JP6129556B2 - 低アルミニウムチタン−アルミニウム合金を製造する方法 - Google Patents
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Description
TiCl4+(1.333+x)Al→TiCl3+(1+x)Al+0.333AlCl3
TiCl4+(1.333+x)Al→TiCl2+(0.666+x)Al+0.666AlCl3
TiCl3+(1+x)Al→Ti−Alx+AlCl3
TiCl2+(0.666+x)Al→Ti−Alx+0.666AlCl3
(a)(チタン−アルミニウム合金を生成するために必要な化学量論量以上の量での)チタン亜塩化物とアルミニウム(たとえばアルミニウム粉末またはアルミニウム薄片)とを含む前駆体混合物を、第1温度まで、チタン亜塩化物がアルミニウムによって還元されて元素チタンを含む反応混合物を形成することができるために十分な時間加熱するステップと、
(b)元素チタンを含む反応混合物を、それを超えるとチタンアルミナイドの形成が起こりにくくなる第2温度まで迅速に加熱するステップと、
(c)加熱された反応混合物を、チタン−アルミニウム合金を生成する状態にさらすステップと、
を含む。
(a)(チタン−アルミニウム合金を生成するために必要な化学量論量以上の量での)チタン亜塩化物とアルミニウム(たとえばアルミニウム粉末またはアルミニウム薄片)とを含む前駆体混合物を、第1温度まで、チタン亜塩化物がアルミニウムによって還元されて元素チタンを含む反応混合物を形成するのを可能にするのに十分な時間加熱するステップと、
(b)チタンアルミナイドの形成が起こりにくくなる第2温度まで、元素チタンを含む反応混合物を迅速に加熱するステップと、
(c)加熱された反応混合物を、チタン−アルミニウム合金を生成する状態にさらすステップと、
を含む。
ステップ(a)では、チタン亜塩化物を含む前駆体混合物が、アルミニウムとともに、第1温度まで、チタン亜塩化物がアルミニウムによって還元され元素チタンを含む反応混合物を形成するのを可能にするのに十分な時間加熱される。
ステップ(b)では、元素チタンを含む反応混合物は、その温度を超えるとチタンアルミナイドの形成が起こりにくくなる第2温度まで、迅速に加熱される。
ステップ(c)では、ステップ(b)の反応混合物は、チタン−アルミニウム合金を生成するような条件に晒される。典型的には、ステップ(c)は、反応混合物を最終温度まで、チタン−アルミニウム合金を生成するために十分な時間加熱することを含む。上述したように、この時間中、わずかな量のTiAlが主Tiマトリックスに溶解し、その結果、低Al含有量のTi−Alの固溶体がもたらされる。最終温度は、たとえば約1000℃であってもよく、またはさらにはいくつかの実施形態ではそれより高くてもよい。
本発明の方法の一部を、必ずしもその最も広い形態で形成する必要はないが、チタン亜塩化物およびアルミニウムを含む混合物を、本発明の方法で使用されるように(たとえば上述したようにステップ(a)で使用される前駆体混合物)いかに形成され得るかを簡単に説明することは有用である。この反応は、国際公開第2007/109847号パンフレットに開示されているものと本質的に同じである。
他の元素を組み込む低アルミニウムチタン−アルミニウム合金を得るために、本発明の方法において別の1種または複数種の元素(すなわち、チタンおよびアルミニウムに加えて1種または複数種の元素)の供給源を含むことも可能である。いくつかの実施形態では、追加の元素の供給源を、アルミニウムで還元する前にチタン亜塩化物と混合させてもよい。別法として、追加の元素の供給源を、異なる処理段階で導入してもよい。
本発明の方法を、反応速度に対して必要な制御(たとえば温度状態および圧力状態)を提供するように適合された任意の好適な反応容器において行うことができる。たとえば、国際公開第2007/109847号パンフレットおよび同第2009/129570号パンフレットに開示されている反応器を、本発明の方法を行うように適合させることができる。所定の例示的な実施形態については後に詳細に説明する。
TiCl4+1.494Al+0.042VCl3→Ti−0.112at%Al−4.2at%V+AlCl3
最初に、Al粉末(200g)およびVCl3(32.6g)をAlCl3(100g)と混合し、アルゴン下で容器内に装填した。バナジウムのより均一な分布が必要な場合、混合物を粉砕することができた。
Claims (20)
- 15質量%未満のアルミニウムを含むチタン−アルミニウム合金を製造する方法であって、
400℃から600℃の範囲の第1の温度で、前記チタン−アルミニウム合金を生成するために必要な化学量論量以上の量のチタン亜塩化物が、アルミニウムによって還元されることにより、元素チタンを含む反応混合物が形成される第1ステップと、
750℃から900℃の範囲の第2の温度で、前記反応混合物が加熱される第2ステップと、さらに、
前記第2の温度から、900℃から1100℃の最終温度範囲まで前記反応混合物が加熱されることにより、前記チタン−アルミニウム合金が形成されるステップと、
を含み、
前記反応混合物を、第1の温度から第2の温度まで、1秒間から10分間の期間にて、迅速に加熱することによって、チタンアルミナイドの形成をもたらす反応の反応速度が制御されることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記反応速度が、前記加熱された反応混合物を包囲する雰囲気において前記方法の間に形成されるガス状塩化アルミニウムの濃度を低減させることによって制御されることを特徴とする方法。 - 請求項2に記載の方法において、
前記方法の間に形成される前記ガス状塩化アルミニウムが、不活性ガス流に同伴されかつそれによって希釈されることを特徴とする方法。 - 請求項2または3に記載の方法において、
前記方法の間に形成される前記ガス状塩化アルミニウムが、同様に前記方法の間に形成されるガス状塩化チタンによって希釈されることを特徴とする方法。 - 請求項1に記載の方法において、
前記第1ステップにおいて、
(a)チタン亜塩化物およびアルミニウムを含む前駆体混合物を、400℃から600℃の範囲の第1温度まで、チタン亜塩化物がアルミニウムによって還元されて元素チタンを含む反応混合物を形成するのを可能にするために十分な時間加熱し、
その後、前記第2ステップにおいて、
(b)元素チタンを含む前記反応混合物を、それを超えるとチタンアルミナイドの前記形成が起こりにくくなる750℃から900℃の範囲の第2温度まで、1秒間から10分間の期間迅速に加熱することと、
(c)前記加熱された反応混合物を、前記チタン−アルミニウム合金を生成する状態にさらすことと、
を含み、
それにより、前記加熱された反応混合物を包囲する前記雰囲気における1種または複数種のガスにより、前記方法の間に形成されるあらゆるガス状塩化アルミニウムが希釈され、
前記前駆体混合物における前記チタン亜塩化物の量が、前記チタン−アルミニウム合金を生成するのに必要な前記化学量論量以上であることを特徴とする方法。 - 請求項5に記載の方法において、
前記方法の間に形成される前記ガス状塩化アルミニウムが、不活性ガス流に同伴されかつそれによって希釈されることを特徴とする方法。 - 請求項5または6に記載の方法において、
前記方法の間に形成される前記ガス状塩化アルミニウムが、同様に前記方法の間に形成されるガス状塩化チタンによって希釈されることを特徴とする方法。 - 請求項5乃至7のいずれか一項に記載の方法において、
前記方法の間に形成されるあらゆるガス状塩化チタンが、凝縮され前記反応混合物に戻されることを特徴とする方法。 - 請求項8に記載の方法において、
前記ガス状塩化チタンが、不活性ガス流に同伴され、前記塩化チタンの凝縮温度より低い温度である前記反応混合物の一部を通過する際に凝縮されることを特徴とする方法。 - 請求項5乃至9のいずれか一項に記載の方法において、
前記チタン亜塩化物が、1秒間から3時間の期間、アルミニウムによって還元されることにより、元素チタンを含む反応混合物を形成することを特徴とする方法。 - 請求項5乃至10のいずれか一項に記載の方法において、
ステップ(c)が、前記第2温度から最終温度まで、前記チタン−アルミニウム合金を生成するために十分な時間、前記反応混合物を加熱することを含むことを特徴とする方法。 - 請求項11に記載の方法において、
前記最終温度が900℃から1100℃の範囲であることを特徴とする方法。 - 請求項1乃至12のいずれか一項に記載の方法において、
前記チタン亜塩化物が、四塩化チタンをアルミニウムで還元することによって形成されることを特徴とする方法。 - 請求項13に記載の方法において、
前記四塩化チタンが、前記四塩化チタンおよびアルミニウムを、200℃未満の温度まで前記チタン亜塩化物を形成するのに十分な時間加熱することによって還元されることを特徴とする方法。 - 請求項13または14に記載の方法において、
前記四塩化チタンを還元するように過度のアルミニウムが提供され、未反応アルミニウムが前記チタン亜塩化物を還元することができることを特徴とする方法。 - 請求項1乃至15のいずれか一項に記載の方法において、
前記合金に組み込まれる別の1種または複数種の元素の供給源もまた、前記第1ステップで提供されることを特徴とする方法。 - 請求項16に記載の方法において、
前記1種または複数種の元素が、バナジウム、ニオブ、クロム、モリブデン、ジルコニウム、ケイ素、ホウ素、タンタル、炭素、錫、ハフニウム、イットリウム、鉄、銅、ニッケル、酸素、窒素、リチウム、ビスマス、マンガンおよびランタンからなる群から選択されることを特徴とする方法。 - 請求項1乃至17のいずれか一項に記載の方法において、
前記合金の前記アルミニウム含有量が0.1質量%から7質量%であることを特徴とする方法。 - 請求項1乃至18のいずれか一項に記載の方法において、
前記方法が、ある反応ゾーンで実施され、前記反応速度が、前記反応ゾーンにおける圧力を2気圧以下に維持することによっても制御されることを特徴とする方法。 - 請求項1乃至19のいずれか一項に記載の方法において、前記方法が、反応ゾーンを含む反応容器において前記方法を行うことを具えており、
前記反応混合物が前記方法で加熱される際に、前記反応混合物に残っている塩化チタンが昇華して低温の前記反応ゾーンの部分に向かって吹き飛ばされ、それが再凝縮し物質の新鮮な流れと混合することを特徴とする方法。
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