and Al is as follows:

Mb представляет собой основное металлы, а MbClx представляет собой соответствующие восстанавливаемые хлориды основных металлов, AlCl3 (г) представляет собой газообразный хлорид алюминия, a ΔG представляет собой свободную энергию Гиббса для реакции (R1). Mb может быть в форме чистого элемента, такого как Та, твердого раствора, такого как Ni-Cu, соединения, такого как Ni3Al, или многокомпонентной системы, такой как композиты с металлической матрицей. Mb represents the host metals, MbClx represents the corresponding reducible chlorides of the host metals, AlCl3 (g) represents gaseous aluminum chloride, and ΔG is the Gibbs free energy for the reaction (R1). Mb can be in the form of a pure element such as Ta, a solid solution such as Ni-Cu, a compound such as Ni3Al , or a multicomponent system such as metal matrix composites.

Способность Al восстанавливать хлориды металлов (галогениды и оксиды в более общем смысле) хорошо известна, а алюмотермическое восстановление оксидов и галогенидов знают уже более 100 лет. Известно, что Al является универсальным реагентом, и его способность восстанавливать галогениды металлов обычно приводят в качестве примера реакций замещения, как правило встречающихся в учебниках для студентов и в эссе по основной химии (например, см. Aluminium Alloys - New Trends in Fabrication and Applications, Ed. Z Ahmad, InTech, 2012, DOI: 10.5772/52026; и Jena and Brocchi in Min. Proc. Ext. Met. Review vol. 16, pp. 211-37, 1996). Примеры ранних попыток получения металлических сплавов путем восстановления различных хлоридов металлов с помощью Al можно найти в US 3252823 и US 5460642. Другая соответствующая литература, касающаяся Al, также может быть найдена во многих ранних описаниях, относящихся к восстановлению хлоридов металлов и получению металлических сплавов (например, US 1373038, US 2791499 и US 2986462 и US 3801307, US460462 и US4191557).The ability of Al to reduce metal chlorides (halides and oxides more generally) is well known, and the aluminothermic reduction of oxides and halides has been known for over 100 years. Al is known to be a versatile reagent, and its ability to reduce metal halides is commonly cited as an example of substitution reactions commonly found in undergraduate textbooks and basic chemistry essays (e.g., see Aluminium Alloys - New Trends in Fabrication and Applications, Ed. Z Ahmad, InTech, 2012, DOI: 10.5772/52026; and Jena and Brocchi in Min. Proc. Ext. Met. Review vol. 16, pp. 211–37, 1996). Examples of early attempts to produce metal alloys by reducing various metal chlorides with Al can be found in US 3,252,823 and US 5,460,642. Other relevant literature concerning Al can also be found in many early descriptions relating to the reduction of metal chlorides and the production of metal alloys (e.g., US 1,373,038, US 2,791,499 and US 2,986,462 and US 3,801,307, US 4,60,462 and US 4,191,557).

Алюминотермическое восстановление соединений переходных металлов было активной областьюAluminothermic reduction of transition metal compounds has been an active area

- 5 050552- 5 050552

НИОКР (англ. R&D) с начала прошлого века. Основные трудности при алюминотермическом восстановлении хлоридов переходных металлов обусловлены двумя факторами: (i) склонностью Al легко сплавляться с другими металлами и (ii) экзотермические реакции между большинством хлоридов переходных металлов и Al часто приводят к неконтролируемому процессу с образованием произвольных алюминидных фаз. Решение этих трудностей зависит от индивидуальных химических свойств металлов и с точки зрения алюминотермического восстановления хлоридов металлов, переходные металлы можно классифицировать на три категории:R&D has been underway since the beginning of the last century. The main difficulties in the aluminothermic reduction of transition metal chlorides stem from two factors: (i) the tendency of Al to readily alloy with other metals and (ii) the exothermic reactions between most transition metal chlorides and Al often lead to uncontrolled reactions with the formation of arbitrary aluminide phases. The solution to these difficulties depends on the individual chemical properties of the metals, and from the perspective of aluminothermic reduction of metal chlorides, transition metals can be classified into three categories:

Категория 1. Системы, в которых реакции между хлоридами металлов и Al не являются экзотермическими (то есть Sc, Y и Hf). Для этой категории алюминотермическое восстановление хлоридов металлов может происходить только в сторону смещения равновесия вправо, как было описано для Sc в WO2014138813, где реакцию проводили при пониженных давлениях, чтобы вывести реакцию из равновесия и получить металлические соединения Sc. Для этой категории конечными продуктами обычно являются алюминиды металлов.Category 1. Systems in which reactions between metal chlorides and Al are non-exothermic (i.e., Sc, Y, and Hf). For this category, aluminothermic reduction of metal chlorides can only occur by shifting the equilibrium to the right, as described for Sc in WO2014138813, where the reaction was carried out at reduced pressures to disturb the equilibrium and produce metallic Sc compounds. For this category, the end products are typically metal aluminides.

Категория 2. Системы, где хлориды являются многовалентными, и реакции являются только частично экзотермическими, и где трудность главным образом связана с чрезмерным сродством между металлом и Al; то есть Ti, Zr и Mn. Для этой категории химический состав систем Ti-Cl-Al, Zr-Cl-Al и MnCl-Al отличается от всех других переходных металлов, поскольку реакции, приводящие к металлу, являются лишь частично экзотермическими, тогда как реакции, приводящие к алюминидам, экзотермичны.Category 2. Systems where the chlorides are multivalent and the reactions are only partially exothermic, and where the difficulty is primarily due to excessive affinity between the metal and Al; that is, Ti, Zr, and Mn. For this category, the chemical composition of the Ti-Cl-Al, Zr-Cl-Al, and MnCl-Al systems differs from all other transition metals, since the reactions leading to the metal are only partially exothermic, whereas those leading to aluminides are exothermic.

Для Mn и Zr путь восстановления Al не представляет большого интереса в литературе. Напротив, были предприняты обширные попытки получения сплавов Ti и сплавов Ti путем алюмотермического восстановления хлоридов титана. Для Ti реакция TiCl4 с Al, приводящая к TiCl2 и TiCl3, является экзотермической, но дальнейшая реакция субхлоридов титана с Al является эндотермической при температуре менее 550°С. Однако все реакции между TiClx и Al, приводящие к алюминидам, являются экзотермическими, и сродство между Ti и Al таково, что образование алюминидов термодинамически более выгодно, чем восстановление субхлоридов титана. Сочетание выделения экзотермической энергии для реакции TiCl4^TiCl3 и сродства Ti-Al означает, что восстановление TiCl4 непосредственно до металлических частиц на основе Ti приводит к продуктам с неконтролируемым составом и фазами. Чтобы отделить фактор экзотермичности от фактора сродства Ti-Al, были описаны различные варианты (например, US2745735, US8562712, US8632724, US8821612 и US8834601), где реакцию делят на две стадии; на первой стадии осуществляют восстановление TiCl4 до TiCl(2,3), а затем на второй стадии полученный TiCl(2,3) эндотермически взаимодействует с Al с образованием Ti. Этот подход ослабляет фактор сродства между Ti и Al. Существует несколько эффективных способов проведения первой стадии реакции от TiCl4 до субхлоридов (например, US3010787, US3172865, включая ссылки в них).For Mn and Zr, the Al reduction pathway has not received much attention in the literature. In contrast, extensive attempts have been made to prepare Ti alloys and Ti-alloys by the aluminothermic reduction of titanium chlorides. For Ti, the reaction of TiCl4 with Al, leading to TiCl2 and TiCl3 , is exothermic, but the further reaction of titanium subchlorides with Al is endothermic below 550°C. However, all reactions between TiClx and Al leading to aluminides are exothermic, and the affinity between Ti and Al is such that the formation of aluminides is thermodynamically more favorable than the reduction of titanium subchlorides. The combination of the exothermic energy release for the TiCl4 ^ TiCl3 reaction and the Ti-Al affinity means that the reduction of TiCl4 directly to Ti-based metallic particles leads to products with uncontrolled compositions and phases. In order to separate the exothermicity factor from the Ti-Al affinity factor, various approaches have been described (e.g., US2745735, US8562712, US8632724, US8821612, and US8834601) where the reaction is divided into two steps; in the first step, TiCl4 is reduced to TiCl( 2,3 ), and then in the second step , the resulting TiCl( 2,3 ) reacts endothermically with Al to form Ti. This approach weakens the affinity factor between Ti and Al. Several efficient routes exist for the first step reaction from TiCl4 to subchlorides (e.g., US3010787, US3172865, including references therein).

В большинстве описаний для получения Ti и сплавов Ti, в которых используют путь восстановления с помощью Al, условия реакции были организованы таким образом, чтобы изменяя равновесие контролировать/минимизировать образование алюминидов титана.In most reports on the preparation of Ti and Ti alloys using the Al reduction route, the reaction conditions were designed to control/minimize the formation of titanium aluminides by altering the equilibrium.

Как правило, алюминотермические процессы для получения металлов и сплавов в категориях 1 и 2 не подходят для других металлических систем, включающих экзотермические реакции.In general, aluminothermic processes for producing metals and alloys in Categories 1 and 2 are not suitable for other metal systems involving exothermic reactions.

Категория 3. Эта третья категория включает остальные переходные металлы, где все реакции между хлоридами и Al являются экзотермическими; здесь реакции между хлоридами металлов и Al обычно приводят к образованию неконтролируемых фаз из-за потери контроля над кинетикой реакции в результате экзотермического тепловыделения.Category 3. This third category includes the remaining transition metals, where all reactions between chlorides and Al are exothermic; here, reactions between metal chlorides and Al typically result in the formation of runaway phases due to the loss of control over the reaction kinetics as a result of exothermic heat generation.

Для этой третьей категории, состоящей из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Rh, Ir, Ru, Os, Pb, Sb, Bi, Cd, Ga и Re, образование алюминидов вследствие плавления частиц Al из-за экзотермических тепловых эффектов преобладает над нормальной легирующей активностью, приводящей к алюминидам. Авторы изобретения обнаружили, что удерживание Al в конечных продуктах может быть минимизировано, если избежать тепловых эффектов, связанных с выделением экзотермической энергии. В ходе экзотермических реакций между хлоридами переходных металлов категории 3 и Al может выделяться избыточное тепло вместе с выделением значительных количеств газообразных побочных продуктов, что может быть небезопасно. Например, реакция FeCl3+Al^Fe+AlCl3 AG=-264 кДж / моль (при 200°С) протекает очень быстро и температура получаемых продуктов может повыситься до 2000°С или более, что делает такой путь восстановления непригодным для получения порошковых сплавов на основе железа с соответствующими свойствами материала при приемлемых производственных затратах. Такие реакции трудно контролировать, а главная цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы описать процедуры для проведения реакций восстановления, эффективно приводящих к образованию высококачественных порошковых сплавов контролируемым и безопасным образом. Еще одной основной целью настоящего изобретения является создание способа контролирования реакций замещения между хлоридами основных металлов и Al на сильно локализованном уровне, при этом предотвращается и/или сводится к минимуму повышение температуры для всех реагентов.For this third category, consisting of Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, Mo, Rh, Ir, Ru, Os, Pb, Sb, Bi, Cd, Ga, and Re, the formation of aluminides due to melting of Al particles due to exothermic thermal effects predominates over the normal alloying activity that leads to aluminides. The inventors found that Al retention in the final products can be minimized by avoiding the thermal effects associated with the release of exothermic energy. Exothermic reactions between Category 3 transition metal chlorides and Al can generate excess heat along with significant amounts of gaseous byproducts, which can be hazardous. For example, the reaction FeCl 3 + Al ^ Fe + AlCl3 AG = -264 kJ / mol (at 200 ° C) occurs very rapidly and the temperature of the resulting products can increase to 2000 ° C or more, which makes this reduction route unsuitable for producing iron-based powder alloys with the appropriate material properties at acceptable production costs. Such reactions are difficult to control, and the main objective of the present invention is to describe procedures for conducting reduction reactions that effectively lead to the formation of high-quality powder alloys in a controlled and safe manner. Another main objective of the present invention is to provide a method for controlling substitution reactions between chlorides of the main metals and Al at a highly localized level, while preventing and/or minimizing the temperature increase for all reactants.

Настоящее изобретение относится к этой третьей категории и обеспечивает способ контроля реакции между Al и хлоридами переходных металлов, включая Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W,The present invention falls into this third category and provides a method for controlling the reaction between Al and transition metal chlorides including Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W,

- 6 050552- 6 050552

Pd, Mo, Rh, Ir, Ru и Os и/или Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, Re, позволяющий получать высококачественные порошковые сплавы и соединения на основе металлов этой категории. Насколько нам известно, в предшествующем уровне техники получение порошковых сплавов такого типа не описано.Pd, Mo, Rh, Ir, Ru, and Os, and/or Pb, Sb, Bi, In, Cd, Ga, Rh, Ir, Ru, Os, and Re, enabling the production of high-quality powder alloys and compounds based on metals in this category. To our knowledge, the production of powder alloys of this type has not been described in the prior art.

Настоящее изобретение относится к основном металлам Mb, где все реакции между Al и стабильными видами хлоридов на основе Mb и Cl(MbCl1-n), приводящие к элементарному основному металлу, являются экзотермическими при всех температурах обработки от 25°С до 1000°С в соответствии с условиям обработки требуемого сплава из основных металлов - согласно любому из следующих воплощений; Mb,Cl1-n представляет собой все стабильные виды хлоридов, которые могут образовываться во время обработки. Здесь и далее это условие называется критерием экзотермичности и, как определено в контексте настоящего изобретения, включены только основное металлы, удовлетворяющие этому критерию. Авторы изобретения обнаружили, что при использовании материалов, которые не соответствуют критерию экзотермичности, происходит удерживание избыточных количеств Al в конечных продуктах, а также происходит образование алюминидов основных металлов. Кроме того, металлы, которые не соответствуют критерию экзотермичности, имеют тенденцию реагировать в качестве восстановителя хлоридов основных металлов, что приводит к высоким уровням непрореагировавших хлоридов, остающихся в конечных продуктах. Например, когда используют цирконий, конечный продукт будет содержать высокие уровни Al вместе с остаточными хлоридами/субхлоридами циркония.The present invention relates to Mb base metals, wherein all reactions between Al and stable Mb- and Cl-based chloride species ( MbCl1 -n ) resulting in the elemental base metal are exothermic at all processing temperatures from 25°C to 1000°C in accordance with the processing conditions of the desired base metal alloy - according to any of the following embodiments; Mb,Cl1 -n represents all stable chloride species that may be formed during processing. Hereinafter, this condition is referred to as the exothermicity criterion and, as defined in the context of the present invention, only base metals that meet this criterion are included. The inventors have found that when using materials that do not meet the exothermicity criterion, excess Al is retained in the final products, and base metal aluminides are formed. Furthermore, metals that do not meet the exothermicity criterion tend to react as reducing agents for the base metal chlorides, resulting in high levels of unreacted chlorides remaining in the final products. For example, when zirconium is used, the final product will contain high levels of Al along with residual zirconium chlorides/subchlorides.

Предшествующие попытки по восстановлению смеси галогенидов (например, хлоридов) для непосредственного получения легированных продуктов были популярны, и они были описаны как в открытой литературе, так и в патентной литературе. Примеры можно найти в следующей литературе: например, DeKock and Huffman, Met. Trans. В, volume 18B (1987) 511; Cost affordable titanium IV, Imam, Froes and Dring, Trans Tech Publications 2010; и патенты США US4902341, US4830665, US6955703, US4687632, US6699305, US7435282 и US6902601. Более поздним примером является заявка на патент США US20160243622, в которой описан способ получения металлических порошков путем восстановления галогенидов металлов восстанавливающими элементами, включая Al. В этом описании галогениды многих переходных металлов восстанавливают при перемешивании в ванне металлическим восстановителем (например, Al), а затем полученные порошки отделяют от соли побочного продукта на второй стадии.Previous attempts to reduce a mixture of halides (e.g., chlorides) to directly produce alloyed products have been popular and have been described in both the open and patent literature. Examples can be found in the following literature: e.g., DeKock and Huffman, Met. Trans. B, volume 18B (1987) 511; Cost-affordable titanium IV, Imam, Froes and Dring, Trans Tech Publications 2010; and U.S. Patents US4902341, US4830665, US6955703, US4687632, US6699305, US7435282, and US6902601. A more recent example is U.S. Patent Application US20160243622, which describes a method for producing metal powders by reducing metal halides with reducing elements, including Al. In this description, halides of many transition metals are reduced by stirring in a bath with a metallic reducing agent (e.g., Al), and the resulting powders are then separated from the by-product salt in a second step.

Целью настоящего изобретения является не патентование восстановления смесей восстанавливаемых соединений, а предоставление нового способа для безопасного и эффективного восстановления смеси восстанавливаемых хлоридов с помощью Al с образованием полезных продуктов с контролируемыми характеристиками.The purpose of the present invention is not to patent the reduction of mixtures of reducible compounds, but to provide a new method for the safe and efficient reduction of a mixture of reducible chlorides using Al to form useful products with controlled characteristics.

В патенте США US 6902601 Nie с сотрудниками также использовали Al для восстановления хлоридов металлов с целью получения металлов и сплавов, начиная с восстановления хлоридов металлов. Nie с сотрудниками в качестве промежуточной среды использовали Н2, чтобы избежать контакта между элементами на основе металлов (хлориды металлов и металлы) и Al, избегая, таким образом, образования неконтролируемых алюминидных фаз, обычно образующихся при экзотермическом тепловыделении. Однако использование Н2 в US 6902601 имеет ограничения, связанные с различными аспектами, включая безопасность и качество материалов из-за возможного образования гидридов и диффузии Н2 в частицы порошка. Настоящее изобретение предлагает значительные усовершенствования по сравнению с описанным в US 6902601 подходом, состоящие в том, что с помощью них решают трудности, связанные с энергетикой процесса, при этом расширяется диапазон основных металлов, которые можно использовать, и не ухудшается качество продуктов за счет включения примесей.In US Patent No. 6,902,601, Nie et al. also used Al to reduce metal chlorides to produce metals and alloys, starting with the reduction of metal chlorides. Nie et al. used H2 as an intermediate medium to avoid contact between metal-based elements (metal chlorides and metals) and Al, thus avoiding the formation of uncontrolled aluminide phases typically formed during exothermic heat generation. However, the use of H2 in US Patent No. 6,902,601 has limitations related to various aspects, including material safety and quality due to the possible formation of hydrides and diffusion of H2 into powder particles. The present invention offers significant improvements over the approach described in US Patent No. 6,902,601 in that it addresses the difficulties associated with the energetics of the process, while expanding the range of base metals that can be used, and does not degrade the quality of the products due to the inclusion of impurities.

Авторы изобретения установили, что добавление контрольного порошка к реагентам из основных металлов и Al обеспечивает адекватный контроль кинетики реакции и позволяет безопасно восстанавливать хлориды основных металлов с помощью алюминия в контролируемых условиях. Авторы изобретения обнаружили, что контрольный порошок смягчает эффекты выделения экзотермической энергии несколькими различными способами.The inventors found that adding a control powder to the base metal and aluminum reactants provides adequate control of the reaction kinetics and allows for the safe reduction of base metal chlorides using aluminum under controlled conditions. The inventors also found that the control powder mitigates the effects of exothermic energy release in several different ways.

(i) Контрольный порошок позволяет разделить реакцию (R1) на две части:(i) The control powder allows the reaction (R1) to be divided into two parts:

МЬС1Х + η Мс = МРС1Х + AGb ΔΘι < 0 (R2)M b C1 X + η M c = M R C1 X + AG b ΔΘι < 0 (R2)

МРС1Х + х/3 А1 = Мр + х/3 А1С13 (г) + ΔΘ2, ΔΘ2<0 (R3)M R C1 X + x/3 A1 = M p + x/3 A1C1 3 (g) + ΔΘ 2 , ΔΘ 2 <0 (R3)

AG = AGi + AG2 AG = AGi + AG 2

Мс представляет собой контрольный порошок, ΔG1 и ΔG2 представляют собой свободную энергию Гиббса для реакций R2 и R3 соответственно. Мр представляет собой средний состав продукта комбинации Mb-Мс с общей массой, эквивалентной Mb+nMc, где n - отношение Мс к MbClx в исходных предшественниках. MbClx представляет собой средний состав смеси Мс-Мр-Cl, полученной в результате реакции (R2). Мр может быть в форме чистого элемента, такого как Та, твердого раствора, такого как Ni-Cu, соM c is the control powder, ΔG 1 and ΔG 2 are the Gibbs free energy for reactions R2 and R3, respectively. M p is the average composition of the product of the Mb-Mc combination with a total mass equivalent to Mb+nMc, where n is the ratio of M c to MbClx in the starting precursors. MbClx is the average composition of the Mc-Mp-Cl mixture obtained from reaction (R2). M p can be in the form of a pure element such as Ta, a solid solution such as Ni-Cu,

- 7 050552 единения, такого как Ni3Al, или многокомпонентной системы, такой как композиты с металлической матрицей. Распространение этой схемы на более сложные системы для синтеза сложных сплавов станет очевидным в следующем обсуждении.- 7 050552 of a compound such as Ni3Al , or a multicomponent system such as metal matrix composites. The extension of this scheme to more complex systems for the synthesis of complex alloys will become apparent in the following discussion.

С помощью промежуточных реакций между восстанавливаемыми хлоридами основных металлов и контрольным порошком можно улучшить управление термическим процессом и распределить хлор по всей смеси реагентов и, следовательно, повысить эффективность реакции.By using intermediate reactions between the reduced chlorides of the base metals and the control powder, it is possible to improve the control of the thermal process and distribute the chlorine throughout the reagent mixture, and therefore increase the reaction efficiency.

Реакции с участием контрольного порошка включают реакции с восстанавливаемыми хлоридами основных металлов MbClx, реакции с основными металлами Mb, реакции с Al и реакции с побочными продуктами хлорида Al.Reactions involving the control powder include reactions with reducible chlorides of the base metals M b Cl x , reactions with the base metals M b , reactions with Al and reactions with Al chloride by-products.

Для воплощений, где контрольный порошок основан на одном элементе и имеет тот же состав, что и сплав из основных металлов, реакции между Мс и MbClx будут ограничены реакциями обмена хлора. Хотя этот тип реакции не вносит значительного вклада в перенос энергии, он помогает транспортировать хлор и влияет на общий выход реакции. В таких случаях роль контрольного порошка главным образом заключается в контроле скоростей реакций между MbClx и Al.For embodiments where the control powder is based on a single element and has the same composition as the base metal alloy, reactions between M c and M b Cl x will be limited to chlorine exchange reactions. Although this type of reaction does not contribute significantly to energy transfer, it facilitates chlorine transport and influences the overall reaction yield. In such cases, the role of the control powder is primarily to control the reaction rates between M b Cl x and Al.

Для воплощений, где Мс отличается от Mb, реакции между Мс и MbClx приобретают ключевой фактор для реакционного пути и общей кинетики реакции. Также контрольный порошок служит восстановителем, отводит тепло и замедляет скорость реакции. Например, для сплава, содержащего Ni и Cr, полученного восстановлением NiCl2 и CrCl3 с помощью Al в присутствии контрольного порошка Ni-Cr, NiCl2 в исходных химических веществах-предшественниках может реагировать с Cr в контрольном порошке с образованием хлорида хрома, который затем реагирует с Al до полного восстановления.For embodiments where M c differs from M b , reactions between M c and M b Cl x become a key factor in the reaction pathway and overall reaction kinetics. The control powder also serves as a reducing agent, removing heat and slowing the reaction rate. For example, for an alloy containing Ni and Cr obtained by reducing NiCl2 and CrCl3 with Al in the presence of a Ni-Cr control powder, NiCl2 in the initial precursor chemicals can react with Cr in the control powder to form chromium chloride, which then reacts with Al to achieve complete reduction.

В другом примере для получения чистого Та TaCl5 в исходных химических веществах реагирует с Та в контрольном порошке с образованием субхлоридов тантала (TaCl2-4), которые затем реагируют с Al до полного восстановления. Таким образом, интенсивность экзотермического выделения энергии уменьшается, что позволяет улучшить контроль над процессом восстановления.In another example, to obtain pure Ta, TaCl 5 in the starting chemicals reacts with Ta in the control powder to form tantalum subchlorides (TaCl 2 - 4 ), which then react with Al to achieve complete reduction. Thus, the intensity of the exothermic energy release is reduced, allowing for improved control over the reduction process.

Реакции между Мс и Al, хотя и могут приводить к образованию алюминидов, имеют вероятно второстепенное значение, поскольку все реакции восстановления проводят при температурах ниже 600°С, где образование алюминидов вряд ли происходит. Кроме того, для большинства основных металлов, подпадающих под настоящее описание, восстановление хлоридов основных металлов с помощью алюминидов, приводящее к основном металлам, обычно имеет место. Другими важными реакциями с участием Мс и хлоридов алюминия являются обратные реакции, приводящие к образованию McCly, которые сдвигают/раскачивают реакции влево и, следовательно, уменьшают интенсивность прямых экзотермических реакций при восстановлении.Reactions between Mc and Al, although they can lead to the formation of aluminides, are likely of secondary importance, since all reduction reactions occur at temperatures below 600°C, where aluminide formation is unlikely. Furthermore, for most base metals covered by this discussion, the reduction of base metal chlorides by aluminides, leading to the base metals, typically occurs. Other important reactions involving Mc and aluminum chlorides are the reverse reactions leading to the formation of Mc Cl y , which shift/swing the reactions to the left and, therefore, reduce the intensity of the forward exothermic reactions during reduction.

Авторы изобретения обнаружили, что контрольный порошок служит как инерционный поглотитель тепла, помогая преодолеть трудности, связанные с экзотермическими реакциями, обсужденными выше; например, для реакции R1, смешивание исходного хлоридного порошка MbClx с предварительно обработанным порошком из основных металлов Mb перед реакцией с Al восстановителем помогает контролировать эффект теплового разгона и все связанные с ним трудности. Контрольный порошок служит для уменьшения плотности энергии на единицу массы и, таким образом, ограничивает повышение температуры при выделении экзотермического тепла, поскольку экзотермическая энергия, образующаяся при реакции, распределяется по большей массе, состоящей из продуктов реакции.The inventors discovered that the control powder serves as an inertial heat sink, helping to overcome the difficulties associated with the exothermic reactions discussed above; for example, for reaction R1, mixing the starting chloride powder MbClx with pretreated base metal powder Mb before reaction with the Al reducing agent helps control the thermal runaway effect and all the difficulties associated with it. The control powder serves to reduce the energy density per unit mass and thus limits the temperature rise during exothermic heat release, since the exothermic energy generated by the reaction is distributed over a larger mass consisting of the reaction products.

Материальные потоки реагентов подают отдельно и они контактируют только внутри реакционной зоны. Скорость смешивания трех потоков является дополнительным механизмом контроля, определяющим скорость реакции.The reactant material streams are fed separately and only interact within the reaction zone. The mixing rate of the three streams serves as an additional control mechanism that determines the reaction rate.

Другие механизмы, которые помогают снизить интенсивность выделения экзотермической энергии и обеспечивают более эффективное внешнее охлаждение реагентов, включают:Other mechanisms that help reduce the rate of exothermic energy release and provide more efficient external cooling of the reactants include:

a) снижение скорости реакции из-за уменьшения площади поверхности прямого контакта между MbClx и Al; иa) a decrease in the reaction rate due to a decrease in the surface area of direct contact between MbClx and Al; and

b) сдвиг равновесия влево из-за обратимых реакций между Mb и AlCl3. Для способа по настоящему изобретению условия равновесия являются предпочтительными, и на стадии восстановления реагенты, включая хлориды алюминия, предпочтительно держат в зоне реакции (или возвращают в зону реакции), чтобы оптимизировать равновесные условия и направить реакцию в направлении получения равновесных продуктов. Для всех рассмотренных здесь основных металлов реакции являются весьма благоприятными, и активный выход реакции из равновесия может затруднить исход процесса и увеличить скорость экзотермического выделения тепла.b) a shift of the equilibrium to the left due to the reversible reactions between Mb and AlCl3 . For the process of the present invention, equilibrium conditions are preferred, and during the reduction step, the reactants, including aluminum chlorides, are preferably kept in the reaction zone (or returned to the reaction zone) in order to optimize the equilibrium conditions and direct the reaction towards the formation of equilibrium products. For all the base metals considered here, the reactions are very favorable, and active departure of the reaction from equilibrium can hinder the outcome of the process and increase the rate of exothermic heat release.

Контрольный порошок служит, чтобы сдерживать экзотермические реакции с Al восстановителем и преобразовывать импульс реакции в эффективное перемешивание реагентов, таким образом, обеспечивая повышенный выход реакции. Для большинства хлоридов основных металлов, подпадающих под настоящее описание, количество контрольного порошка в несколько раз превышает количество восстанавливаемых химических веществ. Поскольку восстанавливаемые реагенты локализуются в микрополостях контрольного порошка, появляется более эффективный способ поглощения энергии, выделяющейся в результате реакции. Кроме того, горячий побочный газ, образующийся в результате реакции, может значительно улучшить смешивание реагирующих материалов.The control powder serves to moderate exothermic reactions with the Al reducing agent and convert the reaction momentum into effective mixing of the reactants, thereby ensuring increased reaction yield. For most base metal chlorides covered by this description, the amount of control powder is several times greater than the amount of the chemicals being reduced. Because the reactants being reduced are localized within the microcavities of the control powder, a more efficient means of absorbing the energy released during the reaction is provided. Furthermore, the hot by-product gas generated during the reaction can significantly improve mixing of the reactants.

- 8 050552- 8 050552

Контрольный порошок изготовлен предпочтительно из конечных или промежуточных продуктов реакции на основе основных металлов. Предварительно обработанные порошки или сплавы предпочтительно имеют более низкое содержание Cl, чем исходный хлорид основных металлов. Предпочтительно, чтобы смешивание порошка хлорида основных металлов и контрольного порошка с порошкообразным Al восстановителем осуществлялось контролируемым образом для повышения реакционной способности между реагентами и достижения внешнего контроля над скоростями реакций и образующейся экзотермической теплотой. При всех условиях реакционная способность контрольного порошка с хлоридами основных металлов или Al ниже, чем реакционная способность между хлоридами основных металлов и Al.The control powder is preferably prepared from final or intermediate reaction products based on the base metals. Pretreated powders or alloys preferably have a lower Cl content than the starting base metal chloride. Preferably, the mixing of the base metal chloride powder and the control powder with the Al reducing agent powder is controlled to enhance the reactivity between the reactants and achieve external control over the reaction rates and the resulting exothermic heat. Under all conditions, the reactivity of the control powder with base metal chlorides or Al is lower than the reactivity between base metal chlorides and Al.

Дополнительные иллюстративные примерные по изобретению будут очевидны из приведенного ниже описания и чертежей, а также из формулы изобретения.Further illustrative examples of the invention will be apparent from the following description and drawings, as well as from the claims.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из следующего описания его воплощений, служащих только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи:The features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of its embodiments, serving only as an example, with reference to the accompanying drawings:

На фиг. 1 показано повышение температуры за счет энергии, выделяющейся в ходе экзотермической реакцией, по сравнению с температурой плавления основных металлов; Fe-2 обозначает, что исходный материал FeCl2, a Fe-3 обозначает, что исходный материал FeCl3.Fig. 1 shows the increase in temperature due to the energy released during the exothermic reaction compared to the melting point of the base metals; Fe-2 indicates that the starting material is FeCl 2 , and Fe-3 indicates that the starting material is FeCl 3 .

На фиг. 2 показаны максимальные количества контрольного порошка (порошка из основных металлов), необходимые для ограничения повышения температуры до 200°С при выделении экзотермической энергии.Fig. 2 shows the maximum quantities of control powder (base metal powder) required to limit the temperature increase to 200°C during the release of exothermic energy.

На фиг. 3 показано количество контрольного порошка (порошка из основных металлов), необходимое для ограничения повышения температуры до 200°С при выделении экзотермической энергии при условии, что реагенты при 25°С подают в зону реакции с контрольным порошком при температуре реакции 400°С.Fig. 3 shows the amount of control powder (base metal powder) required to limit the temperature increase to 200°C during the release of exothermic energy, provided that the reactants at 25°C are fed into the reaction zone with the control powder at a reaction temperature of 400°C.

На фиг. 4 показана общая блок-схема, иллюстрирующая основные стадии обработки по способу.Fig. 4 shows a general block diagram illustrating the main stages of processing according to the method.

На фиг. 5 показана общая блок-схема, иллюстрирующая одно общее воплощение способа.Fig. 5 shows a general block diagram illustrating one general embodiment of the method.

На фиг. 6 показана общая блок-схема, иллюстрирующая одно воплощение способа, включающего обработку летучих хлоридных предшественников (например, Tads).Fig. 6 is a general flow chart illustrating one embodiment of a method including processing volatile chloride precursors (e.g., Tads).

На фиг. 7 показано схематическое изображение реактора для проведения процесса в непрерывном режиме.Fig. 7 shows a schematic representation of a reactor for carrying out the process in continuous mode.

На фиг. 8 показана рентгенограмма для образца порошкового Ni продукта.In fig. Figure 8 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of powdered Ni product.

На фиг. 9 показана рентгенограмма для образца порошкового Fe продукта.In fig. Figure 9 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of Fe powder product.

На фиг. 10 показана рентгенограмма для образца порошкового продукта SS316.In fig. 10 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of SS316 powder product.

На фиг. 11 показана рентгенограмма для образца порошкового продукта Inconel 718.In fig. Figure 11 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of Inconel 718 powder product.

На фиг. 12 показана рентгенограмма для образца из Со суперсплава MAR-M-509.Fig. 12 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of Co superalloy MAR-M-509.

На фиг. 13 показана рентгенограмма для порошкового Та образца.In fig. Figure 13 shows an X-ray diffraction pattern for a Ta powder sample.

На фиг. 14 показана рентгенограмма для образца FeNiCoAlTaB.Fig. 14 shows the X-ray diffraction pattern for the FeNiCoAlTaB sample.

На фиг. 15 показана рентгенограмма для образца порошкового продукта из высокоэнтропийного сплава (AlCoCrCuFeNi).Fig. 15 shows an X-ray diffraction pattern for a sample of a high-entropy alloy powder product (AlCoCrCuFeNi).

На фиг. 16 показана рентгенограмма для образца Al3Co.Fig. 16 shows an X-ray diffraction pattern for an Al 3 Co sample.

На фиг. 17 показана рентгенограмма для образца Al3Co после промывания в NaOH.Fig. 17 shows the X-ray diffraction pattern for an Al 3 Co sample after washing in NaOH.

- 9 050552- 9 050552

Подробное описание предпочтительных воплощенийDetailed description of preferred embodiments

Таблица 1Table 1

Термодинамические данные, относящиеся к основном металламThermodynamic data related to base metals

1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 Основной металл Base metal Темпертура Плав л. (°C) Melting Point (°C) Субл/кип (°C) Sub-boil (°C) Исходное химическое вещество The original chemical substance AG, кДж/моль при 400 °C AG, kJ/mol at 400 °C Примерное увеличение температуры (°C) Approximate temperature increase (°C) Контр, порошок Counter, powder Контр, масса (кг) Contact, weight (kg) Zn Zn 419 419 907 907 ZnCl2 ZnCl 2 -51-51 323 323 Zn Zn 0,8 0.8 V V 1910 1910 3380 3380 VC13 VC1 3 -124-124 1138 1138 V V 2,4 2.4 Сг SG 1907 1907 2672 2672 CrCl3 CrCl 3 -150-150 1377 1377 Сг SG 3,4 3.4 Со So 1495 1495 2870 2870 СоС12 СоС1 2 -149-149 1662 1662 Со So 4,6 4.6 Sn Sn 232 232 2270 2270 SnCl4 SnCl 4 -359-359 2647 2647 Sn Sn 3,1 3.1 Sn Sn 232 232 2270 2270 SnCl2 SnCl 2 -133-133 1624 1624 Sn Sn 1,1 1.1 Ag Ag 962 962 2212 2212 AgCl AgCl -94-94 1711 1711 Ag Ag 5,1 5.1 Та That's it 3014 3014 5425 5425 TaCl5 TaCl 5 -293-293 1817 1817 Та That's it И. AND. Ni Ni 1455 1455 2732 2732 NiCl2 NiCl 2 -165-165 1935 1935 Ni Ni 5,1 5.1 Fe Fe 1538 1538 2750 2750 FeCl3 FeCl 3 -289-289 2472 2472 Fe Fe 4,7 4.7 Fe Fe 1538 1538 2750 2750 FeCl2 FeCl 2 -112-112 1250 1250 Fe Fe 7,1 7.1 Nb Nb 2477 2477 4742 4742 NbCl5 NbCl 5 -358-358 2216 2216 Nb Nb 2,9 2.9 Cu Cu 1084 1084 2567 2567 CuCl2 CuCl 2 -245-245 3036 3036 Cu Cu 9,7 9.7 Pt Pt 1768 1768 3827 3827 PtCl2 PtCl 2 -288-288 3520 3520 Pt Pt 9,7 9.7 w w 3407 3407 5660 5660 WC14 WC1 4 -482-482 3599 3599 W-4 W-4 17,2 17.2 w w 3407 3407 5660 5660 WC16 WC1 6 -809-809 4311 4311 W-6 W-6 23,8 23.8 Pd Pd 1555 1555 1554 1554 PdCl2 PdCl 2 -297-297 3642 3642 Pd Pd 33,5 33.5 Mo Mo 2623 2623 2617 2617 M0CI5 M0CI5 -634-634 3927 3927 Mo Mo 14,8 14.8

В табл. 1 представлены предпочтительные основные металлы (столбец 1) вместе с соответствующими температурами плавления и кипения (столбец 2 и столбец 3 соответственно), предпочтительные исходные химические вещества (столбец 4) и соответствующая свободная энергия Гиббса (AG) (столбец 5) для реакции взаимодействия 1 моль хлорида основных металлов с Al при 400°С в соответствии с (R1), величина увеличения температуры (столбец 6) на основе ΔG, допускаемый контрольный порошок (столбец 7) и количество контрольного порошка на 1 кг исходного хлорида основного металла (столбец 8), необходимое для ограничения повышения температуры не выше 200°С.Table 1 presents the preferred base metals (column 1) together with the corresponding melting and boiling points (column 2 and column 3, respectively), the preferred starting chemicals (column 4) and the corresponding Gibbs free energy (AG) (column 5) for the reaction of 1 mol of the base metal chloride with Al at 400°C according to (R1), the magnitude of the temperature rise (column 6) based on ΔG, the allowable control powder (column 7), and the amount of control powder per 1 kg of starting base metal chloride (column 8) required to limit the temperature rise to no more than 200°C.

Из табл. 1 видно, что для всех предпочтительных исходных хлоридов ΔΘ является отрицательной, это указывает на то, что их реакция с Al по схеме (R1) является экзотермической и может произойти чрезмерное повышение температуры продуктов и окружающих реагентов, так согласно результатам в столбце 6, в котором показано приблизительное повышение температуры AT, обусловленное выделением экзотермической энергии. AT оценивали путем решения уравнения:From Table 1 it can be seen that for all the preferred starting chlorides ΔΘ is negative, which indicates that their reaction with Al according to scheme (R1) is exothermic and an excessive increase in the temperature of the products and surrounding reactants may occur, as per the results in column 6, which shows the approximate increase in temperature AT due to the release of exothermic energy. AT was estimated by solving the equation:

Tr+NT ^G= \(MbCp_b+MAlcl3Cp_Alcl3)dT (1) т;T r +NT ^G= \(M b C p _ b +M Alcl3 C p _ Alcl3 )dT (1) t;

где Tr - пороговая температура реакции, Cp-b - удельная теплоемкость основных металлов, Mb - масса продукта Mb на 1 моль исходных хлоридов основных металлов MbClx, a MAlCl3 и Cp-AlCl3 соответственно масса и удельная теплоемкость образующегося побочного продукта хлорида алюминия на 1 моль MbClx. Из результатов табл. 1 можно сделать вывод, что выделение экзотермической энергии происходит в одну стадию в соответствии с реакцией R1, и полученное тепло полностью поглощается полученными продуктами (Mb) и побочным AlCl3. Поэтому расчеты представляют собой крайний случай, когда контрольный порошок действует только как поглотитель тепла. Для многовалентных хлоридов основных металлов и для многокомпонентных продуктов эффекты разделения реакции на две стадии из-за химических реакций между контрольным порошком и хлоридами могут доминировать, и поэтому тепловая нагрузка, связанная с процессом, уменьшается.where T r is the threshold reaction temperature, C pb is the specific heat capacity of the base metals, M b is the mass of the product M b per 1 mol of the initial base metal chlorides M b Cl x , and M AlCl3 and C p-AlCl3 are the mass and specific heat capacity of the formed by-product aluminum chloride per 1 mol M b Cl x , respectively. From the results in Table 1, it can be concluded that the release of exothermic energy occurs in one step according to reaction R1, and the resulting heat is completely absorbed by the resulting products (Mb) and by-product AlCl 3 . Therefore, the calculations represent the extreme case where the control powder acts only as a heat sink. For multivalent chlorides of the base metals and for multicomponent products, the effects of splitting the reaction into two steps due to chemical reactions between the control powder and the chlorides can dominate, and therefore the heat load associated with the process is reduced.

Рассчитанные повышения температуры в табл. 1 сравнивают на фиг. 1 с температурами плавленияThe calculated temperature increases in Table 1 are compared in Fig. 1 with the melting temperatures

- 10 050552 соответствующих основных металлов. Видно, что ожидаемое увеличение температуры в основном выше 190°С и, за исключением Zn, когда это увеличение сопоставимо или выше, чем температура плавления основных металлов, и все они выше, чем температура сублимации соответствующих хлоридов. Таким образом, если реакция была быстрой, то из-за возникающих условий реактор может повредиться, и вместе с чрезмерным выделением тепла и перегретым газообразным побочным продуктом это может при вести к опасному режиму.- 10 050552 of the corresponding base metals. It can be seen that the expected temperature increase is mostly above 190°C, and, with the exception of Zn, this increase is comparable to or higher than the melting point of the base metals, and all of them are higher than the sublimation temperature of the corresponding chlorides. Therefore, if the reaction were rapid, the resulting conditions could damage the reactor, and together with excessive heat generation and superheated gaseous byproduct, this could lead to a hazardous regime.

Данные в табл. 1 показывают, что тепло, выделяемое при реакции хлоридов-предшественников с Al, может расплавить Al восстановитель. Если это произойдет, то это приведет к образованию крупных частиц произвольных алюминидных фаз, при этом замедлится или подавится дальнейшее восстановление исходных химических веществ. Таким образом, будет происходить образование сплавов с высоким содержанием алюминия и с неоднородным составом. Следовательно, целью предпочтительных форм по настоящему изобретению также является создание механизмов для контроля количества Al в конечном продукте и обеспечения возможности получения сплавов с контролируемым содержанием Al вплоть до 10 мас.%, предпочтительно вплоть до 0%.The data in Table 1 demonstrate that the heat generated by the reaction of precursor chlorides with Al can melt the Al reducing agent. If this occurs, it will lead to the formation of large particles of random aluminide phases, slowing or suppressing further reduction of the original chemical species. This will result in the formation of alloys with a high aluminum content and a non-uniform composition. Therefore, the preferred forms of the present invention also aim to provide mechanisms for controlling the amount of Al in the final product and to enable the production of alloys with controlled Al content down to 10 wt.%, preferably down to 0%.

Массу контрольного порошка (порошок основных металлов для результатов, приведенных в табл. 1), требуемую на 1 кг хлоридов основных металлов, определяют на основе требований к ограничению повышения температуры получаемых продуктов ниже определенного заданного значения. В табл. 1, столбец 8, указано максимальное количество порошка основных металлов, необходимое для ограничения повышения температуры продукта реакции до менее чем на 200°С выше установленной снаружи температуры для реакций с участием хлоридов основных металлов, приведенных в столбце 4. Из результатов, приведенных в табл. 1, видно, что все реагенты и контрольный порошок нагревают снаружи до пороговой температуры реакции - равной предположительно 400°С. Результаты в столбце 8 были получены путем решения уравнения 2 для Мс (масса контрольного порошка):The mass of control powder (base metal powder for the results given in Table 1) required per 1 kg of base metal chlorides is determined based on the requirements for limiting the temperature rise of the resulting products below a certain specified value. Table 1, column 8, lists the maximum amount of base metal powder required to limit the temperature rise of the reaction product to less than 200°C above the externally set temperature for reactions involving base metal chlorides given in column 4. From the results given in Table 1, it is evident that all reagents and the control powder are heated externally to the reaction threshold temperature, presumably equal to 400°C. The results in column 8 were obtained by solving Equation 2 for M c (mass of control powder):

А1С13A1C13

ΔΤ = 200 °C.ΔT = 200 °C.

(2)(2)

Данные в столбце 8 табл. 1 представлены на фиг. 2 для ΔT=200°С. Можно видеть, что требуемое количество контрольного порошка находится в диапазоне от ~ 1 кг порошка Sn на 1 кг SnCl2 до более чем 20 кг W на 1 кг WCl6. Из данных табл. 1 и приведенных данных на фиг. 1 и 2 видно, что полученная экзотермическая энергия полностью поглощается реагентами без потерь тепла за счет какого-либо другого эффекта, и что все реагенты и контрольный порошок нагреваются снаружи до температуры реакции. Соответственно, оценочные значения как для ожидаемого повышения температуры, так и для количества контрольного порошка, представляют собой верхние предельные значения для полной групповой технологии.The data in column 8 of Table 1 are presented in Fig. 2 for ΔT=200°C. It can be seen that the required amount of control powder ranges from ~1 kg of Sn powder per 1 kg of SnCl2 to more than 20 kg of W per 1 kg of WCl6. From the data in Table 1 and the data presented in Figs. 1 and 2, it is evident that the obtained exothermic energy is completely absorbed by the reactants without heat loss due to any other effect, and that all reactants and the control powder are heated externally to the reaction temperature. Accordingly, the estimated values for both the expected temperature rise and the amount of control powder represent upper limit values for the full group technology.

В соответствии с некоторыми воплощениями по настоящему изобретению реагенты при комнатной температуре (25°С) постепенно подают в реакционную зону, содержащую контрольный порошок, при температуре реакции. Следовательно, реагенты будут поглощать энергию для достижения температуры реагентов и они могут способствовать ограничению повышения температуры из-за экзотермического выделения энергии. На фиг. 3 приведены в сравнении количества контрольного порошка, необходимые для двух конфигураций, обсуждаемых здесь; то есть полностью периодический процесс и постепенная подача реагентов. Можно видеть, что некоторые реагенты, имеющие комнатную температуру, могут оказывать значительное охлаждающее воздействие.According to some embodiments of the present invention, reactants at room temperature (25°C) are gradually fed into a reaction zone containing a control powder at the reaction temperature. Consequently, the reactants will absorb energy to reach the reactant temperature and can help limit the temperature increase due to exothermic energy release. Figure 3 compares the amounts of control powder required for the two configurations discussed herein; that is, a fully batch process and a gradual feed of reactants. It can be seen that some reactants at room temperature can have a significant cooling effect.

Кроме того, существуют другие потери тепла, такие как проводимость через стенку реактора и нагрев/сублимация разбавителей, вводимых вместе с реагентами (например, AlCl3). В некоторых воплощениях способа хлорид алюминия вводят вместе с реагентами и контрольным порошком, и тогда он может играть важную роль в охлаждении реагентов в зоне реакции и помогает контролировать температуру. В большинстве практических условий можно ожидать, что требуемое количество контрольного порошка будет составлять менее 50% от количеств, указанных в табл. 1. Как указывалось ранее, при добавлении контрольного порошка снижается скорость реакции между восстанавливаемым MbClx и Al восстановителем, что обеспечивает более эффективное внешнее охлаждение и происходят более высокие потери тепла из-за проводимости и конвекции. Кроме того, количество требуемого контрольного порошка уменьшается с увеличением допустимого температурного диапазона, и если допустимая максимальная температура на 400°С выше пороговой температуры реакции, то количества требуемого контрольного порошка, указанные в табл. 1, будут уменьшены на 50%.In addition, there are other heat losses such as conduction through the reactor wall and heating/sublimation of diluents introduced with the reactants (e.g., AlCl3 ). In some embodiments of the method, aluminum chloride is introduced together with the reactants and the control powder, and then it can play an important role in cooling the reactants in the reaction zone and helps control the temperature. Under most practical conditions, the required amount of control powder can be expected to be less than 50% of the amounts given in Table 1. As mentioned earlier, the addition of the control powder slows down the reaction rate between the MbClx being reduced and the Al reducing agent, which provides more efficient external cooling and higher heat losses due to conduction and convection occur. In addition, the amount of control powder required decreases as the allowable temperature range increases, and if the allowable maximum temperature is 400°C above the reaction threshold temperature, then the amounts of control powder required given in Table 1 will be reduced by 50%.

Из предыдущего обсуждения следует, что реагенты все еще нужно охлаждать снаружи со скоростью, эквивалентной количеству теплоты, выделяемому реагентами, но следование процедурам, описанFrom the previous discussion it follows that the reactants still need to be cooled externally at a rate equivalent to the amount of heat released by the reactants, but following the procedures described

- 11 050552 ным здесь, позволяет осуществлять охлаждение и общее управление теплом процесса в мягких условиях, при этом происходит только умеренное увеличение температуры реагентов и реактора.- 11 050552 nym here, allows for cooling and overall process heat management under mild conditions, with only a moderate increase in reactant and reactor temperature.

Изобретатели нашли, что, когда массовое отношение контрольного порошка к восстанавливаемым хлоридам основных металлов равно единице, то скорость реакции между восстанавливаемыми предшественниками и Al снижается в 4 раза, таким образом реакция протекает в течение более длительного периода и обеспечивается более эффективное управление энергией; в результате может потребоваться меньшее количество контрольного порошка.The inventors found that when the mass ratio of the control powder to the reducible chlorides of the base metals is equal to one, the reaction rate between the reducible precursors and Al is reduced by a factor of 4, thus allowing the reaction to proceed over a longer period and ensuring more efficient energy management; as a result, a smaller amount of control powder may be required.

Другие факторы, которые могут влиять на требуемое количество контрольного порошка, включают пороговую температуру реакции (Tr), характеристики основных металлов, а также удельную теплоемкость и общую энтальпию образования основных металлов и хлоридов основных металлов. Контрольный порошок может представлять собой смесь различных материалов, но реакции между контрольным порошком и другими реагентами не должны увеличивать тепловую нагрузку, возникающую в результате протекания реакций в системе.Other factors that may influence the required amount of control powder include the reaction threshold temperature (T r ), the characteristics of the base metals, and the specific heat capacity and total enthalpy of formation of the base metals and base metal chlorides. The control powder may be a mixture of different materials, but reactions between the control powder and other reactants should not increase the thermal load generated by the reactions in the system.

Для точного определения необходимого количества контрольной массы требуется анализ всех соответствующих условий обработки, учитывая физические свойства реактора, а также потери тепла и механизмы охлаждения, доступные в зоне реакции. Оценочные данные в табл. 1 предоставлены только в качестве руководства, и эти перечисленные значения могут меняться относительно конкретных экспериментальных условий, что будет очевидно для специалиста в данной области.Accurately determining the required amount of control mass requires an analysis of all relevant processing conditions, taking into account the physical properties of the reactor, as well as heat losses and cooling mechanisms available in the reaction zone. The estimated data in Table 1 are provided as a guide only, and these listed values may vary depending on specific experimental conditions, as will be apparent to those skilled in the art.

Заявители определили, что в практических условиях и при надлежащем контроле за потоками и смешиванием реагентов количества контрольного порошка, перечисленные в табл. 1, могут быть дополнительно уменьшены по меньшей мере в 2-5 раз. Во всех воплощениях количество контрольного порошка должно быть между Мс/100 и Мс, где Мс определяют по уравнению (2).The applicants have determined that, under practical conditions and with proper control of reagent flows and mixing, the amounts of control powder listed in Table 1 can be further reduced by at least a factor of 2-5. In all embodiments, the amount of control powder should be between M c /100 and M c , where M c is determined by equation (2).

Контрольный порошок может быть добавлен несколькими способами в зависимости от конфигурации реактора. В одном воплощении контрольный агент смешивают с исходными хлоридами основных металлов перед реакцией с Al восстановителем. В другом воплощении контрольный агент смешивают с Al восстановителем перед реакцией с исходными хлоридами основных металлов. В третьем воплощении контрольный агент, восстанавливаемые хлориды основных металлов и Al восстановитель подают по отдельности в зону реакции, где они смешиваются и реагируют. Выбор подходящего пути зависит от относительной реакционной способности между регулирующим агентом и восстанавливаемыми хлоридами и Al восстановителем. В предпочтительном воплощении контрольный порошок представляет собой полностью обработанный продукт или полуобработанный продукт реакции между хлоридами основных металлов и Al сплавом. В другом предпочтительном воплощении контрольный порошок представляет собой продукт из сплава основных металлов и его получают in situ.The control powder can be added in several ways, depending on the reactor configuration. In one embodiment, the control agent is mixed with the parent metal chlorides prior to reaction with the Al reducing agent. In another embodiment, the control agent is mixed with the Al reducing agent prior to reaction with the parent metal chlorides. In a third embodiment, the control agent, the parent metal chlorides to be reduced, and the Al reducing agent are fed separately to the reaction zone, where they are mixed and reacted. The choice of the appropriate route depends on the relative reactivity of the control agent and the chlorides to be reduced and the Al reducing agent. In a preferred embodiment, the control powder is a fully processed product or a semi-processed product of the reaction between the parent metal chlorides and the Al alloy. In another preferred embodiment, the control powder is a product of the parent metal alloy and is produced in situ.

Заявители обнаружили, что, если контрольный агент не добавляют, то горячие побочные продукты, образующиеся в результате реакции, могут вызывать значительное повышение давления при быстром перемещении газа, это может выдувать реагенты из зоны реакции. Если контрольный порошок имеет более низкую реакционную способность с реагентами и если он присутствует в больших количествах, чем количество реагентов, то последние будут распределяться по локализованным небольшим участкам в матрице контрольного порошка, где каждый участок окружен контрольным порошком. Когда происходит реакция, то газообразные побочные продукты, движущиеся ускоренно из локализованных реакционных участков, сталкиваются с окружающим контрольным порошком, передавая свою кинетическую энергию порошку и вызывая значительное перемешивание по всему объему реагентов. Заявители обнаружили, что даже при очень небольшом смешивании восстанавливаемых хлоридов и порошкового Al восстановителя эффективность реакции значительно повышается за счет самосмешивания, создаваемого микропотоками побочного газа. Как указано ниже, для большинства основных металлов и хлоридов основных металлов, субъектов по настоящему изобретению, повышение температуры продуктов реакции за счет выделения экзотермической энергии составляет на 200°С выше пороговой температуры реакции Tr. Таким образом, результирующее местное давление в локализованных реакционных местах составляет более 1,01 атмосферы и, вероятно, оно составляет более 1,1 атмосферы. За счет этого будут образовываться быстрые локализованные газовые потоки (короткие всплески) внутри объема реагентов со скоростями до более ста метров в секунду, вызывая значительное перемешивание внутри объема реагентов и играя ключевую роль в передаче экзотермической энергии, выделяемой в ходе реакции, от локальных реакционных участков и непосредственно окружающего контрольного порошка.The applicants discovered that if no control agent is added, the hot byproducts formed during the reaction can cause a significant increase in pressure due to rapid gas movement, which can blow reactants out of the reaction zone. If the control powder has a lower reactivity with the reactants and is present in greater quantities than the reactants, the reactants will be distributed into small localized regions within the control powder matrix, each region surrounded by control powder. When the reaction occurs, the gaseous byproducts, moving rapidly from the localized reaction regions, collide with the surrounding control powder, transferring their kinetic energy to the powder and causing significant mixing throughout the reactants. The applicants discovered that even with very slight mixing of the chlorides being reduced and the Al powdered reductant, the reaction efficiency is significantly enhanced by self-mixing created by microstreams of byproduct gas. As noted below, for most of the base metals and base metal chlorides of the present invention, the increase in temperature of the reaction products due to the release of exothermic energy is 200°C above the threshold reaction temperature Tr . Thus, the resulting local pressure at localized reaction sites is greater than 1.01 atmospheres and is likely greater than 1.1 atmospheres. This will generate rapid, localized gas flows (short bursts) within the reactant volume at velocities of up to more than one hundred meters per second, causing significant mixing within the reactant volume and playing a key role in the transfer of the exothermic energy released during the reaction from the localized reaction sites and the immediately surrounding control powder.

Заявители обнаружили, что для чистого порошка Al (со средним радиусом частиц R) с соотношениями [MbClx]/[Al]=а и [Мс]/[МьС1х]=Ь, и с плотностью упаковки реагента D (реагенты Мс, MbClx и Al), локальное повышение давления из-за быстрых реакций между хлоридами основных металлов и Al может быть выражено следующей формулой:The applicants have found that for pure Al powder (with an average particle radius R) with the ratios [M b Cl x ]/[Al]=a and [M c ]/[M b Cl x ]=b, and with a reactant packing density D (reagents M c , M b Cl x and Al), the local pressure increase due to rapid reactions between the chlorides of the base metals and Al can be expressed by the following formula:

DN ЛАСDN LAS

А/’ =--------------(i+a + ab} где N - число Авогадро, NAr - числовая плотность Ar при температуре реакции, а ΔΝαι - количество (количество атомов на см3) реагирующего Al. Заявители обнаружили, что даже для одной на тысячу досA/' =--------------(i+a + ab} where N is Avogadro's number, NA r is the number density of Ar at the reaction temperature, and ΔN αι is the amount (number of atoms per cm 3 ) of reacting Al. The applicants found that even for one in a thousand dos

- 12 050552 тупных реагирующих Al частиц (ANAI/NAr=0,001) результирующее повышение локального давления может составлять до 0,25 атм. Для ANAI/NAr=1% АР может достигать 2,5 атм с локальным давлением, достигающим 3,5 атм.- 12 050552 blunt reacting Al particles (AN AI /N Ar = 0.001) the resulting increase in local pressure can be up to 0.25 atm. For AN AI /N Ar = 1% AP can reach 2.5 atm with local pressure reaching 3.5 atm.

Массовое отношение твердых хлоридов основных металлов к контрольному порошку может быть определено на основе допустимого повышения температуры продуктов, которое может возникнуть в результате выделения экзотермической энергии. Предпочтительно, чтобы тепло, выделяемое в ходе экзотермической реакции, не увеличивало температуру продуктов в зоне реакции выше, чем температура плавления основных металлов. Предпочтительно, чтобы это тепло, образующееся в ходе экзотермической реакции, не увеличивало температуру продуктов в зоне реакции выше, чем температура плавления Al восстановителя.The mass ratio of solid base metal chlorides to the control powder can be determined based on the permissible increase in product temperature that may result from the release of exothermic energy. Preferably, the heat released during the exothermic reaction does not increase the temperature of the products in the reaction zone above the melting point of the base metals. Preferably, this heat generated during the exothermic reaction does not increase the temperature of the products in the reaction zone above the melting point of the Al reducing agent.

В одном воплощении повышение температуры в результате выделения экзотермического тепла в ходе реакции хлоридов основных металлов и Al ограничено менее чем 600°С.In one embodiment, the temperature increase resulting from the release of exothermic heat during the reaction of the base metal chlorides and Al is limited to less than 600°C.

В другом воплощении повышение температуры в результате выделения экзотермического тепла в ходе реакции хлоридов основных металлов и Al ограничено менее чем 400°С.In another embodiment, the temperature increase resulting from the release of exothermic heat during the reaction of the chlorides of the base metals and Al is limited to less than 400°C.

В третьем воплощении повышение температуры в результате выделения экзотермического тепла в ходе реакции хлоридов основных металлов и Al ограничено менее чем 200°С.In the third embodiment, the temperature increase resulting from the release of exothermic heat during the reaction of the chlorides of the base metals and Al is limited to less than 200°C.

В предпочтительном воплощении настоящее изобретение обеспечивает способ получения сплавов из основных металлов в форме порошка, включающий следующие стадии:In a preferred embodiment, the present invention provides a method for producing alloys of parent metals in powder form, comprising the following steps:

получение первого потока (поток 1) материалов из смеси с заранее определенным количеством химических веществ-предшественников, включающего по меньшей мере один твердый хлорид основного металла и, возможно, включающего материалы-предшественники для легирующих добавок; и получение потока материалов (поток 2), включающего в основном Al восстановитель и, возможно, включающего материалы-предшественники для легирующих добавок; и получение контрольного порошка (поток 3). Контрольным агентом предпочтительно является, но не обязательно, основной металл исходного хлорида основного металла; иobtaining a first stream (stream 1) of materials from a mixture with a predetermined amount of precursor chemicals, comprising at least one solid chloride of the parent metal and, optionally, comprising precursor materials for alloying additives; and obtaining a stream of materials (stream 2) comprising primarily an Al reducing agent and, optionally, comprising precursor materials for alloying additives; and obtaining a control powder (stream 3). The control agent is preferably, but not necessarily, the parent metal of the parent chloride of the parent metal; and

Стадию восстановления: подача определенных количеств потока 1 и потока 2 в первую реакционную зону, включающую определенное количество потока 3, и обработка полученной смеси при заданных внешних температурах между Т0 и T1 для восстановления по меньшей мере части химических веществ в потоке 1 и получения промежуточного продукта, причем эта стадия обработки включает смешивание, перемешивание и нагревание; Т0 выше 25°С, предпочтительно выше 160°С и более предпочтительно выше 200°С, a T1 ниже 1000°С, предпочтительно ниже 660°С, более предпочтительно ниже 600°С и еще более предпочтительно ниже 500°С; и реакционная зона предназначена для отвода тепла, выделяющегося в результате реакции, и ограничения общей температуры реагента до температуры Tm; Tm предпочтительно ниже точки плавления Al восстановителя (для чистого Al Tm составляет менее 660°С); и материалы, испаренные из первой реакционной зоны, конденсируются в другом месте при более низких температурах, и их рециркулируют; и предусмотрены средства для дополнительных механизмов управления скоростью смешивания и подачи; и твердые промежуточные продукты со стадии восстановления могут включать остаточные непрореагировавшие хлориды основных металлов и остаточный Al восстановитель, а также твердый AlCl3; и в основных металлах в контрольном порошке содержание С1 составляет менее 50%, предпочтительно менее 75% от исходных предшественников основных металлов.A reduction step: feeding certain quantities of stream 1 and stream 2 into a first reaction zone comprising a certain quantity of stream 3, and treating the resulting mixture at given external temperatures between T 0 and T 1 to reduce at least a portion of the chemicals in stream 1 and to obtain an intermediate product, wherein this treatment step comprises mixing, agitating and heating; T 0 is above 25°C, preferably above 160°C and more preferably above 200°C, and T 1 is below 1000°C, preferably below 660°C, more preferably below 600°C and even more preferably below 500°C; and the reaction zone is designed to remove the heat released as a result of the reaction and to limit the overall temperature of the reactant to a temperature Tm; Tm is preferably below the melting point of the Al reducing agent (for pure Al, T m is less than 660°C); and the materials evaporated from the first reaction zone are condensed elsewhere at lower temperatures and recycled; and means are provided for additional mechanisms to control the mixing and feeding speed; and the solid intermediate products from the reduction step may include residual unreacted chlorides of the base metals and residual Al reducing agent, as well as solid AlCl3 ; and the base metals in the control powder have a Cl content of less than 50%, preferably less than 75% of the original base metal precursors.

при необходимости рециркулирование всех или части промежуточных продуктов на стадии восстановления в качестве контрольного порошка; иif necessary, recycling all or part of the intermediate products in the recovery step as control powder; and

Стадию очистки: обработка твердых продуктов со стадии восстановления во второй реакционной зоне при температурах между T2 и Tmax для очистки промежуточных продуктов со стадии восстановления и завершения реакции восстановления, а также испарение и/или сублимация непрореагировавших материалов в твердой смеси реагентов; Т2 предпочтительно выше 200°С, а Tmax предпочтительно ниже 1100°С; и непрерывное удаление побочных продуктов из реагентов и сбор и рециркулирование восстанавливаемых химических веществ, испаренных из высокотемпературной зоны; и модулирование Tmax и времени пребывания для контроля размера частиц и степени агломерации конечных продуктов; и отделение порошкового сплава из основных металлов от остаточных непрореагировавших материалов и осуществление последующей обработки; и все реакции между Al восстановителем и стабильными видами хлоридов на основе Mb и Cl (MbCl1.n) являются экзотермическими при всех температурах обработки от 25°С до Tmax.A purification step: treating the solid products from the reduction step in a second reaction zone at temperatures between T 2 and T max to purify the intermediate products from the reduction step and complete the reduction reaction, and evaporating and/or sublimating unreacted materials in the solid reactant mixture; T 2 is preferably above 200 °C and T max is preferably below 1100 °C; and continuously removing by-products from the reactants and collecting and recycling the recoverable chemicals evaporated from the high temperature zone; and modulating T max and the residence time to control the particle size and the degree of agglomeration of the final products; and separating the base metal alloy powder from the residual unreacted materials and performing subsequent processing; and all reactions between the Al reducing agent and the stable Mb- and Cl-based chloride species (M b Cl 1 .n) are exothermic at all processing temperatures from 25 °C to T max .

Максимальная устанавливаемая температура T1 на стадии восстановления определяется факторами, включающими кинетический барьер реакции между материалом-предшественником и Al восстановителем, и характеристики реагентов, такие как чистота и размер частиц порошка Al сплава. T1 предпочтительно ниже температуры плавления Al, более предпочтительно ниже 600°С. В качестве только иллюстративного примера можно привести следующий пример, если никель является основном металлом, аThe maximum set temperature T 1 in the reduction stage is determined by factors including the kinetic barrier of the reaction between the precursor material and the Al reducing agent, and the characteristics of the reactants, such as the purity and particle size of the Al alloy powder. T 1 is preferably below the melting point of Al, more preferably below 600°C. As an illustrative example only, the following example can be given if nickel is the base metal, and

- 13 050552- 13 050552

NiCl2 является восстанавливаемым хлоридом основного металла, то максимальная устанавливаемая температура на стадии 1 будет ниже 500°С.Since NiCl2 is a reducible chloride of the base metal, the maximum set temperature in stage 1 will be below 500°C.

Максимальная устанавливаемая температура Tmax на стадии очистки определяется факторами, включающими морфологию и состав конечного продукта, в дополнение к требованию для испарения любых остаточных непрореагировавших химических веществ, остающихся в твердых продуктах. Tmax предпочтительно устанавливают при температуре, которая немного превышает самую высокую температуру сублимации/испарения обрабатываемых хлоридов основных металлов. Если никель основной металл, а NiCl2 восстановимый хлорид основного металла, то Tmax ниже 900°С.The maximum set temperature, Tmax, in the cleaning stage is determined by factors including the morphology and composition of the final product, in addition to the requirement for evaporation of any residual unreacted chemicals remaining in the solid products. Tmax is preferably set at a temperature slightly above the highest sublimation/evaporation temperature of the base metal chlorides being processed. If nickel is the base metal and NiCl2 is the reducible base metal chloride, then Tmax is below 900°C.

В одном предпочтительном воплощении Al восстановитель представляет собой чистый Al. В другом воплощении Al восстановитель представляет собой чистый Al, легированный другими элементами. Al восстановитель предпочтительно представляет собой порошок или хлопья в форме мелких частиц.In one preferred embodiment, the Al reducing agent is pure Al. In another embodiment, the Al reducing agent is pure Al alloyed with other elements. The Al reducing agent is preferably a powder or flake in the form of fine particles.

В одном предпочтительном воплощении хлорид алюминия смешивают с Al с образованием смеси Al-AlCl3, соответствующей от 10% до 500 мас.%, от массы хлоридов основных металлов. Добавление AlCl3 способствует разбавлению и распределению Al более равномерно, когда смесь Al-AlCl3 смешивают с хлоридами основных металлов, и увеличению площади поверхности контакта с хлоридами и, таким образом, возрастает эффективность реакции. Кроме того, AlCl3 может служить в качестве охлаждающего агента для реагентов на стадии восстановления.In one preferred embodiment, aluminum chloride is mixed with Al to form an Al-AlCl 3 mixture, corresponding to 10% to 500% by weight of the base metal chlorides. The addition of AlCl 3 promotes dilution and more uniform distribution of the Al when the Al-AlCl 3 mixture is mixed with the base metal chlorides, and increases the surface area in contact with the chlorides, thereby increasing reaction efficiency. Furthermore, AlCl 3 can serve as a cooling agent for the reactants during the reduction step.

В одном воплощении побочные продукты со стадии восстановления вместе с какими-либо соединениями основных металлов, выходящими с газообразными побочными продуктами, собирают и возвращают для обработки на стадию восстановления. В одном варианте этого воплощения процесс рециркуляции осуществляется непрерывно. В другом варианте собранные материалы смешивают с продуктами, полученными в конце стадии восстановления, и затем полученную смесь повторно подвергают стадии восстановления, как описано выше. В еще одном варианте часть промежуточных продуктов со стадии восстановления используют в качестве контрольного порошка. В одной форме этого варианта промежуточные продукты включают AlCl3.In one embodiment, the byproducts from the reduction step, along with any base metal compounds released with the gaseous byproducts, are collected and returned to the reduction step for processing. In one embodiment of this embodiment, the recycling process is continuous. In another embodiment, the collected materials are mixed with the products obtained at the end of the reduction step, and the resulting mixture is then subjected to the reduction step again, as described above. In yet another embodiment, a portion of the intermediate products from the reduction step are used as a control powder. In one form of this embodiment, the intermediate products include AlCl3.

Во всех предпочтительных воплощениях восстанавливаемый твердый предшественник представляет собой галогенид металла (предпочтительно хлорид) или смесь галогенидов основных металлов. Примеры предпочтительных исходных хлоридов включают ZnCl2, VCl(2,3), CrCl(2,3), CoCl2, SnCl2, AgCl, TaCl(4_5), NiCl2, FeCl(2,3), NbCl5, CuCl(1,2), PtCl(4,3,2), WCl(4,5,6), PdCl2 и MoCl5, которым соответствуют основное металлы Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо. Хлориды твердых основных металлов предпочтительно находятся в форме тонкоизмельченного порошка в виде частиц, и их восстановление проводят посредством реакции с контрольным порошком на основе Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо в форме мелких частиц и твердым Al сплавом также в форме мелких частиц. В предпочтительном воплощении средний размер зерна хлоридов твердых основных металлов составляет менее 100 мкм, предпочтительно они находятся в форма порошка или хлопьев в форме мелких частиц.In all preferred embodiments , the reducible solid precursor is a metal halide (preferably a chloride) or a mixture of base metal halides. Examples of preferred precursor chlorides include ZnCl2, VCl(2,3), CrCl(2,3 ) , CoCl2 , SnCl2 , AgCl, TaCl( 4_5 ) , NiCl2 , FeCl( 2,3 ), NbCl5 , CuCl( 1,2 ), PtCl( 4,3,2 ), WCl( 4,5,6 ), PdCl2 and MoCl5 , which correspond to the base metals Zn , V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo. The solid base metal chlorides are preferably in the form of a finely ground particulate powder and are reduced by reaction with a control powder based on Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd, and Mo in the form of fine particles and a solid Al alloy also in the form of fine particles. In a preferred embodiment, the average grain size of the solid base metal chlorides is less than 100 μm, and they are preferably in the form of powder or flakes in the form of fine particles.

В одном воплощении хлориды основных металлов смешивают/измельчают для гомогенизации композиций.In one embodiment, the chlorides of the primary metals are mixed/milled to homogenize the compositions.

В одном воплощении хлориды основных металлов смешивают с AlCl3. Смешивание может быть осуществлено путем совместного помола.In one embodiment, the chlorides of the base metals are mixed with AlCl3. Mixing can be accomplished by co-milling.

В одном воплощении хлориды основных металлов смешивают с AlCl3 для получения по меньшей мере одной эвтектической фазы на основе хлорида основных металлов-AlCl3. Смешивание может быть осуществлено путем совместного помола.In one embodiment, the base metal chlorides are mixed with AlCl3 to produce at least one base metal chloride- AlCl3 eutectic phase. Mixing can be accomplished by co-milling.

В одном воплощении хлориды основных металлов смешивают с AlCl3 для увеличения разбавления хлоридов основных металлов в матрице реагентов. Смешивание может быть осуществлено путем совместного помола.In one embodiment, the primary metal chlorides are mixed with AlCl3 to increase the dilution of the primary metal chlorides in the reactant matrix. Mixing can be accomplished by co-milling.

Легирующие добавки могут быть включены с помощью химических веществах-предшественников в потоки реагентов или с помощью отдельного дополнительного потока, если это необходимо, в зависимости от совместимости с хлоридами твердых основных металлов и Al восстановителя. Легирующие добавки могут представлять собой соединение или смесь соединений или элементов на основе одного или более элементов Периодической таблицы, выбранных из О, N, S, Р, С, В, Si, Mn, Al, Ti, Zr и Hf. Добавление легирующих добавок можно осуществлять различными способами и в различных точках в ходе процесса, на стадии восстановления или стадии очистки. Предшественники добавок находятся предпочтительно в форме галогенидов.Alloying additives can be incorporated via precursor chemicals into reactant streams or via a separate additional stream, if necessary, depending on the compatibility with the solid base metal chlorides and the Al reducing agent. Alloying additives can be compounds or mixtures of compounds or elements based on one or more elements from the Periodic Table selected from O, N, S, P, C, B, Si, Mn, Al, Ti, Zr, and Hf. Alloying additives can be added in various ways and at various points during the process, either in the reduction stage or the purification stage. Precursors of the additives are preferably in the form of halides.

Легирующие добавки, которые не соответствуют критерию экзотермичности, могут представлять трудности и могут требовать специальных процедур для правильного введения. Например, добавки, такие как Ti, Mn и Zr, могут действовать как восстановители хлоридов основных металлов, разлагая конечный продукт и вызывая удержание избыточного количества Al вместе с примесями хлорида Ti, хлорида Mn и хлорида Zr. Легирующие добавки на основе Ti, Mn и Zr могут быть включены только в том случае, если Al может присутствовать в качестве части композиции в конечном продукте, а также необходимо принимать особые меры предосторожности для предотвращения образования сегрегированных алюминидных фаз, учитывая потери TiClx, MnClx и ZrClx и минимизируя присутствие непрореагировавших хлоридов в конечном продукте.Alloying additives that do not meet the exothermicity criterion can be challenging and may require special procedures for proper incorporation. For example, additives such as Ti, Mn, and Zr can act as reducing agents for parent metal chlorides, decomposing the final product and causing the retention of excess Al along with Ti chloride, Mn chloride, and Zr chloride impurities. Alloying additives based on Ti, Mn, and Zr should only be included if Al can be present as part of the final product composition. Special precautions must be taken to prevent the formation of segregated aluminide phases, accounting for the loss of TiClx , MnClx , and ZrClx , and minimizing the presence of unreacted chlorides in the final product.

- 14 050552- 14 050552

В одном воплощении способа получения композиционных сплавов, включающих добавки Ti, Mn, Zr и Al, хлориды Ti, Mn и Zr сначала частично или полностью взаимодействуют с восстановителем, а затем полученные продукты тщательно перемешивают и обрабатывают другими реагентами при температуре выше 700°С.In one embodiment of the method for producing composite alloys including Ti, Mn, Zr and Al additives, Ti, Mn and Zr chlorides are first partially or completely reacted with a reducing agent, and then the resulting products are thoroughly mixed and treated with other reagents at a temperature above 700°C.

В одном воплощении стадию восстановления выполняют в периодическом режиме. В другом воплощении стадию восстановления выполняют в непрерывном или полунепрерывном режиме.In one embodiment, the reduction step is performed in a batch mode. In another embodiment, the reduction step is performed in a continuous or semi-continuous mode.

В одном воплощении, где стадию восстановления выполняют в периодическом режиме, в непрерывном режиме или в полунепрерывном режиме, промежуточные продукты со стадии восстановления используют в качестве контрольного порошка. В одной форме этого воплощения контрольный порошок получают in situ. В еще одной форме конечные продукты используют в качестве контрольного порошка.In one embodiment, where the reduction step is performed in a batch, continuous, or semi-continuous mode, the intermediate products from the reduction step are used as a control powder. In one form of this embodiment, the control powder is produced in situ. In another form, the final products are used as a control powder.

В одном воплощении промежуточные продукты со стадии восстановления не передают на стадию очистки до тех пор, пока не завершат стадию восстановления. В другом воплощении промежуточные продукты со стадии восстановления непрерывно передают на стадию очистки.In one embodiment, the intermediate products from the reduction step are not transferred to the purification step until the reduction step is completed. In another embodiment, the intermediate products from the reduction step are continuously transferred to the purification step.

В одном воплощении для получения порошкового сплава с содержанием Al, превышающим 15 мас.%, стадию восстановления предпочтительно осуществляют в режиме, в котором Al восстановитель подают со скоростью, соответствующей той, которая требуется для восстановления хлоридов основных металлов до чистых элементарных основных металлов без избытка Al, а затем после того, как общее количество хлоридов основных металлов было распределено, оставшийся порошковый Al сплава подают с такой скоростью, чтобы результирующая температура реагентов на стадии восстановления составляла менее 660°С.In one embodiment, to produce a powder alloy with an Al content exceeding 15 wt.%, the reduction step is preferably carried out in a mode in which the Al reducing agent is fed at a rate corresponding to that required to reduce the chlorides of the base metals to pure elemental base metals without excess Al, and then, after the total amount of chlorides of the base metals has been distributed, the remaining Al alloy powder is fed at such a rate that the resulting temperature of the reactants in the reduction step is less than 660°C.

В одном воплощении, в котором исходные материалы-предшественники имеют низкую температуру кипения/сублимации, которая ниже, чем температура реакции на стадии восстановления, способ включает стадию внутренней рециркуляции на стадии восстановления, где реактор на стадии восстановления используют для конденсации и сбора реагентов, исходящих из зоны реакции, и возвращения их для повторного использования. В одной форме этого воплощения материалы, сконденсированные и возвращаемые в зону реакции, могут включать хлорид алюминия. Продукты со стадии восстановления затем обрабатывают на стадии очистки в соответствии с любым из вышеупомянутых или будущих аспектов и воплощений.In one embodiment, wherein the precursor feedstocks have a low boiling/sublimation temperature that is lower than the reaction temperature in the reduction step, the method includes an internal recirculation step in the reduction step, wherein the reactor in the reduction step is used to condense and collect the reactants exiting the reaction zone and return them for reuse. In one form of this embodiment, the materials condensed and returned to the reaction zone may include aluminum chloride. The products from the reduction step are then processed in a purification step in accordance with any of the aforementioned or future aspects and embodiments.

В одном воплощении стадию очистки осуществляют в периодическом режиме. В одном воплощении стадию очистки осуществляют в непрерывном режиме.In one embodiment, the purification step is carried out in a batch mode. In one embodiment, the purification step is carried out in a continuous mode.

В одном воплощении отношение Al к восстанавливаемым химическим веществам меньше, чем стехиометрическое отношение, и, таким образом, в исходных материалах будет избыток восстанавливаемых химических веществ. Избыток восстанавливаемых химических веществ испаряется во время обработки на стадии очистки, а затем их собирают и утилизируют.In one embodiment, the ratio of Al to recoverable chemicals is less than the stoichiometric ratio, resulting in an excess of recoverable chemicals in the feedstock. The excess recoverable chemicals are evaporated during processing at the purification stage and then collected and disposed of.

В одном воплощении непрореагировавшие материалы-предшественники, обработанные на стадии очистки при температурах до Tmax, испаряются и конденсируются в областях с более низкими температурами, а затем их непрерывно рециркулируют либо на стадию восстановления, либо на стадию очистки, как описано выше. В одной форме этого воплощения рециркуляцию осуществляют в непрерывном режиме.In one embodiment, unreacted precursor materials processed in the purification step at temperatures up to Tmax are evaporated and condensed in regions of lower temperature and then continuously recycled to either the recovery or purification step, as described above. In one form of this embodiment, recirculation is performed continuously.

Во всех предпочтительных воплощениях реагенты заранее не смешивают, поскольку могут иметь место собственные реакции, приводящие к выделению большого количества тепла с возможным повышением давления из-за перегрева газообразных побочных продуктов в виде хлорида алюминия, образующихся в результате реакции.In all preferred embodiments, the reactants are not pre-mixed since their own reactions may occur, resulting in the release of large amounts of heat with possible pressure increases due to overheating of the gaseous aluminum chloride by-products formed as a result of the reaction.

В любом из воплощений способ может включать стадию предварительной обработки для образования твердых субхлоридов металлов, которые используют в качестве исходных материаловпредшественников.In any of the embodiments, the method may include a pre-treatment step to form solid metal subchlorides that are used as precursor starting materials.

Когда исходный хлорид представляет собой жидкость или газ, способ может включать первичную стадию восстановления первичного хлорида с получением хлорида с более низкой валентностью. Например, когда Sn является основном металлом, a SnCl4 является предпочтительным исходным химическим веществом, способ включает в себя первичную стадию восстановления SnCl4 до SnCl3. Это может быть выполнено с использованием различных путей, включая восстановление щелочными металлами и восстановление водородом при высокой температуре.When the starting chloride is a liquid or gas, the method may include an initial step of reducing the primary chloride to produce a chloride with a lower valence. For example, when Sn is the primary metal and SnCl 4 is the preferred starting chemical, the method includes an initial step of reducing SnCl 4 to SnCl 3 . This can be accomplished using various routes, including alkali metal reduction and high-temperature hydrogen reduction.

Эту первичную стадию восстановления предпочтительно проводят с использованием Al восстановителя в соответствии с уравнением:This primary reduction step is preferably carried out using an Al reducing agent according to the equation:

MbClx (l,g) + (x-z)/3 Al MbClz (s) + (x-z)/3 A1C13 (R4) и затем полученный твердый MbClz (s), который может включать остаточный Al, используют в качестве твердых материалов-предшественников, как описано выше. MbClx (l,g) представляет собой жидкий/газообразный хлорид, a MbClz (s) представляет собой твердый хлорид.M b Cl x (l,g) + (xz)/3 Al M b Cl z (s) + (xz)/3 A1C1 3 (R4) and then the resulting solid M b Cl z (s), which may include residual Al, are used as solid precursor materials as described above. MbClx (l,g) is the liquid/gaseous chloride, and M b Cl z (s) is the solid chloride.

В одном предпочтительном воплощении температура кипения/сублимации первичного исходного хлорида сравнима или ниже пороговой температуры реакции на стадии восстановления, а также способ может включать стадию предварительной обработки для образования твердых субхлоридов металлов,In one preferred embodiment, the boiling/sublimation temperature of the primary starting chloride is comparable to or lower than the threshold reaction temperature in the reduction step, and the method may also include a pretreatment step to form solid metal subchlorides,

- 15 050552 чтобы использовать их в качестве исходных материалов-предшественников. В одной форме этого воплощения для получения сплавов на основе Fe, Та, Mo, Nb, W и V исходные материалыпредшественники, включая FeCl3, TaCl(4 или 5), MoCl5, NbCl5, WCl(4,6) и VCl(3,4), сначала восстанавливают с образованием смеси, включающей субхлориды (т.е. FeCl2, TaCl(2,3,4), MoCl(2,3), NbCl(3), WCl(2,3,4) и VCl(2,3), с использованием любого доступного уровня техники, включая любые вышеупомянутые и последующие воплощения, и затем полученную смесь восстанавливают до основных металлов или сплавов из основных металлов согласно любому из вышеупомянутых и последующих воплощений.- 15 050552 to be used as starting precursor materials. In one form of this embodiment, to produce Fe, Ta, Mo, Nb, W, and V based alloys, starting precursor materials including FeCl3 , TaCl( 4 or 5), MoCl5 , NbCl5, WCl(4,6), and VCl( 3,4 ) are first reduced to form a mixture including subchlorides (i.e., FeCl2, TaCl( 2,3,4 ), MoCl( 2,3 ), NbCl(3 ) , WCl ( 2,3,4 ), and VCl( 2,3 ) using any available prior art, including any of the above and following embodiments, and then the resulting mixture is reduced to base metals or base metal alloys according to any of the above and following embodiments.

В предпочтительном воплощении способ включает стадию непрерывного отвода газообразных побочных продуктов из зоны реакции посредством течения газа в направлении от твердых реагентов и конечных продуктов. В одной форме газ может быть инертным газом (например, Ar или Не). В других формах газ может включать реакционноспособные компоненты, которые могут частично или полностью реагировать с материалами-предшественниками или твердыми реагентами (например, O2 и N2).In a preferred embodiment, the method includes a step of continuously removing gaseous byproducts from the reaction zone by flowing gas away from the solid reactants and end products. In one form, the gas may be an inert gas (e.g., Ar or He). In other forms, the gas may include reactive components that can partially or completely react with the precursor materials or solid reactants (e.g., O2 and N2).

В одном воплощении порошковый продукт основан на карбидах, силицидах, боридах, оксидах или нитридах металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо. Порошковый продукт получают обработкой хлоридов металлов легирующими добавками, включающими С, Si, В, O2 или N2, в соответствии с любым из вышеупомянутых и последующих воплощений.In one embodiment, the powder product is based on carbides, silicides, borides, oxides or nitrides of metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo. The powder product is obtained by treating metal chlorides with alloying additives including C, Si, B, O2 or N2 , in accordance with any of the above and subsequent embodiments.

В предпочтительном воплощении побочные продукты из хлорида алюминия конденсируются в частях реактора при более низкой температуре и собираются отдельно.In a preferred embodiment, the aluminum chloride by-products are condensed in lower temperature portions of the reactor and collected separately.

В любом из воплощений способ можно осуществлять при давлениях от 0,0001 до 2 атм.In any of the embodiments, the method can be carried out at pressures from 0.0001 to 2 atm.

Во всех воплощениях продукт представляет собой порошок, состоящий из сплава из основных металлов или их соединения, и может включать любое количество легирующих добавок на основе любого количества неинертных элементов Периодической таблицы.In all embodiments, the product is a powder consisting of an alloy of base metals or a compound thereof, and may include any number of alloying additives based on any number of non-inert elements of the Periodic Table.

Во всех формах и воплощениях способа конечный продукт указанного способа может включать остатки алюминия.In all forms and embodiments of the method, the final product of the said method may include aluminum residues.

Во всех воплощениях способ может включать стадию отделения конечных продуктов от любых остаточных непрореагировавших материалов-предшественников и непрореагировавшего алюминия. Способ также может включать стадию промывки и сушки конечных продуктов.In all embodiments, the method may include a step of separating the final products from any residual unreacted precursor materials and unreacted aluminum. The method may also include a step of washing and drying the final products.

В одном воплощении побочные продукты из хлорида алюминия реагируют с оксидами основных металлов при температуре TCl-O с образованием хлоридов основных металлов и оксида алюминия:In one embodiment, the aluminum chloride byproducts react with base metal oxides at a temperature T Cl-O to form base metal chlorides and aluminum oxide:

МЬОХ и А1С13 МЬС1У и А12О3 (Rol) где MbOx представляет собой оксид основного металла, а MbCly представляет собой хлорид основного металла. Затем MbCly отделяют от остальных продуктов реакции и рециркулируют в виде исходного хлорида основного металла в соответствии с любым воплощением или аспектом, описанными в настоящем документе. MbOx and AlCl 3 MbCl Y and Al 2 O 3 (Rol) where MbOx is the oxide of the parent metal and MbCl is the chloride of the parent metal. MbCl is then separated from the remaining reaction products and recycled as the starting chloride of the parent metal in accordance with any embodiment or aspect described herein.

TCl-O зависит от оксида основного металла и может варьироваться от комнатной температуры до более чем 800°С. В одной форме воплощения TCl-O ниже 200°С. В другой форме TCl-O выше 200°С. В другой форме TCl-O выше 500°С. В другой форме TCl-O выше 800°С.T Cl-O depends on the oxide of the parent metal and can vary from room temperature to over 800°C. In one embodiment, T Cl-O is below 200°C. In another embodiment, T Cl-O is above 200°C. In another embodiment, T Cl-O is above 500°C. In another embodiment, T Cl-O is above 800°C.

В одном воплощении реакцию Rol проводят в инертной атмосфере. В другом воплощении реакцию Rol проводят в присутствии газообразного Cl или HCl.In one embodiment, the Rol reaction is carried out under an inert atmosphere. In another embodiment, the Rol reaction is carried out in the presence of Cl or HCl gas.

На фиг. 4 показана блок-схема, иллюстрирующая основные стадии обработки по настоящему изобретению.Fig. 4 is a block diagram illustrating the main processing steps of the present invention.

На первой стадии контрольный порошок (1) смешивают и подвергают взаимодействию с хлоридами основных металлов (2) в (3). Полученную смесь затем подвергают взаимодействию с Al (4) на стадии (5). Стадии (3) и (5) вместе образуют стадию восстановления (6). Часть полученного продукта рециркулируют (7) в (1), а остаток перемещают для очистки в (8). Продукты выгружают в (9). Часть конечного продукта может быть возможно рециркулирована (10) в виде контрольного порошка в (1). Побочные продукты (11) со стадии очистки (8) возможно могут реагировать с оксидами основных металлов в (12) с образованием хлоридов основных металлов (13), которые затем могут быть рециркулированы (14) в (2). Конечным побочным продуктом со стадии (12) при этом будет оксид алюминия (15).In the first step, the control powder (1) is mixed and reacted with the chlorides of the main metals (2) in (3). The resulting mixture is then reacted with Al (4) in step (5). Steps (3) and (5) together form the reduction step (6). A portion of the resulting product is recycled (7) to (1) and the remainder is transferred for purification to (8). The products are discharged to (9). A portion of the final product may optionally be recycled (10) as control powder to (1). The by-products (11) from the purification step (8) may optionally react with the oxides of the main metals in (12) to form chlorides of the main metals (13), which may then be recycled (14) to (2). The final by-product from step (12) will then be aluminum oxide (15).

На фиг. 5 показана принципиальная схема, иллюстрирующая стадии обработки для одного предпочтительного воплощения при получении сплавов из основных металлов.Fig. 5 is a schematic diagram illustrating the processing steps for one preferred embodiment in producing alloys from base metals.

На первой стадии (1) Al восстановитель смешивают с AlCl3 для разбавления Al и обеспечения более однородного распределения во время обработки. Другие легирующие добавки при необходимости могут быть добавлены и смешаны со смесью Al-AlCl3. Контрольный порошок (2) и хлориды основных металлов (3) смешивают предпочтительно непрерывно в предварительном смесителе (4) в инертном газе и в контролируемых условиях вместе с другими совместимыми легирующими добавками, получая поток 1 (5). Al восстановитель смешивают (6-7) с другими предшественниками в соответствии с (8) с образованием потока 2 (9). Остальные легирующие добавки-предшественники (10) подготавливают в виде одного или более дополнительных 3-n потоков (11). Поток 1 (5), поток 2 (9) и поток 3-n (11) постепенно реагируют на стадии восстановления при температурах от 160 до 600°С (12). Стадия восстановления может включать стадию внутренней рециркуляции (12А), на которой материалы (12В), выходящие из зоны реIn the first stage (1), the Al reducing agent is mixed with AlCl 3 to dilute the Al and ensure a more uniform distribution during processing. Other alloying additives can be added and mixed with the Al-AlCl 3 mixture if necessary. The control powder (2) and the base metal chlorides (3) are mixed preferably continuously in a pre-mixer (4) in an inert gas and under controlled conditions together with other compatible alloying additives to obtain stream 1 (5). The Al reducing agent is mixed (6-7) with the other precursors according to (8) to form stream 2 (9). The remaining alloying precursor additives (10) are prepared as one or more additional 3-n streams (11). Stream 1 (5), stream 2 (9) and stream 3-n (11) gradually react in the reduction stage at temperatures from 160 to 600°C (12). The recovery stage may include an internal recycling stage (12A) in which materials (12B) leaving the recovery zone

- 16 050552 акции стадии восстановления (12А), конденсируются и их рециркулируют. Материалы на выходе со стадии восстановления могут быть рециркулированы (12С) в (2) для использования в качестве контрольного порошка. Побочные продукты (13), полученные на стадии восстановления, включая хлориды алюминия, могут при необходимости удалять из зоны реакции. Однако в предпочтительном воплощении побочные продукты рециркулируют в (12А) или (12С). Стадию восстановления можно осуществлять в периодическом режиме или в непрерывном режиме.- 16 050552 shares of the reduction stage (12A) are condensed and recycled. The materials at the outlet of the reduction stage can be recycled (12C) to (2) for use as a control powder. By-products (13) obtained in the reduction stage, including aluminum chlorides, can be removed from the reaction zone if necessary. However, in a preferred embodiment, the by-products are recycled to (12A) or (12C). The reduction stage can be carried out in a batch mode or in a continuous mode.

В конце обработки на стадии восстановления материалы затем обрабатывают на стадии очистки (14) при температуре от 200 до 1000°С для завершения реакции и испарения/удаления остаточных непрореагировавших химических веществ (15). Не вступившие в реакцию химические вещества (15) могут быть рециркулированы (16) на стадию восстановления или стадию очистки. Побочные продукты со стадии очистки (13) непрерывно удаляют из твердых реагентов. В конце цикла высокотемпературной обработки продукты выгружают (17) для последующей обработки или хранения (18). Часть продуктов (17) может быть рециркулирована (17А) для использования в качестве контрольного порошка (2). Все стадии обработки, включая смешивание и подготовку материалов-предшественников, предпочтительно проводят в инертной атмосфере, и любой остаточный газ на выходе из цикла обработки обрабатывают с помощью скруббера (19) для удаления любых остаточных отходов (20). В одном воплощении оставшиеся побочные продукты (21) из хлорида алюминия взаимодействуют с оксидами основных металлов (22) с образованием продуктов реакции, включая хлориды основных металлов и оксид алюминия. Затем полученные продукты обрабатывают в (23) для отделения хлоридов основных металлов (24) от других побочных продуктов реакции хлорирования (Rol) (24). Полученные хлориды основных металлов (24) затем могут быть удалены (25) или рециркулированы в (3).At the end of the reduction step processing, the materials are then processed in a cleaning step (14) at a temperature of between 200 and 1000°C to complete the reaction and evaporate/remove residual unreacted chemicals (15). Unreacted chemicals (15) may be recycled (16) to the reduction step or the cleaning step. By-products from the cleaning step (13) are continuously removed from the solid reactants. At the end of the high temperature processing cycle, the products are discharged (17) for further processing or storage (18). A portion of the products (17) may be recycled (17A) for use as a control powder (2). All processing steps, including mixing and preparation of the precursor materials, are preferably carried out in an inert atmosphere, and any residual gas at the outlet of the processing cycle is treated with a scrubber (19) to remove any residual waste (20). In one embodiment, the remaining aluminum chloride byproducts (21) react with base metal oxides (22) to form reaction products including base metal chlorides and aluminum oxide. The resulting products are then processed in (23) to separate the base metal chlorides (24) from other byproducts of the chlorination reaction (Rol) (24). The resulting base metal chlorides (24) can then be removed (25) or recycled in (3).

В одном воплощении способа в непрерывном режиме, в котором используют хлориды с низкой температурой кипения/сублимации, такие как TaCl5, NbCl5, MoCl5, WCl4, FeCl3, VCl4 и SnCl4, материалы, испаренные из реактора на стадии восстановления, конденсируют отдельно или вместе с другими побочными продуктами реакции, такими как хлориды алюминия, вне реактора в специальном сосуде, а затем подают обратно в реактор в течение того же цикла обработки через один из входов реактора. Скорость подачи конденсата регулируют во избежание перегрузки реактора. Во втором воплощении способа собранные конденсаты рециркулируют на стадию восстановления, и этот процесс рециркуляции можно выполнять несколько раз или до тех пор, пока все исходные хлориды основных металлов не будут восстановлены. В этом варианте рециркуляцию можно осуществлять несколько раз или непрерывно, чтобы минимизировать концентрацию хлоридов основных металлов в собранных побочных продуктах из хлорида алюминия. В одном варианте этого воплощения конденсаты используют в качестве контрольного порошка.In one embodiment of the continuous process using low boiling/sublimation point chlorides such as TaCl5 , NbCl5 , MoCl5, WCl4 , FeCl3 , VC14 , and SnCl4, the materials evaporated from the reactor during the reduction step are condensed separately or together with other reaction byproducts such as aluminum chlorides outside the reactor in a dedicated vessel and then fed back to the reactor during the same processing cycle through one of the reactor inlets. The condensate feed rate is controlled to avoid reactor overload. In a second embodiment of the process, the collected condensates are recycled to the reduction step, and this recirculation process can be performed multiple times or until all of the original primary metal chlorides are recovered. In this embodiment, recirculation can be performed multiple times or continuously to minimize the concentration of primary metal chlorides in the collected aluminum chloride byproducts. In one embodiment of this embodiment, the condensates are used as a control powder.

На фиг. 6 показана общая блок-схема, иллюстрирующая одно общее воплощение способа, включающее обработку летучих хлоридных предшественников (например, TaCl5).Fig. 6 is a general flow chart illustrating one general embodiment of the method involving the treatment of volatile chloride precursors (e.g., TaCl 5 ).

Здесь можно использовать конденсатор, связанный со стадией восстановления, а температуру в реакторе на стадии восстановления устанавливают ниже 600°С, в то время как температуру конденсатора устанавливают ниже 200°С. Материалы, испаренные из реактора, конденсируются в зоне конденсатора либо в виде чистого расплавленного TaCl5, либо в виде смеси или раствора TaCl5-AlCl3, а затем конденсированные материалы направляют обратно в реакционную зону. Этот процесс рециркуляции обеспечивает механизм охлаждения материалов в реакторе вследствие испарения-конденсации-рециркуляции и также обеспечивает саморегулирующийся механизм для поддержания давления в реакторе, близкого к 1 атмосфере.Here, a condenser associated with the reduction stage can be used, and the temperature in the reactor during the reduction stage is set below 600°C, while the condenser temperature is set below 200°C. The materials evaporated from the reactor are condensed in the condenser zone either as pure molten TaCl 5 or as a mixture or solution of TaCl 5 -AlCl 3 , and then the condensed materials are returned to the reaction zone. This recirculation process provides a mechanism for cooling the materials in the reactor due to evaporation-condensation-recirculation and also provides a self-regulating mechanism for maintaining the reactor pressure close to 1 atmosphere.

В одном воплощении продукт из сплава представляет собой суперсплав на основе никеля, кобальта или железа.In one embodiment, the alloy product is a nickel-based, cobalt-based, or iron-based superalloy.

В одном воплощении продукт из сплава представляет собой высокоэнтропийный сплав (НЕА), включающий по меньшей мере четыре элемента из группы, включающей основное металлы, Al и легирующие добавки, с индивидуальными концентрациями в диапазоне от 5 мас.%, до 50 мас.%. В одной форме этого воплощения составляющие элементы находятся в эквимолярных количествах. Порошок НЕА должен содержать не менее двух основных металлов.In one embodiment, the alloy product is a high-entropy alloy (HEA) comprising at least four elements from the group consisting of base metals, Al, and alloying additives, with individual concentrations ranging from 5 wt.% to 50 wt.%. In one form of this embodiment, the constituent elements are in equimolar amounts. The HEA powder must contain at least two base metals.

В одном воплощении способ включает в себя дополнительную стадию последующей обработки порошка, чтобы он по существу имел сферические зерна, например, плазменную обработку для получения зерен, пригодных для использования в 3D-печати.In one embodiment, the method includes the additional step of post-processing the powder so that it has substantially spherical grains, such as plasma treatment to produce grains suitable for use in 3D printing.

В одном воплощении продукт из сплава представляет собой магнитный порошок на основе Fe, Ni и/или Со. В одной форме этого воплощения продукт представляет собой порошок Alnico на основе FeAl-Ni-Co и его получают в соответствии с любыми вышеупомянутыми или последующими воплощениями способа, затем осуществляют дополнительные стадии консолидации полученного порошкового сплава, придавая ему форму консолидированного изделия и затем намагничивая профилированное изделие для получения магнита. Порошок, полученный согласно этому воплощению, может включать легирующие добавки и Al.In one embodiment, the alloy product is a magnetic powder based on Fe, Ni, and/or Co. In one form of this embodiment, the product is an Alnico powder based on FeAl-Ni-Co and is produced according to any of the above or subsequent embodiments of the method, followed by additional steps of consolidating the resulting alloy powder, shaping it into a consolidated article, and then magnetizing the shaped article to produce a magnet. The powder produced according to this embodiment may include alloying additives and Al.

В одном воплощении способа для получения катализаторов порошок из основных металлов полуIn one embodiment of the method for producing catalysts, the powder of the base metals is

- 17 050552 чают в соответствии с любым из воплощений способа, причем основу порошка составляют металлы, такие как Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо и, возможно, включающие легирующие добавки, а также может быть дополнительная необязательная стадия дополнительной обработки полученного порошка из сплава основных металлов для получения катализатора. В одной форме этого воплощения в порошковом продукте содержание Al составляет более 10 мас.%, и существует дополнительная стадия растворения Al с помощью технологических средств для получения скелетного катализатора. Технологические средства включают промывку порошкового продукта щелочными растворами (например, NaOH) или кислотными растворами (H2SO4, HF ...).- 17 050552 is carried out in accordance with any of the embodiments of the method, wherein the powder base consists of metals such as Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo and, possibly, including alloying additives, and there may also be an additional optional step of further processing the resulting powder from the alloy of the base metals to obtain a catalyst. In one form of this embodiment, the powder product has an Al content of more than 10 wt.%, and there is an additional step of dissolving Al using process means to obtain a skeletal catalyst. The process means include washing the powder product with alkaline solutions (e.g., NaOH) or acidic solutions (H 2 SO 4 , HF ...).

В одном варианте последнего воплощения порошок с композицией MbxAlyCz получают в соответствии с любыми из вышеприведенных или последующих воплощений, а затем удаляют Al путем промывания порошкового продукта щелочными растворами (например, NaOH) или кислотными растворами (H2SO4, HF ...) для получения композиции MbxCz с адаптированной структурой пор и адаптированной морфологией; х, у и z представляют мольное число для Mb, Al и С. Полученная структура материала может быть слоистой структурой или пористой структурой или наноструктурированной структурой с композицией на основе композиции MbxCz.In one variant of the last embodiment, a powder with a composition M bx Al y C z is obtained in accordance with any of the above or subsequent embodiments, and then Al is removed by washing the powder product with alkaline solutions (e.g. NaOH) or acidic solutions (H 2 SO 4 , HF ...) to obtain a composition M bx C z with an adapted pore structure and an adapted morphology; x, y and z represent the molar number for Mb, Al and C. The resulting material structure can be a layered structure or a porous structure or a nanostructured structure with a composition based on the composition M bx C z .

В одном воплощении способ включает возможную дополнительную стадию обработки порошкового продукта реакционноспособным веществом с образованием покрытия на частицах порошка.In one embodiment, the method includes the optional additional step of treating the powder product with a reactive substance to form a coating on the powder particles.

Обычно продукт способа находится в форме порошка с губчатой структурой и размером зерен от 5 нм до 500 мкм.Typically, the product of the method is in the form of a powder with a spongy structure and a grain size from 5 nm to 500 µm.

В одном предпочтительном воплощении в соответствии с четвертым аспектом предложен способ получения многокомпонентного порошка или композитного порошка, в котором состав контрольного порошка существенно отличается от элементного состава, полученного посредством восстановления исходных хлоридов основных металлов с Al, и где конечный продукт содержит значительное количество непрореагировавшего контрольного порошка; контрольный порошок может представлять собой смесь хлопьев, мелких или крупных частиц и волокнистых материалов. В одной форме этого воплощения контрольный порошок состоит из чистого металлов или сплава с составом, отличным от элементного состава, полученного восстановлением исходных хлоридов основных металлов с помощью Al. Проведение процесса в соответствии с любым из предыдущих воплощений приводит к тому, что контрольный порошок покрывается или окружается сплавами или соединениями, возникающими в результате восстановления исходных химических веществ с помощью Al. Контрольный порошок может содержать сферические частицы, частицы неправильной формы, хлопья или волокна.In one preferred embodiment according to the fourth aspect, a method for producing a multicomponent powder or a composite powder is provided, in which the composition of the control powder differs significantly from the elemental composition obtained by reducing the starting chlorides of the main metals with Al, and wherein the final product contains a significant amount of unreacted control powder; the control powder may be a mixture of flakes, small or large particles and fibrous materials. In one form of this embodiment, the control powder consists of pure metals or an alloy with a composition different from the elemental composition obtained by reducing the starting chlorides of the main metals with Al. Carrying out the process in accordance with any of the previous embodiments results in the control powder being coated or surrounded by alloys or compounds resulting from the reduction of the starting chemicals with Al. The control powder may contain spherical particles, irregularly shaped particles, flakes or fibers.

Фиг. 5 и 6 относятся к процессу, в котором восстанавливаемые материалы MbClx, контрольный порошок Мс и твердый Al восстановитель подают в реактор и смешивают in-situ и нагревают при температурах между 160°С и 700°С. Поскольку количество Мс превышает количество MbClx, а Al и MbClx имеют тенденцию реагировать сначала с Мс, а затем уже полученные промежуточные продукты реагируют с Al поглотителем. Когда материалы вступают в реакцию, они образуют промежуточный продукт из сплава основных металлов и остаточных непрореагировавших материалов. В одном воплощении в периодическом режиме этот промежуточный продукт может служить как контрольный порошок, когда дополнительные реагенты переносят в реактор. В непрерывном режиме промежуточные продукты можно непрерывно или полунепрерывно рециркулировать на стадию восстановления в качестве контрольного порошка. Может потребоваться некоторое начальное количество контрольного порошка, используемого в начале операции.Figs. 5 and 6 relate to a process in which the materials to be reduced M b Cl x , the control powder M c and the solid Al reducing agent are fed to a reactor and mixed in situ and heated at temperatures between 160°C and 700°C. Since the amount of M c exceeds the amount of M b Cl x , Al and M b Cl x tend to react first with M c and then the resulting intermediates react with the Al scavenger. When the materials react, they form an intermediate product of an alloy of the base metals and residual unreacted materials. In one embodiment, in a batch mode, this intermediate product can serve as a control powder when additional reactants are transferred to the reactor. In a continuous mode, the intermediate products can be continuously or semi-continuously recycled to the reduction step as a control powder. Some initial amount of control powder used at the beginning of the operation may be required.

Во всех воплощениях инертный газ может быть использован для направления газообразных хлоридов через различные зоны обработки или наружу для сбора и дальнейшей обработки и/или рециркуляции. Во всех воплощениях непрореагировавшие хлориды основных металлов могут быть сконденсированы и возвращены для обработки при более высоких температурах в реакторе либо в непрерывном, либо в периодическом режимах.In all embodiments, an inert gas can be used to direct gaseous chlorides through various processing zones or outward for collection and further processing and/or recirculation. In all embodiments, unreacted base metal chlorides can be condensed and returned for processing at higher temperatures in the reactor, either continuously or batchwise.

Время пребывания реагентов на стадии восстановления при температурах ниже T1 определяется сочетанием факторов, включая пороговую температуру реакции и физические характеристики обрабатываемых хлоридов основных металлов; предпочтительно и где это возможно, значение T1 устанавливают ниже температуры кипения/сублимации исходных хлоридов основных металлов.The residence time of the reactants in the reduction stage at temperatures below T1 is determined by a combination of factors including the reaction threshold temperature and the physical characteristics of the base metal chlorides being processed; preferably and where possible, the T1 value is set below the boiling/sublimation temperature of the starting base metal chlorides.

Когда материалы со стадии восстановления направляют в реактор на стадию очистки, то оставшиеся непрореагировавшие материалы реагируют, причем образуются побочные продукты из хлорида алюминия. Внешний поток газа может быть использован для отведения летучих веществ из реагентов в направлении, противоположном движению твердых реагентов. Внешний поток газа отводит побочный продукт AlCl3 от твердых продуктов и выходит из реактора, где его удаляют из газового потока в специальном коллекторе при температуре ниже 160°С. Реагенты в реакторе на стадии очистки предпочтительно постоянно перемешивают, чтобы максимизировать выход реакции и минимизировать потери хлоридов основных металлов. Непрореагировавшие материалы, поступающие в высокотемпературную секцию в реакторе на стадии очистки, испаряются и направляются внешним потоком газа в области с более низкой температурой, где они конденсируются, а затем их рециркулируют.When the materials from the reduction stage are sent to the purification reactor, the remaining unreacted materials react, forming aluminum chloride byproducts. An external gas flow can be used to remove volatiles from the reactants in a direction opposite to the flow of the solid reactants. The external gas flow removes the AlCl3 byproduct from the solid products and exits the reactor, where it is removed from the gas stream in a dedicated collector at a temperature below 160°C. The reactants in the purification reactor are preferably continuously mixed to maximize reaction yield and minimize loss of base metal chlorides. Unreacted materials entering the high-temperature section of the purification reactor are vaporized and directed by the external gas flow to lower-temperature regions, where they condense and are then recycled.

- 18 050552- 18 050552

Время пребывания материалов в реакторе на стадии очистки влияет на степень агломерации/спекания порошковых продуктов, и способ может включать в себя стадию изменения времени пребывания для получения желаемого распределения частиц по размерам/морфологии.The residence time of the materials in the reactor during the purification step affects the degree of agglomeration/sintering of the powder products, and the method may include the step of varying the residence time to obtain the desired particle size/morphology distribution.

Как обсуждалось ранее, температура обработки как на стадии восстановления, так и на стадии очистки определяется свойствами материалов из основных металлов и хлоридов основных металлов, в дополнение к составу и морфологии конечного продукта. Значение минимальной температуры также может зависеть от температуры сублимации материалов-предшественников, и способ может включать первичную стадию восстановления, как описано в нижеследующих воплощениях. Однако предпочтительно, чтобы минимальная температура в реакторе на стадии очистки составляла около 200°С, то есть выше температуры сублимации хлорида алюминия.As discussed previously, the processing temperature in both the reduction and purification stages is determined by the properties of the base metal and base metal chloride materials, in addition to the composition and morphology of the final product. The minimum temperature may also depend on the sublimation temperature of the precursor materials, and the method may include a primary reduction stage, as described in the following embodiments. However, it is preferred that the minimum reactor temperature in the purification stage be approximately 200°C, i.e., above the sublimation temperature of aluminum chloride.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание реактора для осуществления способа, как описано в различных воплощениях. Реактор состоит из сосудов для проведения реакций на стадии восстановления и стадии очистки и может быть изготовлен из любых материалов, способных выдерживать температуры до 1100°С, не вступая в реакцию с химическими веществами-предшественниками и конечными продуктами. Реактор может состоять из любой защитной оболочки и соответствующих принадлежностей, способных обеспечить тесный и эффективный контакт между потоком восстанавливаемых материалов и потоком восстанавливающего Al сплава. Реактор может состоять из двух отдельных сосудов для стадии восстановления и стадии очистки или из одного сосуда, выполненного с возможностью использования как для проведения реакции на стадии восстановления, так и на стадии очистки. Как реактор для стадии восстановления, так и реактор для стадии очистки могут включать механизмы для перемещения и смешивания реагентов. В предпочтительном воплощении реактор для стадии очистки состоит из трубчатого реактора, способного работать при температурах до 1100°С, со средствами для перемещения, смешивания, нагревания, рециркуляции и переноса реагентов, блока сбора побочных продуктов и конечного блока сбора продукции.Another objective of the present invention is to provide a reactor for implementing the method as described in various embodiments. The reactor comprises vessels for conducting reactions in the reduction and purification stages and can be made of any material capable of withstanding temperatures up to 1100°C without reacting with the precursor chemicals and end products. The reactor can consist of any protective shell and corresponding accessories capable of ensuring close and effective contact between the flow of materials being reduced and the flow of the reducing Al alloy. The reactor can consist of two separate vessels for the reduction and purification stages or a single vessel configured for use in both the reduction and purification stages. Both the reduction and purification stage reactors can include mechanisms for moving and mixing the reactants. In a preferred embodiment, the reactor for the purification stage consists of a tubular reactor capable of operating at temperatures up to 1100°C, with means for moving, mixing, heating, recirculating and transferring reagents, a by-product collection unit and a final product collection unit.

В предпочтительном воплощении реактор может включать несколько отдельных зон нагрева, каждая из которых обеспечивает проведение различных реакций или функцию конденсации.In a preferred embodiment, the reactor may comprise several separate heating zones, each of which provides for different reactions or condensation functions.

Во всех вариантах реактор может дополнительно включать дополнительные впускные отверстия для газа, расположенные по всему реактору и его вспомогательным устройствам.In all embodiments, the reactor may additionally include additional gas inlet ports located throughout the reactor and its auxiliary devices.

Во всех вариантах реактор включает выпускные отверстия для удаления газов из реактора.In all embodiments, the reactor includes vents to remove gases from the reactor.

В одном воплощении реактор может включать движущееся устройство для перемещения и смешивания порошка от входа в реактор до выхода из него.In one embodiment, the reactor may include a moving device for moving and mixing the powder from the reactor inlet to the reactor outlet.

На фиг. 7 представлена принципиальная схема, на которой показан пример конфигурации реактора, включающей в себя как стадию восстановления, так и стадию очистки для проведения процесса в непрерывном режиме.Fig. 7 is a schematic diagram showing an example of a reactor configuration that includes both a reduction stage and a purification stage for carrying out the process in a continuous mode.

Для этой базовой конфигурации предусмотрена смешивающая/реакторная система, предназначенная для иллюстрации основных функций реактора, подходящего для реализации некоторых предпочтительных воплощений. Основной корпус (301) реактора для стадии восстановления представляет собой цилиндрический сосуд, изготовленный из материалов, способных противостоять химическим веществам на основе основных металлов и легирующим добавкам при температурах до 1100°С. Реактор (301) включает средства для нагрева и охлаждения реактора до требуемых рабочих температур. Предварительный смеситель (302) непрерывного действия снабжен смесителем (303), приводимым в действие снаружи (304) для смешивания хлоридов основных металлов (305), контрольного порошка (306) и порошкового восстанавливающего Al сплава (307), а затем полученную смеси подают через входное отверстие (309) в реактор (301). Также предусмотрены, но не показаны на диаграмме, бункеры и питатели для хранения и транспортировки реагентов в предварительный смеситель. Предварительный смеситель не является критичным для работы реактора, а входные патрубки могут или не могут быть непосредственно прикреплены к корпусу реактора. Вход для газа (310 и 310А) также предусмотрен на входе в реактор, и через (301) протекает поток в том же направлении, что и твердые реагенты. Легирующие добавки могут быть введены либо непосредственно в предварительный смеситель (302), либо в качестве компонента в других реагентах (305) и (307).For this basic configuration, a mixing/reactor system is provided to illustrate the basic functions of a reactor suitable for implementing certain preferred embodiments. The main body (301) of the reactor for the reduction stage is a cylindrical vessel made of materials capable of withstanding base metal-based chemicals and alloying additives at temperatures up to 1100°C. The reactor (301) includes means for heating and cooling the reactor to the required operating temperatures. A continuous pre-mixer (302) is provided with an externally driven mixer (303) (304) for mixing base metal chlorides (305), a control powder (306) and a reducing Al alloy powder (307), and then the resulting mixture is fed through an inlet (309) into the reactor (301). Also provided, but not shown in the diagram, are bins and feeders for storing and transporting reagents to the pre-mixer. The premixer is not critical to reactor operation, and the inlet connections may or may not be directly attached to the reactor vessel. A gas inlet (310 and 310A) is also provided at the reactor inlet, and flow through (301) is in the same direction as the solid reactants. Dopants may be added either directly to the premixer (302) or as a component of other reactants (305) and (307).

На выходе из реактора (301) предусмотрен конденсатор (311), в котором материалы из (301), включая газообразные вещества, выделяющиеся/испаряющиеся из реактора (301), могут быть подвергнуты конденсации/охлаждению перед введением их в камеру выдержки (312). Конденсатор поддерживают при комнатной температуре и он включает средства для транспортировки реагентов от входа к выходу. Средства для конденсации газообразных веществ в конденсаторе могут включать любые известные из уровня техники средства, включая псевдоожиженный слой, охлаждаемые скребки (cooled scrapper) и/или любые другие средства, с помощью которых можно конденсировать газообразные хлоридные вещества и смешивать их с другим твердым продуктом для получения смеси (314) перед подачей в (313). Температуру конденсатора регулируют с помощью внешних охлаждающих средств (не показаны). Инертный газ из (301) может выходить через порт (315). Часть смеси (314) подают с помощью соответствующей конвейерной системы (316) обратно в предварительный смеситель и используют в качестве контрольного порошка. Оставшаяся часть переносят в реактор для стадии очистки (317).At the outlet of the reactor (301), a condenser (311) is provided, in which materials from (301), including gaseous substances released/evaporating from the reactor (301), can be condensed/cooled before being introduced into the holding chamber (312). The condenser is maintained at room temperature and includes means for transporting reactants from the inlet to the outlet. The means for condensing gaseous substances in the condenser can include any means known in the art, including a fluidized bed, cooled scrapers and/or any other means by which gaseous chloride substances can be condensed and mixed with another solid product to obtain a mixture (314) before being fed into (313). The temperature of the condenser is controlled by external cooling means (not shown). Inert gas from (301) can exit through the port (315). A portion of the mixture (314) is fed back to the pre-mixer via a suitable conveyor system (316) and used as a control powder. The remainder is transferred to the purification reactor (317).

- 19 050552- 19 050552

В одном воплощении, не показанном здесь, реактор (301) включает в себя дополнительный выход на уровне выхода порошка, и этот дополнительный выход может быть использован для удаления газообразного хлорида алюминия перед подачей реагента в конденсатор (311).In one embodiment, not shown here, the reactor (301) includes an additional outlet at the powder outlet level, and this additional outlet can be used to remove gaseous aluminum chloride before feeding the reactant to the condenser (311).

Для стадии очистки предусмотрена базовая конфигурация винтового конвейера, предназначенная только для иллюстрации основных функций реактора, подходящего для реализации некоторых предпочтительных воплощений в соответствии с вышеизложенными аспектами по изобретению, описанными в данном документе. Основной корпус реактора очистки состоит из трубчатой основной секции (317), выполненной из материалов, способных выдерживать температуру до 1100°С и не вступать в реакцию с обрабатываемыми в нем материалами. В примере на фиг. 7 предусмотрен шнек (318) для перемещения реагентов через (317). Секция (317) имеет выход (319) для газов, используемых в реакторе, и любых газообразных побочных продуктов, образующихся в результате процесса и выходящих из реактора. Реактор также включает в себя камеру или камеры (320) для сбора побочных продуктов из газового потока. Секция (317) также включает в себя средство (321) для перемещения порошка из (312) в реактор.For the cleaning step, a basic configuration of a screw conveyor is provided, intended only to illustrate the main functions of a reactor suitable for implementing some preferred embodiments in accordance with the above aspects of the invention described in this document. The main body of the cleaning reactor consists of a tubular main section (317) made of materials capable of withstanding temperatures up to 1100 °C and not reacting with the materials processed therein. In the example in Fig. 7, a screw (318) is provided for moving reagents through (317). Section (317) has an outlet (319) for gases used in the reactor and any gaseous by-products formed as a result of the process and leaving the reactor. The reactor also includes a chamber or chambers (320) for collecting by-products from the gas stream. Section (317) also includes means (321) for moving powder from (312) into the reactor.

На концевом выходе для продукта предусмотрено одно или более отверстий (322) для введения инертного газа и газообразных материалов-предшественников. Также предусмотрено выходное отверстие (323) для продукта и камера (324) для сбора продукта.At the end outlet for the product, one or more openings (322) are provided for introducing an inert gas and gaseous precursor materials. An outlet opening (323) for the product and a chamber (324) for collecting the product are also provided.

Предпочтительно, что секцию (317) и все внутренние стенки, расположенные внутри этой секции, поддерживают при температуре выше, чем температура (температуры) кипения или температура (температуры) сублимации побочных продуктов. Секция (317) имеет минимальную температуру Т2 на входе порошка через (321), повышающуюся до температуры Tmax на уровне (325) и затем снижающуюся до комнатной температуры на уровне выхода порошкового продукта. Температуры Т2 и Tmax зависят от обрабатываемых материалов. Т2 и Tmax регулируют с помощью нагревательных/охлаждающих средств (не показаны). Т2 предпочтительно выше, чем температура (температуры) сублимации побочных продуктов. Минимальная температура Т2 предпочтительно составляет около 200°С.It is preferable that section (317) and all internal walls located inside this section are maintained at a temperature higher than the boiling temperature(s) or the sublimation temperature(s) of the by-products. Section (317) has a minimum temperature T2 at the powder inlet through (321), increasing to a temperature Tmax at the level of (325) and then decreasing to room temperature at the powder product outlet level. Temperatures T2 and Tmax depend on the materials being processed. T2 and Tmax are controlled by heating/cooling means (not shown). T2 is preferably higher than the sublimation temperature(s) of the by-products. The minimum temperature T2 is preferably about 200°C.

Как обсуждалось ранее, Tmax предпочтительно ниже 1100°С, более предпочтительно ниже 1000°С и еще более предпочтительно ниже 900°С. За реакторной секцией при Tmax продукты продвигаются к выходу для порошка, где их охлаждают до комнатной температуры и выгружают. Например, когда хлориды никеля восстанавливают с помощью Al, то максимальную температуру T1 на стадии восстановления (301) устанавливают на 500°С, минимальную температуру Т2 на стадии очистки предпочтительно устанавливают на 200°С, а Tmax устанавливают в интервале от 850°С до 950°С.As discussed previously, T max is preferably below 1100°C, more preferably below 1000°C, and even more preferably below 900°C. After the reactor section, at T max , the products advance to the powder outlet, where they are cooled to room temperature and discharged. For example, when nickel chlorides are reduced using Al, the maximum temperature T1 in the reduction stage (301) is set to 500°C, the minimum temperature T2 in the purification stage is preferably set to 200°C, and T max is set in the range from 850°C to 950°C.

Конфигурация на фиг. 7 предназначена только для иллюстрации функциональности реактора непрерывного действия, и некоторые вспомогательные устройства, составляющие часть реакторной системы, не показаны, включая контейнеры для хранения твердых реагентов в инертной атмосфере, вспомогательные устройства для подачи порошка и смесители для порошка.The configuration in Fig. 7 is intended to illustrate the functionality of the continuous reactor only, and some auxiliary devices that form part of the reactor system are not shown, including containers for storing solid reactants in an inert atmosphere, auxiliary devices for feeding powder, and powder mixers.

Для приведенной конфигурации реактора на фиг. 7 восстанавливаемые материалыпредшественники в (305), (306) и (307) отдельно подают в непрерывного действия предварительный смеситель (302), а затем в реактор (301), смешивают in situ и нагревают при температуре от 160°С до 660°С. По мере того как материалы вступают в реакцию, они образуют промежуточный продукт из сплава основных металлов и оставшихся непрореагировавших материалов, и этот продукт затем обрабатывают через конденсатор (311). Часть полученной смеси возвращают обратно в предварительный смеситель в качестве контрольного порошка. Следует обратить внимание, что может потребоваться некоторое начальное количество контрольного порошка, используемого в начале операции.For the reactor configuration shown in Fig. 7, the precursor materials to be reduced in (305), (306), and (307) are fed separately into a continuous premixer (302) and then into the reactor (301), mixed in situ, and heated at a temperature of between 160°C and 660°C. As the materials react, they form an intermediate product of an alloy of the base metals and the remaining unreacted materials, and this product is then processed through a condenser (311). A portion of the resulting mixture is returned to the premixer as a control powder. It should be noted that some initial amount of control powder used at the beginning of the operation may be required.

По мере прохождения продуктов со стадии восстановления через реакторную секцию (317) оставшиеся непрореагировавшие материалы реагируют или испаряются. Внешний газовый поток вводят в реактор через отверстие (322) для газа в направлении, противоположном движению твердых реагентов. Внешний поток газа помогает вытеснить побочные продукты из реактора для стадии очистки. Реагирующие материалы в секции (317) непрерывно перемешивают, чтобы максимизировать площадь поверхности контакта между реагентами и завершить реакции восстановления остаточных непрореагировавших реагентов. Формирование продукта происходит путем образования мелких частиц субмикронного размера, а затем спекания и агломерации частиц, что приводит к продуктам с большим размером частиц. Время пребывания материалов в реакторе влияет на этот процесс агломерации/спекания, и поэтому способ включает в себя стадию установки времени пребывания для получения нужного распределения частиц по размерам и степени агломерации.As the products from the reduction stage pass through the reactor section (317), any remaining unreacted materials react or vaporize. An external gas stream is introduced into the reactor through a gas inlet (322) in the direction opposite to the flow of the solid reactants. The external gas stream helps displace byproducts from the reactor for the purification stage. The reacting materials in section (317) are continuously mixed to maximize the contact surface area between the reactants and to complete the reduction reactions of the residual unreacted reactants. Product formation occurs through the formation of fine submicron-sized particles, followed by sintering and agglomeration of the particles, resulting in products with larger particle sizes. The residence time of the materials in the reactor influences this agglomeration/sintering process, and therefore the method includes a step of adjusting the residence time to achieve the desired particle size distribution and degree of agglomeration.

В предпочтительном воплощении нагревающие/охлаждающие средства в секциях (301), (311) и (317) управляют тепловым потоком в реакторе и поддерживают температурный профиль, необходимый для обработки на обеих стадиях, но особенно на стадии восстановления. Как видно из табл. 1, для всех основных металлов, подпадающих под данное описание, реакции между хлоридами основных металловпредшественников и восстановительным сплавом из Al являются сильно экзотермическими. Тем не менее, некоторые части корпуса реактора, возможно, нужно сначала нагреть, чтобы достичь пороговой температуры, достаточной для начала реакции, но затем реактор, возможно, потребуется охладить, чтобы поддерживать пороговую температуру и предотвращать перегрев.In a preferred embodiment, the heating/cooling means in sections (301), (311), and (317) control the heat flow in the reactor and maintain the temperature profile required for processing in both stages, but especially in the reduction stage. As can be seen from Table 1, for all base metals covered by this description, the reactions between the chlorides of the base precursor metals and the Al reduction alloy are highly exothermic. However, some portions of the reactor vessel may need to be heated first to reach a threshold temperature sufficient to initiate the reaction, but the reactor may then need to be cooled to maintain the threshold temperature and prevent overheating.

- 20 050552- 20 050552

ПримерыExamples

Следующие примеры иллюстрируют получение сплавов и соединений из основных металлов в соответствии с воплощениями по настоящему изобретению.The following examples illustrate the preparation of alloys and compounds from base metals in accordance with embodiments of the present invention.

Пример 1. Сплав Fe-Al-Cr._____________________________________________________________Example 1. Fe-Al-Cr alloy._____________________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) % масс. % mass. Сг SG СгС13 СгС1 3 473 473 16,80 16.80 Fe Fe FeCl3 FeCl 3 2362 2362 81,24 81.24 Al Al А1С13 A1C1 3 490 490 1,96 1.96

Ms: масса исходных химических веществ (мг).Ms: mass of starting chemicals (mg).

Me: масса элементарного основного металла в конечном продукте (мг) пример 1: сплав Fe-Al-Cr.Me: mass of elemental base metal in the final product (mg) example 1: Fe-Al-Cr alloy.

Контрольный порошок: сплав Fe-Al-Cr.Control powder: Fe-Al-Cr alloy.

Всего конечных продуктов: ~ 825 мг.Total final products: ~825 mg.

Следующий способ был использован для испытаний в примерах, перечисленных ниже. Порошок Ecka A1 с размером зерна 4 мкм использовали для всех испытаний, если не указано иное.The following method was used for testing in the examples listed below. Ecka A1 powder with a grain size of 4 µm was used for all tests unless otherwise noted.

a) Хлориды основных металлов-предшественников сначала тщательно смешали, чтобы получить гомогенную смесь хлоридов основных металлов (Mx1).a) The chlorides of the main precursor metals were first thoroughly mixed to obtain a homogeneous mixture of the chlorides of the main metals (Mx1).

b) Al смешали с AlCl3 для получения смеси Al-AlCl3 с массой, равной массе смеси хлорида основных металлов (Мх2). Эта последняя стадия предназначена для: (i) улучшения контакта между хлоридами основных металлов и Al восстановителем при смешивании во время восстановления; и (ii) использования AlCl3 в качестве охлаждающего агента на стадии восстановления.b) Al was mixed with AlCl 3 to obtain an Al-AlCl 3 mixture with a mass equal to that of the base metal chloride mixture (Mx2). This last step is intended to: (i) improve the contact between the base metal chlorides and the Al reducing agent when mixed during reduction; and (ii) use AlCl 3 as a cooling agent in the reduction step.

c) 100 мг Mx1 смешивают с определенным количеством Мх2 (100 Мх2/Мх1) и полученную смесь вводят в кварцевую трубку под Ar при 1 атм.c) 100 mg Mx1 is mixed with a certain amount of Mx2 (100 Mx2/Mx1) and the resulting mixture is introduced into a quartz tube under Ar at 1 atm.

d) Смесь нагревают при 500°С при вращении кварцевой трубки для обеспечения адекватного перемешивания реагентов. На первой стадии без контрольного порошка реакция происходит взрывным образом, в результате чего порошок выбрасывается из нижней части трубки. Его затем собирают и снова нагревают для завершения реакции между Mx1 и Al восстановителем; промежуточные продукты на этой стадии обозначены как Pd1.d) The mixture is heated at 500°C while rotating the quartz tube to ensure adequate mixing of the reactants. In the first stage, without the control powder, the reaction occurs explosively, causing the powder to be ejected from the bottom of the tube. It is then collected and heated again to complete the reaction between Mx1 and the Al reducing agent; the intermediate products at this stage are designated Pd1.

e) Удаление побочных продуктов.e) Removal of by-products.

f) Pd1 смешивают с определенными количествами Mx1 и Мх2 (Pd1> Mx1 + Мх2). Количества Mx1 и Мх2 увеличивают после каждого цикла по мере продвижения эксперимента и получения большего количества продуктов.f) Pd1 is mixed with certain amounts of Mx1 and Mx2 (Pd1 > Mx1 + Mx2). The amounts of Mx1 and Mx2 are increased after each cycle as the experiment progresses and more products are obtained.

g) Перейти к d).g) Go to d).

h) Продолжать, пока не будут использованы все материалы-предшественники.h) Continue until all precursor materials have been used.

i) Затем смесь нагревают от 500°С до 1000°С с шагом в 100°С в течение 10 минут на каждом шаге.i) The mixture is then heated from 500°C to 1000°C in 100°C increments for 10 minutes at each step.

j) Порошок затем выгружают, промывают, сушат и анализируют.j) The powder is then discharged, washed, dried and analyzed.

Пример 2. Ni порошок.___________________________________________________________Example 2. Ni powder___________________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Ni Ni NiCl2 NiCl 2 4920 4920 2080 2080 100 100 Al Al Al Al 720 720 0 0 0 0

Контрольный порошок: Ni. Al порошок смешивают с 1,740 г AlCl3.Control powder: Ni.Al powder is mixed with 1.740 g AlCl 3 .

Всего конечных продуктов: ~ 2 г.Total final products: ~ 2 g.

Процесс восстановления осуществляют, как описано выше для примера 1. Полученный порошок состоял из агломерированных нерегулярных губчатых зерен с широким распределением по размерам. Порошок анализировали с использованием рентгеновской дифрактометрии (XRD), рентгеновской люминисценции (XRF) и индуктивно-связанной плазмы (ICP). Рентгенограмма приведена на фиг. 8, где показаны пики, соответствующие чистому Ni. Анализ ICP показал, что содержание Al составляло менее 0,1 мас.%.The reduction process was carried out as described above for Example 1. The resulting powder consisted of agglomerated, irregular, spongy grains with a broad size distribution. The powder was analyzed using X-ray diffractometry (XRD), X-ray luminescence (XRF), and inductively coupled plasma (ICP). The X-ray diffraction pattern is shown in Fig. 8, where peaks corresponding to pure Ni are shown. ICP analysis revealed that the Al content was less than 0.1 wt%.

- 21 050552- 21 050552

Пример 3. Fe порошок.Example 3. Fe powder.

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Fe Fe FeCl3 FeCl 3 5814 5814 2000 2000 100 100 Al Al Al Al 966 966 0 0 0 0

Контрольный порошок: Fe. Al порошок смешивают с 1,940 г А1С13.Control powder: Fe. Al powder is mixed with 1.940 g of AlCl3.

Всего конечных продуктов: ~ 1,8 г.Total final products: ~ 1.8 g.

Процесс восстановления проводят, как описано выше для примера 1.The recovery process is carried out as described above for example 1.

Порошок анализировали с использованием XRD, XRF и ICP. Рентгенограмма приведена на фиг. 9, где показаны пики, соответствующие чистому Fe. Анализ ICP показал, что содержание Al составляло менее 0,1 мас.%.The powder was analyzed using XRD, XRF, and ICP. The XRD pattern is shown in Fig. 9, where peaks corresponding to pure Fe are shown. ICP analysis showed that the Al content was less than 0.1 wt%.

Пример 4. SS316.___________________________________________________________________Example 4. SS316.__________________________________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Fe Fe FeCl3 FeCl 3 19767 19767 6800 6800 68 68 Ni Ni NiCl2 NiCl 2 2838 2838 1200 1200 12 12 Cr Cr CrCl3 CrCl 3 4784 4784 1700 1700 17 17 Mo Mo MoCl5 MoCl 5 855 855 300 300 3 3 Al Al A1C13 A1C1 3 4625 4625 0 0 0 0

Контрольный порошок: полуобработанные промежуточные продукты со стадии восстановления. Al порошок смешивают с 9,25 г AlCl3.Control powder: semi-processed intermediate products from the reduction stage. Al powder is mixed with 9.25 g of AlCl 3 .

Продукты: ~ 9,6 г.Products: ~ 9.6 g.

Процесс восстановления проводят, как описано ранее для примера 1. Порошок состоит из нерегулярных агломерированных частиц. Рентгенограмма XRD показана на фиг. 10. Данные анализов ICP и XRF показывают, что содержание Al составляет порядка 0,7 мас.%, тогда как содержание Cr составляет около 12,7 мас.%, что ниже целевого значения (17 мас.%). Такое несоответствие, вероятно, связано с периодическим режимом работы тестового трубчатого реактора при неэффективном перемешивании и отсутствии рециркуляции. Поскольку CrClx более стабилен, чем другие хлоридные реагенты, элементарный Cr имеет тенденцию восстанавливать FeClx, NiCl2 и MoClx. Поскольку CrCl2 довольно стабилен, он может быть восстановлен только при прямом контакте с Al. Два средства были разработаны для решения этой трудности. Во-первых, увеличили время восстановления/рециркуляции и улучшили смешивание. Во вторых, компенсировали ограниченную реакционную способность CrClx путем использования большего количества CrCl3 в исходных предшественниках.The reduction process is carried out as described previously for Example 1. The powder consists of irregular agglomerated particles. The XRD pattern is shown in Fig. 10. The ICP and XRF analysis data show that the Al content is on the order of 0.7 wt%, while the Cr content is about 12.7 wt%, which is below the target value (17 wt%). This discrepancy is likely due to the batch operation of the test tubular reactor with ineffective mixing and no recirculation. Since CrCl x is more stable than other chloride reactants, elemental Cr tends to reduce FeCl x , NiCl 2 , and MoCl x . Since CrCl 2 is quite stable, it can only be reduced by direct contact with Al. Two remedies were developed to address this difficulty. First, the reduction/recirculation time was increased and mixing was improved. Second, the limited reactivity of CrCl x was compensated for by using more CrCl 3 in the starting precursors.

Пример 5. INCONEL 718._______________________________________________________Example 5. INCONEL 718._______________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Ni Ni NiCl2 NiCl 2 6300 6300 2660 2660 53,26 53.26 Fe Fe FeCl3 FeCl 3 2689 2689 925 925 18,5 18.5 Cr Cr CrCl3 CrCl 3 2617 2617 930 930 18,6 18.6 Mo Mo MoCl5 MoCl 5 442 442 155 155 3,1 3.1 Nb Nb NbCl5 NbCl 5 728 728 250 250 5 5 Ti Ti TiCl3 TiCl 3 145 145 45 45 0,9 0.9 Mn Mn MnCl2 MnCl 2 23 23 10 10 0,2 0.2 C C c c 2 2 2 2 0,04 0.04 Al Al A1C13 A1C1 3 2039 2039 20 20 0,4 0.4

Контрольный порошок: полуобработанный порошок INCONEL-AlCl3 со стадии восстановления. Ecka A1 порошок смешивают с 4,434 г AlCl3.Control powder: semi-processed INCONEL-AlCl 3 powder from the reduction stage. Ecka A1 powder is mixed with 4.434 g of AlCl 3 .

- 22 050552- 22 050552

Продукты: ~4,85 г.Products: ~4.85 g.

Процесс восстановления проводят, как описано выше для примера 1. Рентгенограмма XRD представлена на фиг. 11, где показаны пики, согласующиеся с Inconel 718. Анализы ICP и XRF подтверждают, что содержание Al составляет 0,4 мас.%, Ti 0,2 мас.%, Mn 0,1 мас.%, Mo 3,4 мас.%, Nb 5,6 мас.%, Cr 13,6 мас.%, Fe 19,4 мас.%, остальное - Ni.The reduction process was carried out as described above for Example 1. The XRD pattern is shown in Fig. 11, showing peaks consistent with Inconel 718. The ICP and XRF analyses confirmed that the content was Al 0.4 wt.%, Ti 0.2 wt.%, Mn 0.1 wt.%, Mo 3.4 wt.%, Nb 5.6 wt.%, Cr 13.6 wt.%, Fe 19.4 wt.%, and the balance was Ni.

Пример 6. MAR-M-509.________________________________________________________Example 6. MAR-M-509.__________________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Со So СоС12 СоС1 2 6054 6054 2745 2745 54,9 54.9 Ni Ni NiCl2 NiCl 2 1183 1183 500 500 10 10 Сг SG СгС13 СгС1 3 3293 3293 1170 1170 23,4 23.4 Та That's it ТаС15 TaS1 5 347 347 175 175 3,5 3.5 W W WC16 WC1 6 620 620 350 350 7 7 Ti Ti TiCl3 TiCl 3 40 40 12,5 12.5 0,25 0.25 Zr Zr ZrCl3 ZrCl 3 45 45 17,5 17.5 0,35 0.35 С WITH С-А1С13 C-A1C1 3 300 300 30 30 0,6 0.6 Al Al А1С13 A1C1 3 1676 1676 0 0 0 0

Контрольный порошок: полуобработанный MAR-M-509 - AlCl3 со стадии восстановления. С вводят в виде измельченного графита, 1 часть графита - 9 частей AlCl3. Al вводят как Al-AlCl3 1 часть Al 3 части AlCl3. Al порошок смешивают с 4,265 г AlCl3.Control powder: semi-processed MAR-M-509 - AlCl 3 from the reduction stage. C is introduced as crushed graphite, 1 part graphite - 9 parts AlCl 3 . Al is introduced as Al-AlCl 3 1 part Al 3 parts AlCl 3 . Al powder is mixed with 4.265 g AlCl 3 .

Продукты: ~ 4,8 г.Products: ~ 4.8 g.

Процесс восстановления осуществляют, как описано выше для примера 1. Рентгенограмма XRD на фиг. 12 соответствует известным структурам сплава. Анализ ICP показывает, что содержание Al ниже 500 м.д.The reduction process is carried out as described above for Example 1. The XRD pattern in Fig. 12 corresponds to known alloy structures. ICP analysis shows that the Al content is below 500 ppm.

Пример 7. Получение Та из TaCl5.____________________________________________________Example 7. Obtaining Ta from TaCl 5 .____________________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Та That's it ТаС15 TaS1 5 10400 10400 5000 5000 100 100 А1 A1 А1С13 A1C1 3 1243 1243 0 0 0 0

ТаС15 + 1,666 А1 = Та + 1,666 А1С13 TaC1 5 + 1.666 A1 = Ta + 1.666 A1C1 3

Ecka Al (размер зерна = 4 мкм) смешивают с AlCl3 (массовое соотношение 1:2); всего: 3,730 г.Ecka Al (grain size = 4 µm) is mixed with AlCl 3 (weight ratio 1:2); total: 3.730 g.

Количество TaCl5 на 5% выше стехиометрического количества для компенсации потерь, связанных с ручной обработкой материалов. Избыточные хлориды тантала удаляют на стадии очистки.The amount of TaCl 5 is 5% higher than the stoichiometric amount to compensate for losses associated with manual material handling. Excess tantalum chlorides are removed during the purification stage.

Контрольный порошок: Та.Control powder: Ta.

Всего конечных продуктов: ~4,77 г.Total final products: ~4.77 g.

Процесс восстановления проводят следующим образом.The recovery process is carried out as follows.

Печь устанавливают на 500°С.The oven is set to 500°C.

Стадия 1: 100 мг TaCl5+ 33 мг Al-AlCl3 вводят в кварцевую трубку.Step 1: 100 mg TaCl 5 + 33 mg Al-AlCl 3 are introduced into a quartz tube.

Стадия 2: кварцевую трубку помещают в печь; когда происходит реакция, то побочные продукты из хлорида алюминия + некоторое количество TaCl5 испаряются и осаждаются на холодном участке трубки.Step 2: The quartz tube is placed in a furnace; when the reaction occurs, the by-products of aluminum chloride + some TaCl 5 evaporate and precipitate on the cold part of the tube.

Трубку удаляют из печи.The tube is removed from the oven.

Соскребают побочные продукты + остатки обратно в зону реакции на дно трубки.Scrape by-products + residues back into the reaction zone at the bottom of the tube.

Полученная смесь используют в качестве контрольного порошка для следующего реакционного цикла.The resulting mixture is used as a control powder for the next reaction cycle.

Стадия 3: добавляют еще 50 мг TaCl5, чем на стадии, и утраивают количество TaCl5 для Al-AlCl3.Step 3: Add another 50 mg of TaCl 5 than in step 1 and triple the amount of TaCl 5 for Al-AlCl 3 .

Смешивают с контрольным порошком, уже находящимся в трубке.Mix with the control powder already in the tube.

Осуществляют стадию 2.Stage 2 is carried out.

Продолжают процесс, пока не будет использован весь TaCl5.Continue the process until all TaCl 5 is used.

Добавляют оставшийся Al-AlCl3 и переходят к стадии 2.Add the remaining Al-AlCl 3 and proceed to step 2.

Смешивают продукты с собранными побочными продуктами + остатками.Mix the products with collected by-products + residues.

Нагревают при 500°С в течение 10 минут.Heat at 500°C for 10 minutes.

- 23 050552- 23 050552

Собирают побочные продукты + остатки.Collect by-products + residues.

Смешивают продукты с собранными побочными продуктами + остатками.Mix the products with collected by-products + residues.

Нагревают при 500°С в течение 10 минут. Собирают и удаляют полученные побочные продукты.Heat at 500°C for 10 minutes. Collect and remove the resulting byproducts.

Нагревают во вращающейся кварцевой трубке при температуре от 500°С до 1000°С с шагом в 100°С со скоростью 10°С в минуту.It is heated in a rotating quartz tube at a temperature from 500°C to 1000°C in 100°C increments at a rate of 10°C per minute.

Продукт собирают, промывают и высушивают.The product is collected, washed and dried.

Анализ: на фиг. 13 показаны данные рентгеноструктурного XRD анализа полученных материалов, которые согласуются с чистым Та. Анализ ICP показывает, что концентрация А1 в образце составляет около 530 м.д.Analysis: Figure 13 shows the XRD data of the obtained materials, which are consistent with pure Ta. ICP analysis shows that the Al concentration in the sample is about 530 ppm.

Пример 8. SMA - порошок FeNiCoAlTaB,________________________________________Example 8. SMA - FeNiCoAlTaB powder,________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Fe Fe FeCl3 FeCl 3 1329 1329 457 457 41,5 41.5 Со So СоС12 СоС1 2 442 442 200 200 18,2 18.2 Ni Ni NiCl2 NiCl 2 689 689 291 291 26,5 26.5 Та That's it ТаС15 TaS1 5 179 179 90,5 90.5 8,2 8.2 В IN В IN о,и oh, and о,и oh, and 0,01 0.01 А1 A1 А1 A1 445 445 62,1 62.1 5,6 5.6

Исходным предшественником бора является порошок В. Ecka А1 (4 мкм) смешивают с 1,555 г А1С13.The initial precursor of boron is powder B. Ecka Al (4 μm) mixed with 1.555 g AlCl 3 .

Процесс проводят, как описано в примере 1. Собирают ~ 0,92 г порошка. Спектры XRD показаны на фиг. 14. Анализы ICP и XRF показывают, что состав соответствует целевому.The process is carried out as described in Example 1. ~0.92 g of powder is collected. The XRD spectra are shown in Fig. 14. ICP and XRF analyses indicate that the composition matches the target.

Пример 9. Порошок AlCoCrCuFeNi НЕА.________________________________________Example 9. AlCoCrCuFeNi powder HEA._____________________________________________

Элемент Element Исходное Original Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. химическое вещество chemical substance Со So СоС12 СоС1 2 1300 1300 589 589 18,64 18.64 Ni Ni NiCl2 NiCl 2 1230 1230 520 520 16,46 16.46 Сг SG СгС12 СгС1 2 1652 1652 587 587 18,58 18.58 Си Si СиС12 SiS1 2 1346 1346 636 636 2011 2011 Fe Fe FeCl3 FeCl 3 1625 1625 559 559 1767 1767 Al Al Al Al 1350 1350 270 270 8,54 8.54

Контрольный порошок: порошок AlCoCrCuFeNi НЕА. Ecka Al (размер зерна=4 мкм) смешивают с А1С13 (массовое соотношение 1:2); всего: 4,050 г.Control powder: AlCoCrCuFeNi HEА. Ecka Al powder (grain size = 4 μm) is mixed with AlCl3 (weight ratio 1:2); total: 4.050 g.

Всего конечных продуктов: ~ 3 г.Total final products: ~ 3 g.

Процесс восстановления выполняют в две стадии.The restoration process is carried out in two stages.

Во-первых, процедуры, описанные для примера 1, используют на всей стадии восстановления, чтобы получить приблизительный состав, эквивалентный CoCrCuFeNi.First, the procedures described for Example 1 are used throughout the reduction stage to obtain an approximate composition equivalent to CoCrCuFeNi.

Затем оставшийся А1 добавляют постепенно, используя ту же процедуру, что и в примере 1.The remaining A1 is then added gradually using the same procedure as in Example 1.

Полученные материалы затем обрабатывают на стадии очистки для удаления остаточных хлоридов и укрупнения порошковых продуктов.The resulting materials are then processed in a purification stage to remove residual chlorides and coarsen the powder products.

Рентгенограммы для полученных порошковых продуктов показаны на фиг. 15.The X-ray diffraction patterns of the obtained powder products are shown in Fig. 15.

Продукты были проанализированы с использованием XRF и ICP, и результаты соответствуют ожидаемому составу.The products were analyzed using XRF and ICP and the results were consistent with the expected composition.

Пример 10. Скелетный Со катализатор,_______________________________________________Example 10. Skeletal Co catalyst,_______________________________________________

Элемент Element Исходное химическое вещество The original chemical substance Ms (мг) Ms (mg) Me (мг) Me (mg) % масс. % mass. Со So СоС12 СоС1 2 1299 1299 589 589 81 81 А1 A1 А1 A1 990 990 0 0 19 19

-24050552-24050552

Хлориды основных металлов смешивают с 2,7 г AlCl3.Chlorides of the main metals are mixed with 2.7 g of AlCl 3 .

Ecka Al (4 мкм) смешивают с AlCl3 (массовое соотношение 1:2); всего: 2970 мг.Ecka Al (4 µm) is mixed with AlCl 3 (weight ratio 1:2); total: 2970 mg.

Процесс восстановления проводят в две стадии.The recovery process is carried out in two stages.

Во-первых, процедуры, использованные в примере 1 для MAR-M-509, используют на всей стадии восстановления для получения приблизительного состава, эквивалентного для Со.First, the procedures used in Example 1 for MAR-M-509 are used throughout the reduction step to obtain an approximate composition equivalent to Co.

Затем оставшийся Al добавляют постепенно, используя ту же процедуру, что и в примере 1.The remaining Al is then added gradually using the same procedure as in Example 1.

Полученные материалы затем обрабатывают на стадии очистки для удаления остаточных хлоридов и укрупнения порошковых продуктов.The resulting materials are then processed in a purification stage to remove residual chlorides and coarsen the powder products.

Рентгенограммы для полученных порошковых продуктов показаны на фиг. 16.The X-ray diffraction patterns of the obtained powder products are shown in Fig. 16.

Образец 1 г Со-Al порошка промывают (в течение 2 часов) в 60 мл H2O плюс 10 мл NaOH (50 мол.%). Порошок затем промывают в дистиллированной воде до тех пор, пока рН не станет нейтральным. Рентгенограмма полученных материалов показана на фиг. 17. Отмечено отсутствие значительных пиков из-за сверхтонкой структуры полученной скелетной структуры.A 1 g sample of Co-Al powder was washed (for 2 h) in 60 ml H 2 O plus 10 ml NaOH (50 mol%). The powder was then washed in distilled water until the pH became neutral. The X-ray diffraction pattern of the obtained materials is shown in Fig. 17. The absence of significant peaks is noted due to the hyperfine structure of the obtained skeletal structure.

Настоящий способ может быть использован для производства сплавов и соединений различного состава, включая соединения чистых металлов, оксиды и нитриды Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb Cu, Pt, W, Pd и Мо, включая легирующие добавки, как описано выше. Модификации, варианты, продукты и использование указанных продуктов, как это очевидно для специалиста в данной области, считаются находящимися в пределах объема настоящего изобретения.The present method can be used to produce alloys and compounds of various compositions, including compounds of pure metals, oxides and nitrides of Al, Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, including alloying additives as described above. Modifications, variations, products and the use of said products, as is obvious to a person skilled in the art, are considered to be within the scope of the present invention.

Материалы, полученные с использованием настоящего изобретения, имеют уникальные характеристики, которые нельзя получить, используя предшествующий уровень техники. Предложенная изобретения распространяется на материалы, которые могут быть изготовлены с использованием настоящего изобретения и материалов, не ограничиваясь примерами, приведенными в этом описании в качестве иллюстрации. Специфические свойства включают способность производить наноструктурированные и/или сложные композиции, которые могут быть недостижимы при использовании обычных технологий для получения порошков.Materials obtained using the present invention possess unique characteristics that cannot be achieved using prior art. The present invention extends to materials that can be manufactured using the present invention and materials, without being limited to the examples provided in this description by way of illustration. Specific properties include the ability to produce nanostructured and/or complex compositions that may be unattainable using conventional powder production technologies.

В нижеследующей формуле изобретения и в предшествующем описании воплощений, за исключением случаев, когда контекст требует иного из-за выраженного языка или необходимого значения, слова включает (и содержит) и варианты, такие как включает или включающий (и содержит или содержащий) используют в инклюзивном смысле, чтобы указать наличие заявленных признаков, но не исключать наличие или исключать добавление дополнительных признаков в различных воплощениях по изобретению.In the following claims and in the preceding description of embodiments, except where the context otherwise requires because of the express language or the necessary meaning, the words include (and comprise) and variations such as includes or including (and contains or comprising) are used in an inclusive sense to indicate the presence of the claimed features, but not to exclude the presence or to exclude the addition of additional features in various embodiments of the invention.

Кроме того, специалистам в данной области техники будет очевидно, что может быть сделано много модификаций без отклонения от сущности и объема изобретения; в частности, будет очевидно, что определенные признаки воплощений по изобретению могут быть использованы для формирования дополнительных воплощений.Furthermore, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the spirit and scope of the invention; in particular, it will be apparent that certain features of the embodiments of the invention can be used to form additional embodiments.

Claims (12)

1. Способ контролируемого экзотермического восстановления хлорида одного или более основных металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo, с помощью Al восстановителя, включающий контактирование указанного одного или более хлоридов металла, контрольного порошка и Al восстановителя, находящихся в форме мелких частиц порошка со средним размером частиц менее 500 мкм по меньшей мере по одному измерению, при температурах от 160 до 600°С на стадии восстановления, на которой удаляют по меньшей мере 50% хлора, содержащегося в исходном хлориде основного металла, и стадии очистки при температурах выше температуры сублимации/испарения хлоридов основного металла и ниже максимальной температуры Tmax с образованием порошкового продукта из металла или металлического сплава и побочного включающего хлорид алюминия продукта; и где стадия очистки служит для очистки порошкового продукта и завершения реакции восстановления, приводящей к образованию твердого порошкового продукта и газообразного побочного продукта; и отделение побочных продуктов от порошкового продукта из металла или металлического сплава;1. A method for the controlled exothermic reduction of a chloride of one or more base metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo using an Al reducing agent, comprising contacting said one or more metal chlorides, a control powder and an Al reducing agent, which are in the form of fine powder particles with an average particle size of less than 500 μm in at least one dimension, at temperatures from 160 to 600°C in a reduction step in which at least 50% of the chlorine contained in the original chloride of the base metal is removed, and a cleaning step at temperatures above the sublimation/evaporation temperature of the chlorides of the base metal and below the maximum temperature T max with the formation of a powder product of a metal or metal alloy and a by-product including aluminum chloride; and wherein the purification step serves to purify the powder product and complete the reduction reaction resulting in the formation of a solid powder product and a gaseous by-product; and separating the by-products from the metal or metal alloy powder product; где контрольный порошок включает один или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо, или их сплав или их соединение и служит для контролирования экзотермического выделения тепла при реакции восстановления, тем самым поддерживая температуру реакции ниже Tmax;wherein the control powder comprises one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, or an alloy or compound thereof, and serves to control the exothermic release of heat during the reduction reaction, thereby maintaining the reaction temperature below Tmax; Tmax находится между 400 и 1100°С, причем она ниже температуры плавления продукта из основного металла или металлического сплава, и реакцию контролируют так, что тепло, выделяемое в результате реакции, не увеличивает температуру реакции более чем на 200°С. Tmax is between 400 and 1100°C, which is below the melting point of the base metal or metal alloy product, and the reaction is controlled such that the heat released by the reaction does not increase the reaction temperature by more than 200°C. 2. Способ по п.1, в котором Tmax выше температуры сублимации/испарения одного или более хлоридов металлов.2. The method according to claim 1, wherein T max is higher than the sublimation/evaporation temperature of one or more metal chlorides. 3. Способ по любому из пп.1 или 2, в котором на первой стадии указанные хлориды металлов представляют собой хлориды металлов, которые смешивают и подвергают взаимодействию с указанным кон-3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein in the first step said metal chlorides are metal chlorides that are mixed and reacted with said con- - 25 050552 трольным порошком, а затем полученные промежуточные продукты подвергают взаимодействию с порошкообразным Al восстановителем.- 25 050552 with a trol powder, and then the obtained intermediate products are subjected to interaction with a powdered Al reducing agent. 4. Способ по п.1 или 3, в котором контрольный порошок вводят в количестве, достаточном для по глощения тепла, выделяемого экзотермическими реакциями, и для ограничения увеличения температуры реакции до значения меньше ΔT=200°С, и где количество контрольного порошка на 1 кг хлоридов металлов составляет от Мс/100 до Мс; и4. The method according to claim 1 or 3, in which the control powder is introduced in an amount sufficient to absorb the heat released by exothermic reactions and to limit the increase in the reaction temperature to a value less than ΔT=200°C, and where the amount of control powder per 1 kg of metal chlorides is from M c /100 to M c ; and где Tmin Tr, и отношение хлоридов основных металлов к контрольному порошку составляет от 0,03:1 до 100:1 по массе, и где Tr - пороговая температура реакции, Ср-Ь - удельная теплоемкость основных металлов, Mb - масса продукта Mb на 1 моль исходных хлоридов основных металлов MbClx, а MaiCi3 и Cp-Aia3 соответственно масса и удельная теплоемкость образующегося побочного продукта хлорида алюминия на 1 моль МьС1х.where Tmin Tr, and the ratio of the chlorides of the main metals to the control powder is from 0.03:1 to 100:1 by weight, and where Tr is the threshold reaction temperature, C p-b is the specific heat capacity of the main metals, Mb is the mass of the product Mb per 1 mol of the initial chlorides of the main metals MbCl x , and MaiCi3 and C p- Aia3 are, respectively, the mass and specific heat capacity of the resulting by-product aluminum chloride per 1 mol MbCl x . 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором контрольный порошок дополнительно включает хлорид алюминия.5. The method according to any one of the preceding claims, wherein the control powder further comprises aluminum chloride. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, включающий получение первого потока материалов, включающего один или более хлоридов металлов и, возможно, легирующие добавки-предшественники;6. A method according to any one of the preceding claims, comprising providing a first stream of materials comprising one or more metal chlorides and, optionally, precursor alloying additives; получение второго потока материалов, включающего Al восстановитель; и получение третьего потока материалов, включающего контрольный порошок;obtaining a second stream of materials including an Al reducing agent; and obtaining a third stream of materials including a control powder; подачу указанных потоков в реакционную зону и смешивание и взаимодействие указанных потоков при температурах от 25 °С до Tmax;feeding the said flows into the reaction zone and mixing and interaction of the said flows at temperatures from 25 °C to T max ; где Tmax находится между 400 и 1100°С;where T max is between 400 and 1100°C; Al восстановитель находится в форме порошка, хлопьев или мелких частиц, изготовленных из чистого элемента, сплава или соединения на основе Al;Al reducing agent is in the form of powder, flakes or fine particles made from pure Al-based element, alloy or compound; основной металл представляет собой один или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Мо; и материалы-предшественники для предшественников легирующих добавок включают один или более чистых элементов, хлориды, оксиды, нитриды и любое другое соединение или сплав или интерметаллическое соединение, содержащее элемент.the base metal is one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo; and the precursor materials for the alloying additive precursors include one or more pure elements, chlorides, oxides, nitrides and any other compound or alloy or intermetallic compound containing the element. 7. Способ по п.6, включающий непрерывную подачу и перемешивание материалов из указанных потоков при температурах, возрастающих от Т0 до T1 в течение первого времени пребывания, а затем при температурах между Т2 и Tmax в течение второго времени пребывания; где Т0 находится между 160 и 600°С, T1 ниже 660°С, Т2 находится между 200 и 700°С и Tmax находится между 400 и 1100°С; и где первое время пребывания является достаточным для того, чтобы восстановить все исходные хлориды основных металлов до содержания хлора менее 50% от содержания хлора в исходном хлориде основного металла.7. The method of claim 6, comprising continuously feeding and mixing materials from said streams at temperatures increasing from T 0 to T 1 for a first residence time and then at temperatures between T 2 and T max for a second residence time; where T 0 is between 160 and 600°C, T 1 is below 660°C, T 2 is between 200 and 700°C and T max is between 400 and 1100°C; and where the first residence time is sufficient to reduce all of the original base metal chlorides to a chlorine content of less than 50% of the chlorine content of the original base metal chloride. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, в котором хлорид металла включает один или более хлоридов металлов, выбранных из ZnCl2, VCl(2,3,4), CrCl(2,3), CoCl2, SnCl(2,4), AgCl, TaCl(4,5), NiCl2, FeCl(2,3), NbCl5, CuCl(1,2), PtCl(4,3,2), WCl(4,5,6), PdCl2 и MoCl5, и где реакции между хлоридами металлов и Al восстановителем являются экзотермическими при температурах ниже 500°С и выделяется энергия, превышающая 10 кДж на 1 моль указанного хлорида металла.8. The method according to any one of the preceding claims, wherein the metal chloride comprises one or more metal chlorides selected from ZnCl 2 , VCl( 2 , 3 , 4 ), CrCl( 2 , 3 ), CoCl 2 , SnCl( 2 , 4 ), AgCl, TaCl( 4 , 5 ), NiCl 2 , FeCl( 2 , 3 ), NbCl 5 , CuCl( 1, 2 ), PtCl( 4 , 3 , 2 ), WCl( 4 , 5 , 6 ), PdCl 2 and MoCl 5 , and wherein the reactions between the metal chlorides and the Al reducing agent are exothermic at temperatures below 500°C and the energy released is greater than 10 kJ per 1 mole of said metal chloride. 9. Способ по п.1, в котором хлорид металла реагирует с контрольным порошком путем реакций замещения хлора и/или однократных реакций замещения с образованием промежуточных восстанавливаемых веществ.9. The method according to claim 1, wherein the metal chloride reacts with the control powder by chlorine substitution reactions and/or single substitution reactions to form intermediate reducible substances. 10. Способ по п.1 для получения сплава, соединения или катализатора, включающий выполнение способа по п.1 для получения продукта из металлического сплава, содержащего один или более металлов, выбранных из Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Та, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd и Mo, и содержащего более 10 мас.% Al; и дополнительную вторую стадию удаления Al путем растворения его в гидроксиде щелочного металла или в кислоте.10. The method of claim 1 for producing an alloy, compound or catalyst, comprising performing the method of claim 1 to produce a product from a metal alloy containing one or more metals selected from Zn, V, Cr, Co, Sn, Ag, Ta, Ni, Fe, Nb, Cu, Pt, W, Pd and Mo, and containing more than 10 wt.% Al; and an additional second step of removing Al by dissolving it in an alkali metal hydroxide or in an acid. 11. Способ по п.1, в котором хлорид металла включает TaCl5, NbCl5, MoCl5, FeCl3, WCl(4,5 или 6), VCl(3 или 4) или SnCl4, и где способ включает основную стадию восстановления хлорида металла с получением промежуточного продукта, включающего TaCl(0, 2, 3 или 4), NbCl(0, 2, 3 или 4), MoCl^, 2, 3 или 4), FeCl(0 или 2), W Cl(0, 2, 3, 4 или 5), VCl(0, 2 или 3) или SnCl11. The method of claim 1, wherein the metal chloride comprises TaCl 5 , NbCl 5 , MoCl 5 , FeCl 3 , WCl( 4 , 5 or 6), VCl( 3 or 4 ) or SnCl 4 , and wherein the method comprises the main step of reducing the metal chloride to obtain an intermediate product comprising TaCl(0, 2, 3 or 4), NbCl(0, 2, 3 or 4), MoCl^, 2, 3 or 4), FeCl(0 or 2), W Cl (0, 2, 3, 4 or 5), VCl (0, 2 or 3) or SnCl 2 12. Способ по п.1, в котором хлорид металла включает TaCl5, NbCl5, MoCl5, FeCl3, WCl(4, 5 или 6), VCl(3 или 4) или SnCl4, и где способ включает стадии12. The method of claim 1, wherein the metal chloride comprises TaCl 5 , NbCl 5 , MoCl 5 , FeCl 3 , WCl( 4 , 5 or 6), VCl(3 or 4) or SnCl 4 , and wherein the method comprises the steps of - 26 050552 взаимодействия хлорида металла с контрольным порошком и Al восстановителем в реакционной зоне при температурах от 160 до 600°С с получением смеси металла или металлического сплава, Al или Al сплава и субхлоридов металлов; и конденсации хлоридов металлов, испарившихся из реакционной зоны и возвращение их в указанную реакционную зону, при этом конденсированные хлориды металлов находятся в виде твердого порошка или в жидкой форме; и обработки полученной смеси металла или металлического сплава, Al или Al сплава и субхлоридов металлов с получением сплава из основного металла.- 26 050552 interaction of a metal chloride with a control powder and an Al reducing agent in a reaction zone at temperatures from 160 to 600°C to obtain a mixture of a metal or metal alloy, an Al or Al alloy and metal subchlorides; and condensation of the metal chlorides evaporated from the reaction zone and their return to the said reaction zone, wherein the condensed metal chlorides are in the form of a solid powder or in liquid form; and processing the resulting mixture of a metal or metal alloy, an Al or Al alloy and metal subchlorides to obtain an alloy from the base metal.
EA201990031 2016-07-06 2017-07-06 THERMOCHEMICAL TREATMENT OF EXOTHERMIC METAL SYSTEMS EA050552B1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2016902659 2016-07-06
AU2017900864 2017-03-13

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EA050552B1 true EA050552B1 (en) 2025-07-24

Family

ID=

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6611967B2 (en) Thermochemical treatment of exothermic metals
JP5886815B2 (en) Apparatus and method for the production of metal compounds
CN102065992B (en) Method and apparatus for forming titanium-aluminium based alloys
US6699305B2 (en) Production of metals and their alloys
CN110199039B (en) Titanium alloy material production by reduction of titanium tetrachloride
US3252823A (en) Process for aluminum reduction of metal halides in preparing alloys and coatings
US5217747A (en) Reactive spray forming process
KR20160010874A (en) Process for manufacturing metal containing powder
CN110198798B (en) Titanium alloy material production by reduction of titanium tetrahalide
WO2005035807A1 (en) Methods and apparatuses for producing metallic compositions via reduction of metal halides
NO347914B1 (en) Production of aluminium-scandium based alloy particulates
CA3180488A1 (en) Low temperature reduction of metal oxides
CN100375791C (en) Method and apparatus for producing metal compositions by reduction of metal halides
EA050552B1 (en) THERMOCHEMICAL TREATMENT OF EXOTHERMIC METAL SYSTEMS
WO2001045906A2 (en) Production of metals and their alloys
RU2823896C1 (en) Method of producing powder of metallic molybdenum
MX2007006688A (en) Production of valve metal powders.