RU2734225C1 - Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrachloride - Google Patents
Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrachloride Download PDFInfo
- Publication number
- RU2734225C1 RU2734225C1 RU2019111799A RU2019111799A RU2734225C1 RU 2734225 C1 RU2734225 C1 RU 2734225C1 RU 2019111799 A RU2019111799 A RU 2019111799A RU 2019111799 A RU2019111799 A RU 2019111799A RU 2734225 C1 RU2734225 C1 RU 2734225C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- reaction
- ticl
- mixture
- alcl
- temperature
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B34/00—Obtaining refractory metals
- C22B34/10—Obtaining titanium, zirconium or hafnium
- C22B34/12—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
- C22B34/1263—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds, e.g. by reduction
- C22B34/1277—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds, e.g. by reduction using other metals, e.g. Al, Si, Mn
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/14—Treatment of metallic powder
- B22F1/142—Thermal or thermo-mechanical treatment
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
- B22F1/14—Treatment of metallic powder
- B22F1/145—Chemical treatment, e.g. passivation or decarburisation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
- B22F9/16—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes
- B22F9/18—Making metallic powder or suspensions thereof using chemical processes with reduction of metal compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B34/00—Obtaining refractory metals
- C22B34/10—Obtaining titanium, zirconium or hafnium
- C22B34/12—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
- C22B34/00—Obtaining refractory metals
- C22B34/10—Obtaining titanium, zirconium or hafnium
- C22B34/12—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08
- C22B34/1263—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds, e.g. by reduction
- C22B34/1268—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds, e.g. by reduction using alkali or alkaline-earth metals or amalgams
- C22B34/1272—Obtaining titanium or titanium compounds from ores or scrap by metallurgical processing; preparation of titanium compounds from other titanium compounds see C01G23/00 - C01G23/08 obtaining metallic titanium from titanium compounds, e.g. by reduction using alkali or alkaline-earth metals or amalgams reduction of titanium halides, e.g. Kroll process
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C14/00—Alloys based on titanium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
- B22F2301/05—Light metals
- B22F2301/052—Aluminium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
- B22F2301/20—Refractory metals
- B22F2301/205—Titanium, zirconium or hafnium
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2302/00—Metal Compound, non-Metallic compound or non-metal composition of the powder or its coating
- B22F2302/45—Others, including non-metals
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2998/00—Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy
- B22F2998/10—Processes characterised by the sequence of their steps
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Geology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Environmental & Geological Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
- Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
Abstract
Description
Информация о приоритетеPriority information
По данной заявке испрашивается приоритет от 21 октября 2016 по дате подачи предварительной патентной заявки США №62/411205, которая включена в данный документ посредством ссылки.This application claims priority October 21, 2016 filing date US Provisional Patent Application No. 62/411205, which is incorporated herein by reference.
Область техникиTechnology area
Настоящее изобретение относится в общем к способам получения титановых сплавов посредством восстановления тетрахлорида титана (TiCl4) в реакционных средах на основе AlCl3. Более конкретно, титановые сплавы получают посредством восстановления Ti4+ в TiCl4 до более низкой валентности титана (например, Ti3+ и Ti2+), после чего следует реакция диспропорционирования Ti2+. Возможно также образование других легирующих элементов из соли в сплав в способе восстановления и/или диспропорционирования.The present invention relates generally to processes for the preparation of titanium alloys by reduction of titanium tetrachloride (TiCl 4 ) in AlCl 3- based reaction media. More specifically, titanium alloys are prepared by reducing Ti 4+ in TiCl 4 to a lower titanium valence (eg Ti 3+ and Ti 2+ ), followed by a Ti 2+ disproportionation reaction. It is also possible for other alloying elements to form from salt to alloy in the reduction and / or disproportionation process.
Уровень техникиState of the art
Титановые сплавы, которые содержат алюминий, такие как сплавы на основе титана и алюминия (Ti-Al) и сплавы, основанные на интерметаллических соединениях титана и алюминия (Ti-Al), являются очень ценными материалами. Однако, их получение может быть трудным и дорогим, особенно в порошковой форме, и существуют определенные сплавы, недоступные с помощью традиционных способов плавки. Эта стоимость получения ограничивает широкое применение этих материалов, даже несмотря на то, что они обладают весьма желательными свойствами для применения в аэрокосмической, автомобильной и других промышленностях.Titanium alloys that contain aluminum, such as titanium-aluminum alloys (Ti-Al) and titanium-aluminum intermetallic alloys (Ti-Al), are very valuable materials. However, their preparation can be difficult and expensive, especially in powder form, and there are certain alloys that are not available with traditional smelting methods. This cost of production limits the widespread use of these materials, even though they have highly desirable properties for applications in the aerospace, automotive and other industries.
Известны реакторы и способы образования сплавов на основе титана и алюминия и интерметаллических соединений. Например, в WO 2007/109847 показывают ступенчатый способ получения сплавов на основе титана и алюминия и интерметаллических соединений посредством двухстадийного способа восстановления, основанного на восстановлении тетрахлорида титана алюминием. В WO 2009/129570 описан реактор, приспособленный для решения одной из проблем, связанных с реакторами и способами, описанными в WO 2007/109847, когда их используют при условиях, которые должны требоваться для образования сплавов на основе титана и алюминия с низким содержанием алюминия.Known reactors and methods for the formation of alloys based on titanium and aluminum and intermetallic compounds. For example, WO 2007/109847 shows a stepwise process for preparing titanium-aluminum-based alloys and intermetallic compounds by a two-step reduction process based on the reduction of titanium tetrachloride with aluminum. WO 2009/129570 describes a reactor adapted to solve one of the problems associated with the reactors and methods described in WO 2007/109847 when used under the conditions required to form titanium-aluminum-based alloys with a low aluminum content.
Однако, обсуждение химических процессов, которые в действительности происходят в способах, описанных в WO 2007/109847 и WO 2009/129570, не предоставляет полного понимания действительных реакций, происходящих при образовании металлического сплава из металлогалоидных предшественников.However, the discussion of the chemical processes that actually take place in the methods described in WO 2007/109847 and WO 2009/129570 does not provide a complete understanding of the actual reactions that take place in the formation of a metal alloy from metal halide precursors.
С учетом этих исследований существует необходимость в лучшем понимании химических процессов для получения титаноалюминиевых сплавов посредством восстановления тетрахлорида титана TiCl4, а также в улучшенных технологиях обработки для таких реакций.Given these studies, there is a need for a better understanding of the chemical processes for producing titanium-aluminum alloys through the reduction of titanium tetrachloride TiCl 4 , as well as for improved processing technologies for such reactions.
Приведенные выше ссылки на уровень техники не означают, что такой уровень техники образует часть общего знания специалиста.The above references to the prior art do not imply that such prior art forms part of the general knowledge of a person skilled in the art.
Краткое описание изобретенияBrief description of the invention
Аспекты и преимущества изобретения изложены частично в последующем описании, или они могут быть очевидны из описания, или их можно изучить посредством практического применения изобретения.Aspects and advantages of the invention will be set forth in part in the description that follows, or they may be obvious from the description, or may be learned by practice of the invention.
В общем, предоставляется способ получения титанового сплава, такого как титаноалюминиевый сплав. В одном из воплощений способ включает добавление TiCl4 к входящей смеси при температуре первой реакции, так что по меньшей мере часть Ti4+ в TiCl4 восстанавливается до Ti3+ с образованием продукта первой реакции. Входящая смесь может содержать алюминий и, возможно, AlCl3, и/или, возможно, один или более галогенид легирующего элемента. После того, как добавление TiCl4 останавливают, продукт первой реакции можно нагреть при условиях сушки для завершения восстановления Ti4+ или для удаления по существу всего любого остающегося TiCl4 с образованием первой промежуточной смеси, которая является раствором соли на основе AlCl3, который содержит Ti3+. Первую промежуточную смесь можно затем нагреть до температуры второй реакции, так что по меньшей мере часть Ti3+ восстанавливается до второй промежуточной смеси, которая является раствором соли на основе AlCl3, который содержит Ti2+. Вторую промежуточную смесь затем дополнительно нагревают до температуры третьей реакции, так что Ti2+ образует титановый сплав посредством реакции диспропорционирования.In general, a method is provided for producing a titanium alloy such as an aluminum titanium alloy. In one embodiment, the method comprises adding TiCl 4 to the feed mixture at a first reaction temperature such that at least a portion of the Ti 4+ in TiCl 4 is reduced to Ti 3+ to form the first reaction product. The incoming mixture may contain aluminum and optionally AlCl 3 and / or optionally one or more alloying element halides. After the addition of TiCl 4 is stopped, the product of the first reaction can be heated under drying conditions to complete the Ti 4+ reduction or to remove substantially all of any remaining TiCl 4 to form a first intermediate mixture, which is an AlCl 3 -based salt solution that contains Ti 3+ . The first intermediate mixture can then be heated to the second reaction temperature such that at least a portion of the Ti 3+ is reduced to a second intermediate mixture, which is an AlCl 3 -based salt solution that contains Ti 2+ . The second intermediate mixture is then further heated to the third reaction temperature so that Ti 2+ forms a titanium alloy through a disproportionation reaction.
В одном из воплощений способ получения титанового сплава может включать восстановление TiCl4 алюминием, AlCl3 и по меньшей мере одним хлоридом металла при температуре ниже 180°C с образованием первого промежуточного продукта, содержащего Ti3+, и восстановление первого промежуточного продукта при температуре ниже 900°C с образованием титаноалюминиевого сплава.In one embodiment, a method for producing a titanium alloy may include reducing TiCl 4 with aluminum, AlCl 3 and at least one metal chloride at a temperature below 180 ° C to form a first intermediate product containing Ti 3+ , and reducing the first intermediate product at a temperature below 900 ° C to form titanium-aluminum alloy.
В одном из воплощений способ получения содержащего титан материала может включать смешивание частиц Al, частиц AlCl3 и, возможно, частиц по меньшей мере одного другого хлорида легирующего элемента с образованием входящей смеси, добавление TiCl4 к входящей смеси, восстановление Ti4+ в TiCl4 в присутствии входящей смеси при температуре первой реакции (например, ниже примерно 180°C) с образованием первой промежуточной смеси, содержащей Ti3+.In one embodiment, a method for preparing a titanium-containing material may include mixing Al particles, AlCl 3 particles, and optionally at least one other alloying element chloride particles to form an input mixture, adding TiCl 4 to the input mixture, reducing Ti 4+ to TiCl 4 in the presence of the feed mixture at a first reaction temperature (eg, below about 180 ° C) to form a first intermediate mixture containing Ti 3+ .
Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут лучше понятны со ссылкой на последующее описание и приложенную формулу изобретения. На сопутствующих чертежах, которые включены в это техническое описание и составляют его часть, показаны воплощения изобретения и, вместе с описанием, они служат для объяснения принципов изобретения.These and other features, aspects and advantages of the present invention will be better understood with reference to the following description and the appended claims. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of this specification, show embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
Полное и полезное описание настоящего изобретения, включая его наилучший способ, предназначенное специалисту, изложено в техническом описании, в котором ссылаются на приложенные чертежи, на которых:A complete and useful description of the present invention, including its best method, intended for a person skilled in the art, is set forth in the technical description, which refers to the accompanying drawings, in which:
на Фиг. 1 показана диаграмма примерного способа согласно одному из воплощений настоящего изобретения,in FIG. 1 is a diagram of an exemplary method according to one embodiment of the present invention,
на Фиг. 2 показана схема одного примерного воплощения реакции стадии 1 примерного способа Фиг. 1,in FIG. 2 is a schematic diagram of one exemplary embodiment of the
на Фиг. 3 показана схема одного примерного воплощения реакций стадии 2 примерного способа и дополнительной обработки получающегося титанового сплава примерно способа Фиг. 1, иin FIG. 3 is a schematic diagram of one exemplary embodiment of the reactions of Step 2 of the exemplary method and further processing of the resulting titanium alloy of the approximate method of FIG. 1, and
на Фиг. 4 показана диаграмма устойчивости равновесия (энергия Гиббса на моль Cl2 в зависимости от абсолютной температуры) для перекрывания систем Ti-Cl и Al-Cl для того, чтобы показать восстановительный потенциал металлического Al. Учитывают только чистые элементы (Ti, Al and Cl2) и чистые соединения солей (TiCl4, TiCl3, TiCl2 и AlCl3), потому что отсутствуют установленные термодинамические данные для фаз солевых растворов (TiCl4(AlCl3)x, TiCl3(AlCl3)x, TiCl2(AlCl3)x).in FIG. 4 shows an equilibrium stability diagram (Gibbs energy per mole Cl 2 versus absolute temperature) for the Ti — Cl and Al — Cl systems overlap in order to show the reduction potential of Al metal. Only pure elements (Ti, Al and Cl 2 ) and pure compounds of salts (TiCl 4 , TiCl 3 , TiCl 2 and AlCl 3 ) are taken into account, because there are no established thermodynamic data for the phases of saline solutions (TiCl 4 (AlCl 3 ) x , TiCl 3 (AlCl 3 ) x , TiCl 2 (AlCl 3 ) x ).
Повторное использование номеров позиций в данном техническом описании и на чертежах предназначено для представления одинаковых или аналогичных признаков или элементов настоящего изобретения.The reuse of reference numbers in this technical description and in the drawings is intended to represent the same or similar features or elements of the present invention.
Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention
Теперь подробно разобраны воплощения изобретения, один или более примеров которых показаны на чертежах. Каждый пример предоставлен в целях объяснения изобретения, а не ограничения изобретения. Фактически, специалистам понятно, что в настоящем изобретении можно выполнить различные модификации и изменения, не отклоняясь от объема или сущности изобретения. Например, признаки, показанные или описанные как часть одного воплощения можно использовать с другим воплощением с получением еще одного дополнительного воплощения. Таким образом, это подразумевает, что настоящее изобретение покрывает такие модификации и изменения, которые попадают в область защиты приложенной формулы изобретения и ее эквивалентов.Now, embodiments of the invention are explained in detail, one or more examples of which are shown in the drawings. Each example is provided for the purpose of explaining the invention and not limiting the invention. In fact, those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the scope or spirit of the invention. For example, features shown or described as part of one embodiment may be used with another embodiment to provide yet another additional embodiment. Thus, it is intended that the present invention covers such modifications and variations that fall within the scope of the appended claims and their equivalents.
Используемые в данном документе термины «первый», «второй» и «третий» можно использовать взаимозаменяемо для того, чтобы отличать один компонент от другого, и они не предназначены для обозначения положения или важности отдельных компонентов.As used herein, the terms "first", "second" and "third" can be used interchangeably to distinguish one component from another, and are not intended to denote the position or importance of individual components.
Химические элементы обсуждают в настоящем изобретении, используя их обычные химические сокращенные обозначения, такие как обычно можно найти в Периодической таблице элементов. Например, водород представлен своим обычным химическим сокращенным обозначением Н, гелий представлен своим обычным химическим сокращенным обозначением Не и т.д.Chemical elements are discussed in the present invention using their usual chemical abbreviations, such as can usually be found in the Periodic Table of the Elements. For example, hydrogen is represented by its usual chemical abbreviation H, helium is represented by its usual chemical abbreviation He, etc.
Используемый в данном документе термин «титановый сплава» или подобный термин необходимо понимать как охватывающий любой сплав на основе титана или любой сплав на основе титанового интерметаллического соединения и, возможно, других дополнительных легирующих элементов, помимо Ti и Al. Аналогично, термин «сплав титана и алюминия» или подобный термин необходимо понимать как охватывающий сплав на основе титана и алюминия или сплав на основе интерметаллических соединений титана и алюминия и, возможно, других дополнительных легирующих элементов, помимо Ti и Al.As used herein, the term "titanium alloy" or a similar term should be understood to encompass any titanium-based alloy or any titanium intermetallic compound-based alloy, and possibly other additional alloying elements besides Ti and Al. Likewise, the term "titanium-aluminum alloy" or a similar term should be understood to encompass a titanium-aluminum-based alloy or an alloy based on titanium-aluminum intermetallic compounds and possibly other additional alloying elements besides Ti and Al.
Используемый в данном документе термин «хлориды алюминия» необходимо понимать как относящийся к соединениям хлоридов алюминия или смеси таких соединений хлоридов алюминия, включая AlCl3 (твердый, жидкий или в паровой фазе) или любым другим соединениям или ионным соединениям Al - Cl (например, AlCl, AlCl2, (AlCl4)-, Al2Cl6 and (Al2Cl7)-). Использование AlClx относится к термину «хлориды алюминия», и его необходимо понимать как выражение, относящееся к таким соединениям хлоридов алюминия или смеси таких соединений хлоридов алюминия, независимо от стехиометрического отношения.As used herein, the term "aluminum chlorides" should be understood to refer to compounds of aluminum chlorides or mixtures of such compounds of aluminum chlorides, including AlCl 3 (solid, liquid or vapor phase) or any other compounds or ionic compounds of Al - Cl (for example, AlCl , AlCl 2 , (AlCl 4 ) - , Al 2 Cl 6 and (Al 2 Cl 7 ) - ). The use of AlCl x refers to the term "aluminum chlorides" and is to be understood as an expression referring to such aluminum chloride compounds or mixtures of such aluminum chloride compounds, regardless of the stoichiometric ratio.
Используемый в данном документе термин «хлорид титана» необходимо понимать как относящийся к трихлориду титана (TiCl3) и/или дихлориду титана (TiCl2) или другим сочетаниям титана и хлора, но не к TiCl4, который в данном документе называют тетрахлоридом титана. В некоторых разделах технического описания может быть использован более общий термин «TiClx», который необходимо понимать как относящийся к соединениям хлорида титана и охватывающий тетрахлорид титана (TiCl4), трихлорид титана (TiCl3), дихлорид титана (TiCl2) и/или другие сочетаниям титана и хлора в твердой, жидкой или паровой формах. Так как также существуют различные фазы раствора и комплексы хлорида титана, в данном документе называют конкретную степень окисления иона Ti (например, Ti2+, Ti3+ и Ti4+) в общей фазе (то есть смеси солей), а не конкретные химические соединения.As used herein, the term "titanium chloride" should be understood to refer to titanium trichloride (TiCl 3 ) and / or titanium dichloride (TiCl 2 ) or other combinations of titanium and chlorine, but not TiCl 4 , which is referred to herein as titanium tetrachloride. In some sections of the technical description, the more general term "TiCl x " may be used, which is to be understood as referring to titanium chloride compounds and encompassing titanium tetrachloride (TiCl 4 ), titanium trichloride (TiCl 3 ), titanium dichloride (TiCl 2 ) and / or other combinations of titanium and chlorine in solid, liquid or vapor forms. Since there are also different solution phases and titanium chloride complexes, this document refers to the specific oxidation state of the Ti ion (for example, Ti 2+ , Ti 3+ and Ti 4+ ) in the general phase (that is, a mixture of salts), and not specific chemical connections.
Используемый в данном документе термин «галогенид легирующего элемента» относится к иону легирующего элемента, соединенного с галогенидом (например, хлоридом, фторидом, бромидом, иодидом или астатидом). Легирующий элемент может быть любым элементом, который должен быть включен в конечный титановый сплав, таким как металлы или другие элементы. «Галогенид легирующего элемента» можно представить как MXx, где М является ионом легирующего элемента и X является галогенидом (то есть ионом галогена), независимо от стехиометрического отношения (представленного как х). Например, хлорид легирующего элемента можно представить как MClx.As used herein, the term "dopant halide" refers to an ion of a dopant attached to a halide (eg, chloride, fluoride, bromide, iodide, or astatide). The alloying element can be any element that must be included in the final titanium alloy, such as metals or other elements. A "dopant halide" can be represented as MX x , where M is a dopant ion and X is a halide (ie, a halogen ion), regardless of the stoichiometric ratio (represented as x). For example, dopant chloride can be represented as MCl x .
В общем, раскрыты способы получения титановых сплавов (например, титаноалюминиевых сплавов) посредством восстановления TiCl4, который содержит ион титана (Ti4+). Более конкретно, титановые сплавы образуют посредством восстановления Ti4+ в TiCl4 до более низкой валентности титана (например, Ti3+ и Ti2+), после чего следует реакция диспропорционирования Ti2+ с образованием титанового сплава. Следует отметить, что валентность титана (например, Ti4+, Ti3+ и/или Ti2+) может присутствовать в реакции и/или промежуточных материалах в виде комплекса с другими соединениями в смеси (например, хлором, другими элементами и/или другими соединениями, такими как хлороалюминаты, металлгалоалюминаты и т.п.) и необязательно может присутствовать в чистой форме TiCl4, TiCl3 и TiCl2, соответственно. Например, металлогалоидные алюминаты могут быть образованы в виде комплекса MXx с AlCl3 в этих промежуточных соединениях, таких как описаны ниже. В общем, AlCl3 обеспечивает реакционные среды, представляющие собой реакционноспособные соединения (например, Ti4+, Ti3+, Ti2+, Al, Al+, Al2+, Al3+, также другие ионы легирующих элементов) для всех реакций. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что присутствие солевых растворов на стадии 1 и стадии 2 реакций обеспечивает восстановление Ti4+ до Ti3+ и восстановление Ti3+ до Ti2+, происходящее в конденсированном состоянии (например, твердом и жидком), например, при температуре примерно 700°C или менее (например, примерно 300°C или менее).In general, methods are disclosed for preparing titanium alloys (eg titanium aluminum alloys) by reducing TiCl 4 , which contains a titanium ion (Ti 4+ ). More specifically, titanium alloys are formed by reducing Ti 4+ in TiCl 4 to a lower titanium valence (eg, Ti 3+ and Ti 2+ ), followed by a Ti 2+ disproportionation reaction to form the titanium alloy. It should be noted that the valence of titanium (for example, Ti 4+ , Ti 3+ and / or Ti 2+ ) can be present in the reaction and / or intermediate materials as a complex with other compounds in the mixture (for example, chlorine, other elements and / or other compounds such as chloroaluminates, metalhaloaluminates, etc.) and optionally may be present in pure form TiCl 4 , TiCl 3 and TiCl 2 , respectively. For example, metal halide aluminates can be complexed MX x with AlCl 3 in these intermediates, such as those described below. In general, AlCl 3 provides reaction media that are reactive compounds (eg Ti 4+ , Ti 3+ , Ti 2+ , Al, Al + , Al 2+ , Al 3+ , also other alloying ions) for all reactions ... Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that the presence of saline solutions in
На Фиг. 1 показана общая блок-схема одного примерного способа 100, в котором восстанавливают TiCl4 до титанового сплава. Способ 100 в общем показан в последовательных стадиях: предшественники 101 реакции (включая образование входящей смеси 102), реакция 104 стадии 1, реакции 106 стадии 2 и последующая обработка 108.FIG. 1 shows a general flow diagram of one
1. Предшественники реакции1. Precursors of the reaction
Предшественники реакции для реакции 104 стадии 1 в способе 100 Фиг. 1 включают, как минимум, TiCl4 и входящую смесь, которая содержит алюминий (Al), либо сам по себе, либо с дополнительными хлоридными компонентами. В одном из воплощений предшественники реакции включают входящую смесь в виде твердого материала при условиях окружающей среды (например, примерно 25°C и 100 кПа (1 атм.)) и TiCl4 в жидкой форме. На различных стадиях способа 100 в предшественники реакции можно включить дополнительные материалы (например, AlCl3 и/или другие галогениды легирующих элементов), такие как включены во входящую смесь, с TiCl4, и/или в виде отдельной загрузки, входящей в реакции стадии 1 и/или стадии 2. То есть, один или более хлорид легирующего элемента можно при необходимости ввести в материалы реакции стадии 1 (например, во входящую смесь, если они твердые, в TiCl4, если они жидкие или растворимые твердые материалы, и/или непосредственно независимо в сосуд реакции стадии 1), растворенные в другом компоненте входящих материалов, и/или их можно при необходимости ввести в материалы реакции стадии 2. В некоторых воплощениях, в особенности, когда галогенид легирующего элемента добавляют в жидкий TiCl4 (например, растворимый в нем), жидкий TiCl4 можно фильтровать, чтобы удалить любые частицы в жидком потоке. Такой фильтр может, в конкретных воплощениях, очищать жидкий поток путем удаления кислородных соединений из жидкости, так как растворимость кислорода и окисленные вещества чрезвычайно малы. Собственно, фильтрация жидкого TiCl4 (с растворенным или без растворенного в нем любого галогенида легирующего элемента) может настроить химический состав жидкости и удалить из него кислородные вещества.The reaction precursors for the
Например, предшественники реакции могут включать некоторые или все элементы сплава для достижения требуемого химического состава титанового сплава. В одном из воплощений галогенид легирующего элемента (MXx) может быть хлоридом легирующего элемента (MClx). Особенно подходящие легирующие элементы (М) включают, но не ограничены перечисленным, ванадий, хром, ниобий, железо, иттрий, бор, марганец, молибден, олово, цирконий, кремний, углерод, никель, медь, вольфрам, бериллий, цинк, германий, литий, магний, скандий, свинец, галлий, эрбий, церий, тантал, осмий, рений, сурьму, уран, иридий и их сочетания.For example, reaction precursors can include some or all of the alloy elements to achieve the desired titanium alloy chemistry. In one embodiment, the dopant halide (MX x ) may be dopant chloride (MCl x ). Particularly suitable alloying elements (M) include, but are not limited to, vanadium, chromium, niobium, iron, yttrium, boron, manganese, molybdenum, tin, zirconium, silicon, carbon, nickel, copper, tungsten, beryllium, zinc, germanium, lithium, magnesium, scandium, lead, gallium, erbium, cerium, tantalum, osmium, rhenium, antimony, uranium, iridium and combinations thereof.
Как показано на Фиг. 1 номером 102, входящую смесь образуют из алюминия (Al), возможно хлорида алюминия (например, AlCl3), и возможно одного или более хлорида легирующего элемента. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что AlCl3 полезен в качестве компонента входящей смеси, но он необязательно требуется, если присутствует хлорид легирующего элемента, который растворим в TiCl4 или смешивается с ним при условиях реакции стадии 1 с образованием in situ AlClx из хлорида легирующего элемента и алюминия. В одном из воплощений AlCl3 включен в качестве материала во входящую смесь. Однако, в другом воплощении входящая смесь может по существу не содержать AlCl3. Используемый здесь термин «по существу не содержит» означает присутствие не более чем незначительного следового количества и включает «полностью не содержит» (например, «по существу не содержит» может составлять от 0 атомн. % до 0,2 атомн. %). Если AlCl3 не присутствует во входящей смеси, тогда присутствуют Al и другие хлориды металлов, и их используют для образования AlCl3, так что реакция стадии 1 может продолжаться.As shown in FIG. 1
Если он находится в твердом состоянии при условиях окружающей среды, один или более хлоридов легирующих элементов (MClx) можно при необходимости включить во входящую смесь для образования входящей смеси. Особенно подходящие хлориды легирующего элемента в твердом состоянии, включаемые с алюминием и, возможно, AlCl3, включают, но не ограничены перечисленным, VCl3, CrCl2, CrCl3, NbCl5, FeCl2, FeCl3, YCl3, BCl3, MnCl2, MoCl3, MoCl5, SnCl2, ZrCl4, NiCl2, CuCl, CuCl2, WCl4, WCl6, BeCl2, ZnCl2, LiCl, MgCl2, ScCl3, PbCl2, Ga2Cl4, GaCl3, ErCl3, CeCl3 и их смеси. Один или более из этих хлоридов легирующих элементов также можно включить на других стадиях способа, включая, но не ограничиваясь перечисленным, тетрахлорид титана и/или после стадии 1.If it is solid under ambient conditions, one or more dopant chlorides (MCl x ) may optionally be included in the feed to form the feed. Particularly suitable alloying element chlorides in the solid state, included with aluminum and optionally AlCl 3 , include, but are not limited to, VCl 3 , CrCl 2 , CrCl 3 , NbCl 5 , FeCl 2 , FeCl 3 , YCl 3 , BCl 3 , MnCl 2 , MoCl 3 , MoCl 5 , SnCl 2 , ZrCl 4 , NiCl 2 , CuCl, CuCl 2 , WCl 4 , WCl 6 , BeCl 2 , ZnCl 2 , LiCl, MgCl 2 , ScCl 3 , PbCl 2 , Ga 2 Cl 4 , GaCl 3 , ErCl 3 , CeCl 3 and mixtures thereof. One or more of these alloying element chlorides may also be included in other process steps including, but not limited to titanium tetrachloride and / or after
В одном из воплощений входящая смесь находится в форме частиц (то есть, в порошковой форме). Например, входящую смесь образуют путем помола смеси алюминия (Al), возможно хлорида алюминия (например, AlCl3) и возможно одного или более галогенид легирующего элемента (например, хлорид легирующего элемента). Материал входящей смеси можно объединить в виде твердых материалов и смолоть вместе с образованием частиц, имеющих смешанный состав. В одном из воплощений смесь частиц алюминия, возможно частиц хлорида алюминия, и возможно частиц одного или более хлорид легирующего элемента смешивают и вместе изменяют их размеры (например, мелют) с образованием множества частиц входящей смеси. Например, частицы алюминия могут быть частицами алюминия, которые имеют сердцевину из чистого алюминия со слоем оксида алюминия, образованном на поверхности частиц. Альтернативно, частицы алюминия могут содержать алюминиевую сердцевину и по меньшей мере один другой легирующий элемент или лигатуру из алюминия и легирующего элемента. Частицы алюминия могут иметь подходящую морфологию, включая подобную хлопьям форму, по существу сферическую форму и т.п.In one embodiment, the feed mixture is in particulate form (ie, in powder form). For example, the incoming mixture is formed by grinding a mixture of aluminum (Al), optionally aluminum chloride (eg AlCl 3 ) and optionally one or more dopant halides (eg dopant chloride). The material of the feed mixture can be combined as solid materials and ground together to form particles having a mixed composition. In one embodiment, a mixture of aluminum particles, optionally aluminum chloride particles, and optionally one or more chloride alloying element particles are mixed and together resized (eg, milled) to form a plurality of inlet mixture particles. For example, the aluminum particles can be aluminum particles that have a pure aluminum core with an alumina layer formed on the surface of the particles. Alternatively, the aluminum particles may comprise an aluminum core and at least one other alloying element or alloy of aluminum and alloying element. The aluminum particles can have a suitable morphology, including a flake-like shape, a substantially spherical shape, and the like.
Так как в частицах алюминия в общем образуется слой оксида алюминия на поверхности частиц, процесс помола выполняют в атмосфере, которая по существу не содержит кислорода для подавления образования любых дополнительных оксидов алюминия во входящей смеси. Например, способ помола можно выполнять в инертной атмосфере, такой как аргоновая атмосфера при давлении от примерно 93,3 кПа до примерно 506,5 кПа (от примерно 700 Торр до примерно 3800 Торр). Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что при реакции между AlCl3 и поверхностным Al2O3 в течение измельчения Al(тв) AlCl3 превращает Al2O3 в AlOCl (например, посредством Al2O3+AlCl3 → 3AlOCl). Поверхностный слой Al2O3 защищает лежащий под ним Al(тв), и в таком случае превращение этого поверхностного слоя Al2O3 в AlOCl в течение помола позволяет Al растворяться и диффундировать в соль в виде Al+ от Al2+. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что парциальное давление кислорода ниже требуемого для стабилизации Al2O3 (то есть, в инертной атмосфере) позволяет в этих реакциях превращать Al2O3, который в других случаях очень устойчив в кислороде. Собственно, получающиеся частицы являются «активированным» Al порошком.Since the aluminum particles generally form a layer of alumina on the surface of the particles, the milling process is performed in an atmosphere that is substantially oxygen free to suppress the formation of any additional alumina in the feed mixture. For example, the milling process can be performed under an inert atmosphere, such as an argon atmosphere, at a pressure of about 93.3 kPa to about 506.5 kPa (about 700 Torr to about 3800 Torr). Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that in the reaction between AlCl 3 and surface Al 2 O 3 during grinding Al (s), AlCl 3 converts Al 2 O 3 to AlOCl (for example, via Al 2 O 3 + AlCl 3 → 3AlOCl). The surface layer of Al 2 O 3 protects the underlying Al (s), and then the transformation of this surface layer of Al 2 O 3 to AlOCl during grinding allows Al to dissolve and diffuse into the salt in the form of Al + from Al 2+ . Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that a partial pressure of oxygen below that required to stabilize Al 2 O 3 (that is, in an inert atmosphere) allows these reactions to convert Al 2 O 3 , which in other cases is very stable to oxygen. Actually, the resulting particles are "activated" Al powder.
Кроме того, уменьшение размера частиц позволяет увеличивать площадь поверхности для расширения доступности площади поверхности алюминия в последующих реакциях восстановления. Частицы могут иметь любую подходящую морфологию, включая подобную хлопьям форму, по существу сферическую форму и т.п. В конкретных воплощениях частицы входящей смеси имеют минимальный размер частиц в среднем от примерно 0,5 мкм до примерно 25 мкм (например, от примерно 1 мкм до примерно 20 мкм), который вычислен путем усреднения минимального размера частиц. Например, в одном из воплощений хлопьевидная частица может представлять собой плоскую частицу, имеющую размеры в плоскости х - у и толщину в z-направлении с минимальным размером в среднем от примерно 0,5 мкм до примерно 25 мкм (например, от примерно 1 мкм до примерно 20 мкм), при этом в х- и у-направлениях размеры имеют большие средние размеры. В одном из воплощений помол выполняют при температуре измельчения примерно 40°C или менее для подавления агломерации частиц Al.In addition, the reduction in particle size allows an increase in surface area to increase the availability of aluminum surface area in subsequent reduction reactions. The particles can have any suitable morphology, including flake-like, substantially spherical, and the like. In specific embodiments, the particles of the feed mixture have a minimum particle size of from about 0.5 microns to about 25 microns on average (eg, from about 1 micron to about 20 microns), which is calculated by averaging the minimum particle size. For example, in one embodiment, the flake particle can be a planar particle having dimensions in the x-y plane and thickness in the z-direction with a minimum average size of about 0.5 microns to about 25 microns (e.g., from about 1 microns to about 20 μm), while the dimensions in the x- and y-directions have large average dimensions. In one embodiment, milling is performed at a milling temperature of about 40 ° C or less to suppress agglomeration of Al particles.
Помол можно осуществить, используя способ высокой интенсивности или способ низкой интенсивности для получения частиц входящей смеси, например, используя способы помола в шаровой мельнице, способы дробления или другие способы уменьшения размера.Milling can be carried out using a high intensity method or a low intensity method to obtain particles of the incoming mixture, for example, using ball milling methods, crushing methods, or other size reduction methods.
2. Реакция стадии 1 (восстановление Ti4+ до Ti3+)2. Reaction of stage 1 (reduction of Ti 4+ to Ti 3+ )
Как указано, предшественники реакции включают, как минимум, TiCl4 в жидкой или паровой форме и входящую смесь в порошковой форме, которая содержит алюминий (Al) и может содержать дополнительные материалы (например, AlCl3 и/или другие хлориды легирующих элементов). TiCl4 может быть чистой жидкостью TiCl4 или жидкостью, смешанной с другими легирующими хлоридами. В некоторых воплощениях смеси TiCl4 и других легирующих хлоридов можно нагреть для того, чтобы обеспечить получение раствора ненасыщенным, что могло бы привести к осаждению компонентов из раствора. Пример смешанных жидких предшественников включает смесь TiCl4 и VCl4 для образования содержащего ванадий титанового сплава. Различные хлориды металлов (то есть, AlCl3, VCl4, VCl3, MClx, и т.п.) можно растворить в TiCl4(l), что можно представить как (TiCl4)x(AlCl3)у(MClx)z, где М является любым подходящим металлом, обсуждавшимся в данном документе, и х, у и z являются мольными долями конкретных компонентов солевого раствора. Такой солевой раствор можно в общем определить в краткой форме как [Ti4+:соль], где скобки [] представляют материал в виде фазы раствора, содержащей Ti4+ в качестве основного вещества растворителя, и «соли», представляющей все второстепенные соединения или легирующие элементы.As indicated, the reaction precursors include at least TiCl 4 in liquid or vapor form and a feed mixture in powder form that contains aluminum (Al) and may contain additional materials (eg AlCl 3 and / or other doping chlorides). TiCl 4 can be a pure TiCl 4 liquid or a liquid mixed with other alloying chlorides. In some embodiments, mixtures of TiCl 4 and other dopant chlorides may be heated to ensure that the solution is unsaturated, which would precipitate the components from solution. An example of mixed liquid precursors includes a mixture of TiCl 4 and VCl 4 to form a vanadium-containing titanium alloy. Various metal chlorides (i.e., AlCl 3 , VCl 4 , VCl 3 , MCl x , etc.) can be dissolved in TiCl 4 (l), which can be represented as (TiCl 4 ) x (AlCl 3 ) y (MCl x ) z , where M is any suitable metal discussed herein, and x, y and z are mole fractions of particular components of the brine. Such a saline solution can be generally defined in short form as [Ti 4+ : salt], where the brackets [] represent the material as a solution phase containing Ti 4+ as the main solvent material and a "salt" representing all minor compounds, or alloying elements.
Эти предшественники реакции добавляют вместе для восстановления Ti4+ до Ti3+ в реакции 104 стадии 1. Для реакции стадии 1 предшественники реакции нагревают до температуры первой реакции, которая является достаточной высокой, чтобы вызвать химическое восстановление, но достаточно низкой для подавления образования жидкого TiCl4. Например, реакцию стадии 1 можно выполнять с предшественниками реакции, нагретыми до температуры первой реакции, которая составляет примерно 180°C или менее (например, от примерно 100°C до примерно 165°C, такой как от примерно 140°C до примерно 160°C). В одном из воплощений входящую смесь нагревают до температуры первой реакции до добавления TiCl4 во входящую смесь. Альтернативно или дополнительно, TiCl4 можно добавлять во входящую смесь одновременно с нагревом входящей смеси до температуры первой реакции.These reaction precursors are added together to reduce Ti 4+ to Ti 3+ in the
Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что алюминий (например, в форме металлического алюминия или соли алюминия, такой как AlCl3 и/или AlClx), присутствующий во входящей смеси, восстанавливает Ti4+ в TiCl4 до Ti3+ путем алюминотермического способа при температуре первой реакции, в котором AlCl3 служит в качестве реакционной среды в форме солевого раствора AlCl3. Кроме того, полагают, что Ti4+ и Al растворяются в AlCl3 и в TiCl3(AlCl3)x, образованном из продуктов реакции входящей смеси, так что Ti4+ и Al могут реагировать. Также полагают, что Al растворяется в соли в виде Al+ или Al2+ и эти соединения Al диффундируют в Ti4+ и реагируют с образованием нового продукта реакции TiCl3(AlCl3)x. Наконец, полагают, что Al(тв) растворяется в солевом растворе через поверхностный слой AlCl3 или AlOCl на Al(тв). Например, не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что Ti4+ в TiCl4 восстанавливается до Ti3+ в форме комплекса TiCl3, с хлоридом(ами) металла, такого как TiCl3(AlCl3)x с х больше 0, например от больше 0 до 10 (например, х от 1 до 5), который либо является непрерывным твердым раствором TiCl3 и AlCl3, либо двумя растворами богатого TiCl3 TiCl3(AlCl3)x и богатого AlCl3 AlCl3(TiCl3)x, где оба раствора имеют одинаковые кристаллические структуры. Таким образом, полагают, что по существу все образованные соединения Ti3+ находятся в форме таких комплексов хлорида металла, вместо чистого TiCl3.Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that aluminum (for example, in the form of metallic aluminum or an aluminum salt such as AlCl 3 and / or AlCl x ) present in the incoming mixture reduces Ti 4+ in TiCl 4 to Ti 3+ by the aluminothermal process at the temperature of the first reaction, in which AlCl 3 serves as the reaction medium in the form of an AlCl 3 saline solution. In addition, it is believed that Ti 4+ and Al dissolve in AlCl 3 and in TiCl 3 (AlCl 3 ) x formed from the reaction products of the input mixture, so that Ti 4+ and Al can react. It is also believed that Al dissolves in the salt as Al + or Al 2+ and these Al compounds diffuse into Ti 4+ and react to form the new reaction product TiCl 3 (AlCl 3 ) x . Finally, it is believed that Al (s) dissolves in the brine through the surface layer of AlCl 3 or AlOCl on Al (s). For example, without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that Ti 4+ in TiCl 4 is reduced to Ti 3+ in the form of a TiCl 3 complex, with a metal chloride (s) such as TiCl 3 (AlCl 3 ) x with x is greater than 0, for example, from greater than 0 to 10 (for example, x is from 1 to 5), which is either a continuous solid solution of TiCl 3 and AlCl 3 , or two solutions of TiCl 3 rich TiCl 3 (AlCl 3 ) x and AlCl 3 rich AlCl 3 (TiCl 3 ) x , where both solutions have the same crystal structures. Thus, it is believed that substantially all of the Ti 3+ compounds formed are in the form of such metal chloride complexes, instead of pure TiCl 3 .
Собственно, получающийся продукт реакции представляет собой солевой раствор на основе AlCl3, который содержит соединения Ti3+. Аналогично обсуждавшемуся выше [Ti4+:соль], различные хлориды металлов (то есть, AlCl3, VCl4, VCl3, MClx и т.п.) растворяются в TiCl3 (твердом или жидком), что можно представить с помощью (TiCl3)x(AlCl3)у(MClx)z, где М является любым подходящим металлом и х, у и z представляют мольные доли солевого раствора. TiCl3(AlCl3)x является разновидностью большей фазы раствора, даже если все хлориды легирующих элементов, MClx, растворяются в этой фазе раствора. Кроме того, Ti4+ также растворяются в этой фазе раствора, которую можно описать как богатую Cl сторону фазового поля. По мере того, как TiCl4 добавляют в реакционную смесь, в некотором месте может быть больше TiCl4/TiCl3 чем AlCl3, что делает соль богатой TiCl3. Такой солевой раствор можно в краткой форме определить как [Ti3+:соль], со скобками [], представляющими материал в виде фазы раствора, содержащей Ti3+ в качестве основного соединения раствора, и «соли» представляющей все второстепенные соединения или легирующие элементы.Actually, the resulting reaction product is a saline solution based on AlCl 3 , which contains Ti 3+ compounds. Similarly to [Ti 4+ : salt] discussed above, various metal chlorides (ie, AlCl 3 , VCl 4 , VCl 3 , MCl x , etc.) dissolve in TiCl 3 (solid or liquid), which can be represented by (TiCl 3 ) x (AlCl 3 ) y (MCl x ) z where M is any suitable metal and x, y and z represent the mole fractions of the brine. TiCl 3 (AlCl 3 ) x is a variation of the larger solution phase, even if all the chlorides of the alloying elements, MCl x , are dissolved in this solution phase. In addition, Ti 4+ also dissolves in this solution phase, which can be described as the Cl-rich side of the phase field. As TiCl 4 is added to the reaction mixture, there may be more TiCl 4 / TiCl 3 than AlCl 3 at some point, making the salt rich in TiCl 3 . Such a saline solution can be briefly defined as [Ti 3+ : salt], with brackets [] representing the material as a solution phase containing Ti 3+ as the main compound of the solution, and "salt" representing all minor compounds or alloying elements ...
Эту реакцию можно выполнять по мере того, как TiCl4 добавляют регулируемым образом во входящую смесь при температуре первой реакции. Например, TiCl4 можно добавлять непрерывно или полунепрерывно. В одном воплощении избыток Al включают в реакцию для обеспечения по существу полного восстановления Ti4+ до Ti3+ и для последующих восстановлений. Как таковой TiCl4 можно добавлять для получения требуемого отношения Ti/Al с получением требуемой солевой композиции.This reaction can be carried out as TiCl 4 is added in a controlled manner to the feed mixture at the temperature of the first reaction. For example, TiCl 4 can be added continuously or semi-continuously. In one embodiment, excess Al is included in the reaction to allow substantially complete reduction of Ti 4+ to Ti 3+ and for subsequent reductions. As such, TiCl 4 can be added to obtain the desired Ti / Al ratio to obtain the desired salt composition.
В течение реакции входная смесь может оставаться по существу твердой при условиях первой реакции (например, температуре первой реакции и давлении первой реакции). В конкретных воплощениях реакцию стадии 1 выполняют в скребковом реакторе (plow reactor), ленточном смесителе или другом реакторе для жидкости/твердого вещества/пара. Например, реакцию восстановления Ti4+ можно выполнять в устройстве для дефлегмации потока в течение фазы реакции и/или для дистилляции после фазы реакции любого непрореагировавшего пара TiCl4 для продолжающегося восстановления и/или для предотвращения потери TiCl4(г) в течение реакции.During the reaction, the feed mixture may remain substantially solid under the conditions of the first reaction (eg, the temperature of the first reaction and the pressure of the first reaction). In specific embodiments, the
Реакцию стадии 1 можно выполнять в инертной атмосфере (например, содержащей аргон). Собственно, в течение реакции восстановления можно избежать поглощения кислорода (O2), водяного пара (H2O), азота (N2), оксидов углерода (например, СО, CO2 и т.п.) и/или углеводородов (например, СН4 и т.п.) алюминием и/или другими соединениями. В конкретных воплощениях инертная атмосфера имеет давление от 100 кПа (1 атм.) (например, примерно 760 Торр) до 500 кПа (5 атм.) (например, примерно 3800 Торр), например, от примерно 100 кПа (760 Торр) до примерно 200 кПа (1500 Торр). Хотя в некоторых воплощениях можно использовать давления менее примерно 100 кПа (760 Торр), это нежелательно в большинстве воплощений из-за возможного поступления кислорода, воды, оксида углерода и/или азота при таких низких давлениях. Например, инертная атмосфера имеет давление от 92 кПа (0,92 атм.) (например, примерно 700 Торр) до примерно 500 кПа (5 атм.) (например, примерно 3800 Торр), такое как от примерно 0,92 кПа до примерно 200 кПа (от примерно 700 Торр до примерно 1500 Торр).The reaction of
После реакции стадии 1 восстановления Ti4+ до Ti3+ продукт первой реакции можно высушить при условиях сушки для удаления по существу всего любого остающегося непрореагировавшего TiCl4 (в силу кинетических ограничений) с образованием промежуточной смеси. Например, продукт первой реакции можно высушить путем нагрева и/или в вакуумных условиях. В одном из воплощений любой захваченный TiCl4 удаляют из продукта первой реакции путем нагрева до температуры, которая выше температуры кипения TiCl4 (например, примерно 136°C), но ниже температуры, при которой Ti3+ дополнительно восстанавливается (например, выше примерно 180°C), такой как температура сушки от примерно 160°C до примерно 180°C (например, от примерно 160°C до примерно 170°C).After the reaction of
Однако, следует отметить, что Al способен восстанавливать Ti4+ до Ti3+ и Ti3+ до Ti2+ при всех температурах, включая температуры ниже 20°C. Определенные выше температуры обусловлены кинетическими ограничениями и/или переносом в твердом состоянии в продуктах реакции. Также, не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что восстановление Ti3+ до Ti2+ не может происходить, когда Ti4+ присутствует в продуктах реакции стадии 1 из-за правила фаз Гиббса и фазовых равновесий системы Ti-Al-Cl-O. То есть, окисление Al может приводить в действие обе стадии реакции при одинаковой температуре, однако аспект последовательности этих реакций обусловлен настоящим убеждением, что Ti4+ до Ti2+ не могут существовать одновременно в одинаковом положении изолированной системы. Таким образом, реакции выполняют последовательно, так что по существу весь Ti4+ восстанавливается до Ti3+ до образования Ti2+ в системе. Таким образом, способ восстановления выполняют с помощью описанных в настоящий момент способов последовательным образом.However, it should be noted that Al is capable of reducing Ti 4+ to Ti 3+ and Ti 3+ to Ti 2+ at all temperatures, including temperatures below 20 ° C. The temperatures defined above are due to kinetic constraints and / or solid transfer in the reaction products. Also, not wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that the reduction of Ti 3+ to Ti 2+ cannot occur when Ti 4+ is present in the reaction products of
После сушки первой реакционной смеси и перед нагревом промежуточной смеси до температуры второй реакции для реакции стадии 2, описанной ниже, промежуточную смесь, содержащую [Ti3+:соль] можно хранить, например, в инертной атмосфере до дополнительной реакции. В одном из воплощений промежуточную смесь, содержащую комплексы Ti3+, можно охладить для хранения до температуры ниже примерно 100°C, такой как ниже примерно 50°C или ниже примерно 25°C.After drying the first reaction mixture and before heating the intermediate mixture to the second reaction temperature for the reaction of step 2 described below, the intermediate mixture containing [Ti 3+ : salt] can be stored, for example, in an inert atmosphere until further reaction. In one embodiment, the intermediate mixture containing the Ti 3+ complexes can be cooled for storage to a temperature below about 100 ° C, such as below about 50 ° C or below about 25 ° C.
Что касается Фиг. 2, она представляет собой технологическую схему 200 одного примерного воплощения предшественников 101 реакции (включая образование входящей смеси 102) и реакции 104 стадии 1 примерного способа 100 Фиг. 1. В показанном воплощении первый бак 202 для хранения жидкости и возможный второй бак 204 для хранения жидкости находится в гидравлическом соединении со смесителем 206 жидкости, так чтобы подавать жидкие предшественники реакции в него через подающий трубопровод 208. В общем, первый бак 202 для хранения жидкости содержит жидкость 201 TiCl4 в виде чистого жидкого TiCl4 или жидкости, смешанной с другими хлоридами легирующих элементов. Клапан 210 и насос 212 регулируют поток жидкости 201 из бака 202 для хранения жидкости в смеситель 206 жидкости. Аналогично, второй бак 204 для хранения жидкости находится в гидравлическом соединении со смесителем 206 жидкости, так чтобы подавать жидкие предшественники реакции в него через подающий трубопровод 214. Второй бак 204 для хранения жидкости содержит в одном воплощении жидкость 205 по меньшей мере одного хлорида легирующего элемента. Клапан 216 и насос 218 регулируют поток жидкости 205 из бака 204 для хранения жидкости в смеситель 206 жидкости.Referring to FIG. 2, it is a
Также, как показано на Фиг. 2, твердые предшественники реакции подают в шаровую мельницу 220 из устройства 222 хранения Al, возможного устройства 224 хранения хлорида алюминия (например, AlCl3) и, возможно, устройства 226 хранения одного или более хлорида легирующего элемента. Хотя устройство показано как шаровая мельница 220, любое подходящее устройство уменьшения размеров (например, измельчающее устройство) можно использовать согласно тому способу. Как показано, устройство 224 хранения хлорида алюминия и устройство 226 хранения одного или более хлорида легирующего элемента поставляют через возможный смеситель 228 в мельницу 220. Из мельницы 220 входящую смесь 221 предоставляют в устройство 230 реакции стадии 1 через загрузочный бункер 232. Кроме того, смешанную жидкость из смесителя 206 жидкости добавляют в устройство 230 реакции стадии 1 регулируемым образом через подающую трубу 234 с потоком смешанной жидкости, регулируемым насосом 236 и клапаном 238. В некоторых случаях, устройство 224 хранения хлорида алюминия и устройство 226 хранения одного или более хлорида легирующего элемента могут поставлять через возможный смеситель 228 непосредственно в загрузочный бункер 232.Also, as shown in FIG. 2, the solid reaction precursors are fed to the
В устройстве 230 реакции стадии 1 Ti4+ восстанавливается до Ti3+ при описанных выше условиях с образованием продукта первой реакции. Продукт первой реакции можно высушить в конце устройства 230 реакции стадии 1, например, в зоне 229 сушки, обладающей условиями сушки, такими как обсуждалось выше, для удаления по существу всего любого остающегося TiCl4 посредством конденсатора 231 с образованием промежуточной смеси (содержащей Ti3+, например, в форме комплекса TiCl3 с хлоридом(ами) металла(ов), такого как TiCl3(AlCl3)x), поставляемой в трубопровод 244 продуктов для дополнительного восстановления титана. Как показано, любой остающийся TiCl4 или жидкую смесь можно испарить и, при необходимости, рециркулировать (например, посредством способа дистилляции, не показан) в трубопровод 246 контура рециркуляции. В альтернативных воплощениях устройство уменьшения размеров можно объединить с устройством 230 реакции стадии 1. В одном воплощении условия устройства 230 реакции стадии 1 в течение реакции удерживают жидкость в реакторе или конденсируют пар для возвращения в реактор стадии 1. Затем, в течение сушки конденсатор нагревают до температуры выше температуры кипения жидкой смеси для того, чтобы обеспечить сушку.In the
Промежуточную смесь (содержащую Ti3+, например, в форме комплекса TiCl3 с другими материалами) можно хранить после сушки перед дальнейшими способами восстановления. В одном из воплощений промежуточную смесь хранят в инертной атмосфере для подавления образования и препятствования образованию любых оксидов алюминия, других оксидных комплексов или оксихлоридных комплексов в промежуточной смеси.The intermediate mixture (containing Ti 3+ , for example, in the form of a complex of TiCl 3 with other materials) can be stored after drying before further reduction methods. In one embodiment, the intermediate mixture is stored under an inert atmosphere to suppress the formation and prevent the formation of any aluminum oxides, other oxide complexes, or oxychloride complexes in the intermediate mixture.
3. Реакции стадии 2 (Ti3+ до Ti2+ и Ti2+ до Ti сплава)3. Stage 2 reactions (Ti 3+ to Ti 2+ and Ti 2+ to Ti alloy)
В реакциях 106 стадии 2 в способе 100 Ti3+ и любые галогениды легирующих элементов MXx промежуточной смеси восстанавливают до Ti2+ и М субгалоидов путем нагрева до температуры второй реакции и реакции с Al, присутствующим в виде твердого Al или в виде соединений Al, растворенных в комплексе, и затем Ti2+ восстанавливают до Ti сплава посредством эндотермической реакции при температуре третьей реакции, которая больше температуры второй реакции. Металлические субгалоиды также восстанавливают посредством восстановления Al с образованием основного легирующего металла М при температурах в интервале стадии 2 способа. В одном воплощении эти реакции можно выполнять последовательно при различных температурах на одной стадии реакции или в виде отдельных стадий в виде двухстадийного или более способа (например, на стадиях по мере повышения температуры).In the
Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что алюминий (например, в форме металлического алюминия или соли алюминия, такой как AlCl3 и/или AlClx), присутствующий в промежуточной смеси, восстанавливает Ti3+ в комплексы TiCl3 с хлоридом(ами) металла(ов), такие как TiCl3(AlCl3)х, до Ti2+ при температуре второй реакции. Например, не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что при реакции может образовываться Ti2+ в TiCl2, образующем комплекс с хлоридом(ами) металла(ов), с образованием солевых растворов на основе комплексов титана и хлорида алюминия, таких как TiAlCl5, Ti(AlCl4)2 или их смеси с возможными дополнительными легирующими элементами или галогенидами или хлороалюминатами.Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that aluminum (for example, in the form of metallic aluminum or an aluminum salt such as AlCl 3 and / or AlCl x ) present in the intermediate mixture reduces Ti 3+ to TiCl 3 complexes with metal chloride (s), such as TiCl 3 (AlCl 3 ) x , to Ti 2+ at the second reaction temperature. For example, without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that the reaction can form Ti 2+ in TiCl 2 , which forms a complex with the chloride (s) of the metal (s), with the formation of salt solutions based on complexes of titanium and aluminum chloride such as TiAlCl 5 , Ti (AlCl 4 ) 2 or mixtures thereof with optional additional alloying elements or halides or chloroaluminates.
Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что существуют три возможные формы TiCl2: (1) по существу чистый TiCl2, который растворяет только небольшое количество любого материала, (2) TiAlCl5(тв), который также не растворяет большое количество других материалов и возможно стабилен только до примерно 200°C, и (3) {Ti(AlCl4)2}n, который вероятно является неорганическим полимерным материалом, существующим в виде жидкости или газа, стеклообразным материалом и мелким порошком (длинноцепочечные молекулы). То есть, {Ti(AlCl4)2}n имеет большой композиционный интервал (например, n может составлять от 2 до примерно 500, например, от 2 до примерно 100, например, от 2 до примерно 50, например, от 2 до примерно 10) и растворяет все хлориды легирующих элементов. В одном конкретном воплощении газообразный {Ti(AlCl4)2}n способствует удалению непрореагировавшей соли из частиц титанового сплава (например, при низкой температуре на последней стадии реакции). В результате продукт реакции, содержащий Ti2+, является фазой на основе комплекса TiCl2 и AlCl3 (например, Ti(AlCl4)2 и т.п.). Такой комплекс может быть солевым раствором, кратко определенным как [Ti2+:соль], со скобками [], представляющими материал в виде фазы раствора, содержащей AlCl3 в качестве основного соединения растворителя, Ti2+ и «соли», представляющей все второстепенные соединения или легирующие элементы.Without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that there are three possible forms of TiCl 2 : (1) essentially pure TiCl 2 , which dissolves only a small amount of any material, (2) TiAlCl 5 (s), which also does not dissolves a large number of other materials and is possibly only stable up to about 200 ° C, and (3) {Ti (AlCl 4 ) 2 } n , which is probably an inorganic polymer material, existing as a liquid or gas, glassy material and fine powder (long chain molecules). That is, {Ti (AlCl 4 ) 2 } n has a large compositional range (for example, n can be from 2 to about 500, for example, from 2 to about 100, for example, from 2 to about 50, for example, from 2 to about 10) and dissolves all chlorides of alloying elements. In one particular embodiment, the {Ti (AlCl 4 ) 2 } n gas assists in removing unreacted salt from the titanium alloy particles (eg, at a low temperature in the last stage of the reaction). As a result, the reaction product containing Ti 2+ is a phase based on a complex of TiCl 2 and AlCl 3 (for example, Ti (AlCl 4 ) 2 , etc.). Such a complex may be a saline solution, briefly defined as [Ti 2+ : salt], with brackets [] representing the material as a solution phase containing AlCl 3 as the main solvent compound, Ti 2+ and a "salt" representing all minor compounds or alloying elements.
Восстановление Ti3+ до Ti2+ можно выполнять при температуре второй реакции от примерно 180°C или выше (например, от примерно 180°C до примерно 900°C, такой как от примерно 180°C до примерно 500°C или от примерно 180°C до примерно 300°C). Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что по меньшей мере часть Ti2+ находится в форме комплекса TiCl2 с хлоридом(ами) металла(ов).The reduction of Ti 3+ to Ti 2+ can be performed at a second reaction temperature of about 180 ° C or higher (e.g., about 180 ° C to about 900 ° C, such as about 180 ° C to about 500 ° C, or about 180 ° C to approx. 300 ° C). Without wishing to be bound by any particular theory, we believe that at least part of the Ti 2+ is in the form of a complex of TiCl 2 with the chloride (s) of the metal (s).
Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что в этом способе AlCl3 химически связан в TiCl3(AlCl3)х, TiAlCl5 и {Ti(AlCl4)2}n. В силу его значительной химической активности (например, <1), AlCl3 не испаряется, как можно было ожидать для чистого AlCl3, и не существует никакого значительного испарения AlCl3 до тех пор, пока температуры реакции не достигнут или превысят примерно 600°C. Таким образом, AlCl3 предоставляет среду реактора для обеспечения протекания реакции и AlCl3 предоставляет химическую среду, которая стабилизирует ион Ti2+ и обеспечивает превращение Ti3+ в Ti2+ при температурах реакции менее примерно 250°C (например, от примерно 180°C до примерно 250°C).Without wishing to be bound by any particular theory, the inventors believe that in this process AlCl 3 is chemically bonded to TiCl 3 (AlCl 3 ) x , TiAlCl 5 and {Ti (AlCl 4 ) 2 } n . Due to its significant reactivity (eg <1), AlCl 3 does not evaporate as would be expected for pure AlCl 3 , and there is no significant evaporation of AlCl 3 until the reaction temperatures are reached or exceeded about 600 ° C. ... Thus, AlCl 3 provides a reactor environment for the reaction to proceed and AlCl 3 provides a chemical environment that stabilizes the Ti 2+ ion and converts Ti 3+ to Ti 2+ at reaction temperatures less than about 250 ° C (for example, from about 180 ° C to approx. 250 ° C).
После того, как Ti3+ в комплекса TiCl3 с хлоридом(ами) металла(ов) (например, в форме TiCl3-(AlCl3)x и/или TiAlCl6 (г)), восстанавливается до Ti2+ (например, в форме комплекса TiCl2 с хлоридом(ами) металла(ов)), Ti2+ можно превратить в Ti сплав посредством реакции диспропорционирования. В одном воплощении TiAlCl6 (г) может присутствовать для способствования удалению побочных продуктов Ti3+ из образования Ti сплава и/или рециркулирования Ti3+ в реакционной камере. Например, Ti2+ можно превратить Ti сплав посредством реакции диспропорционирования при температуре третьей реакции 250°C или выше (например, от примерно 250°C до примерно 1000°C, такой как от примерно 500°C до примерно 1000°C). Хотя в некоторых воплощениях температура третьей реакции может достигать примерно 1000°C, в других воплощениях температура третьей реакции имеет верхний предел температуры примерно 900°C. Например, Ti2+ можно восстановить до Ti сплава посредством реакции диспропорционирования при температуре третьей реакции от примерно 300°C до примерно 900°C (например, от примерно 300°C до примерно 900°C, такой как от примерно 500°C до примерно 900°C). Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что сохранение третьей температуры реакции ниже примерно 900°C обеспечивает, что любые кислородные загрязнения, присутствующие в реакционной камере остаются стабильно летучими веществами, которые могут улетучиваться, так чтобы ограничивать кислород в получающемся продукте титанового сплава. С другой стороны, при температуре реакции выше 900°C кислородные загрязнения более не находятся в форме летучих соединений, делая более трудным уменьшение остаточного кислорода. Любые другие летучие вещества, такие как оксихлориды, хлориды и/или содержащие углерод оксиды, можно удалить с помощью термической дистилляции.After Ti 3+ in the complex of TiCl 3 with the chloride (s) of the metal (s) (for example, in the form of TiCl 3 - (AlCl 3 ) x and / or TiAlCl 6 (g)), it is reduced to Ti 2+ (for example , in the form of a complex of TiCl 2 with the chloride (s) of the metal (s), Ti 2+ can be converted to a Ti alloy by a disproportionation reaction. In one embodiment, TiAlCl 6 (d) may be present to aid in the removal of Ti 3+ by -products from Ti alloy formation and / or recycling the Ti 3+ in the reaction chamber. For example, a Ti 2+ can be converted to a Ti alloy through a disproportionation reaction at a third reaction temperature of 250 ° C or higher (eg, from about 250 ° C to about 1000 ° C, such as from about 500 ° C to about 1000 ° C). While in some embodiments the temperature of the third reaction may reach about 1000 ° C, in other embodiments the temperature of the third reaction has an upper temperature limit of about 900 ° C. For example, Ti 2+ can be reduced to Ti alloy through a disproportionation reaction at a third reaction temperature of about 300 ° C to about 900 ° C (e.g., about 300 ° C to about 900 ° C, such as about 500 ° C to about 900 ° C). Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that keeping the third reaction temperature below about 900 ° C ensures that any oxygen contaminants present in the reaction chamber remain stably volatile substances that can volatilize so as to limit the oxygen in the resulting product. titanium alloy. On the other hand, at a reaction temperature above 900 ° C, the oxygen contaminants are no longer in the form of volatile compounds, making it more difficult to reduce the residual oxygen. Any other volatile substances such as oxychlorides, chlorides and / or carbon-containing oxides can be removed by thermal distillation.
В общем, эту реакцию образования титанового сплава можно разделить на стадию образования сплава посредством реакции диспропорционирования (например, при температуре реакции диспропорционирования от примерно 250°C до примерно 650°C) и стадию дистилляции (например, при температуре дистилляции от примерно 650°C до примерно 1000°C).In general, this titanium alloy forming reaction can be divided into an alloying step through a disproportionation reaction (for example, at a disproportionation reaction temperature of about 250 ° C to about 650 ° C) and a distillation step (for example, at a distillation temperature of about 650 ° C to about 650 ° C). approx. 1000 ° C).
Например, образование титанового сплава можно разделить на два способа: образования зародышей и роста частиц (который также можно назвать укрупнением частиц). В течение образования зародышей первый титановый сплав образуется из [Ti2+:соль] при более низких температурах (например, от примерно 250°C до примерно 400°C). Локальная композиция соли (активности компонентов), поверхностная энергия и кинетика диспропорционирования определяют получающуюся композицию титанового сплава. Затем, происходит рост частиц, когда титановый сплав продолжает расти из [Ti2+:соль] при более высоких температурах (например, от примерно 400°C до примерно 700°C) в конденсированном состоянии и при температурах выше 700°C (например, от примерно 700°C до примерно 1000°C) в реакции газа и твердого вещества. Эти реакции при более высокой температуре (например, более примерно 700°C) также можно описать как способ дистилляции, в котором Cl удаляют из продукта титанового сплава, что происходит одновременно с ростом частиц титанового сплава. Оба эти способа основаны на реакции диспропорционирования, однако в них можно получать титановые сплавы с различными составами. Также следует отметить, что существует реакция диспропорционирования как для Ti, так и для Al в способе реакции: Ti2+=1/3[Ti]+2/3Ti3+ и Al+=2/3[Al]+1/3Al3+. Конструкцию оборудования для этого способа можно выполнить для независимого регулирования времени пребывания при каждой температуре (например, в тепловой зоне), что может способствовать регулированию способа.For example, the formation of a titanium alloy can be divided into two methods: nucleation and particle growth (which can also be called particle coarsening). During nucleation, the first titanium alloy is formed from [Ti 2+ : salt] at lower temperatures (eg, from about 250 ° C to about 400 ° C). The local composition of the salt (activity of the components), surface energy and kinetics of disproportionation determine the resulting composition of the titanium alloy. Particle growth then occurs as the titanium alloy continues to grow from [Ti 2+ : salt] at higher temperatures (for example, about 400 ° C to about 700 ° C) in a condensed state and at temperatures above 700 ° C (for example, from about 700 ° C to about 1000 ° C) in the reaction of gas and solid. These reactions at higher temperatures (eg, greater than about 700 ° C) can also be described as a distillation process in which Cl is removed from the titanium alloy product, which occurs concurrently with the growth of the titanium alloy particles. Both of these methods are based on the disproportionation reaction, but they can produce titanium alloys with different compositions. It should also be noted that there is a disproportionation reaction for both Ti and Al in the reaction method: Ti 2+ = 1/3 [Ti] + 2 / 3Ti 3+ and Al + = 2/3 [Al] + 1 / 3Al 3+ . The design of the equipment for this method can be made to independently control the residence time at each temperature (for example, in a thermal zone), which can help control the method.
В одном из воплощений промежуточную смесь, содержащую Ti2+, поддерживают при температуре третьей реакции до тех пор, пока по существу весь Ti2+ не прореагирует до титанового сплава. В реакции любой Ti3+, образованный в течение реакции диспропорционирования, можно внутренне рециркулировать на восстановление до Ti2+ путем теплового алюминиевого восстановления и на дальнейшее реагирование в реакции диспропорционирования. Кроме того, Ti4+ (например, в форме TiCl4) можно образовать с помощью параллельной реакции диспропорционирования Ti, который можно откачать из системы реакции в виде газового побочного продукта для продолжающейся реакции (например, восстановления обратно до Ti3+, затем до Ti2+) или в виде отбираемого побочного продукта (например, выполняемого посредством противотока инертного газа).In one embodiment, the intermediate mixture containing Ti 2+ is maintained at the third reaction temperature until substantially all of the Ti 2+ has reacted to the titanium alloy. In the reaction, any Ti 3+ formed during the disproportionation reaction can be internally recycled for reduction to Ti 2+ by thermal aluminum reduction and for further reaction in the disproportionation reaction. In addition, Ti 4+ (e.g., in the form of TiCl 4 ) can be formed by a parallel Ti disproportionation reaction, which can be pumped out of the reaction system as a gaseous by-product for an ongoing reaction (e.g., reduction back to Ti 3+ , then to Ti 2+ ) or in the form of a sampled by-product (for example, carried out by means of a countercurrent flow of an inert gas).
Реакции стадии 2 (например, Ti3+ до Ti2+ и/или Ti2+ до Ti сплава) можно выполнять в инертной атмосфере, например, содержащей аргон и/или по существу не содержащей кислород, азот, влагу, углеводороды и другие примеси. В конкретных воплощениях инертная атмосфера имеет давление от примерно 100 кПа (1 атм.) (например, примерно 760 Торр) до примерно 500 кПа (5 атм.) (например, примерно 3800 Торр), такое как от примерно 100 кПа (760 Торр) до примерно 200 кПа (1500 Торр). Как показано на Фиг. 1, инертный газ можно вводить в виде противотока для регулирования реакционной атмосферы и для вывода комплексов хлоридов титана и AlClx прочь из титанового сплава и обратно в обратный поток зоны реакции Т3+ до Ti2+ и/или Ti2+ до Ti сплава. Дополнительно или альтернативно, любой TiCl4, полученный в течение реакции, можно вывести из реактора в виде отбираемого побочного продукта. Таким образом, реакцию можно выполнять эффективно без каких-либо значительных потерь Ti материалов.Step 2 reactions (e.g., Ti 3+ to Ti 2+ and / or Ti 2+ to Ti alloy) can be performed in an inert atmosphere, such as containing argon and / or substantially free of oxygen, nitrogen, moisture, hydrocarbons and other impurities ... In specific embodiments, the inert atmosphere has a pressure of from about 100 kPa (1 atm.) (For example, about 760 Torr) to about 500 kPa (5 atm.) (For example, about 3800 Torr), such as from about 100 kPa (760 Torr) up to about 200 kPa (1500 Torr). As shown in FIG. 1, an inert gas can be introduced countercurrently to regulate the reaction atmosphere and to remove the titanium chloride and AlCl x complexes away from the titanium alloy and back into the reverse flow of the reaction zone T 3+ to Ti 2+ and / or Ti 2+ to Ti alloy. Additionally or alternatively, any TiCl 4 produced during the reaction can be removed from the reactor as a withdrawn by-product. Thus, the reaction can be carried out efficiently without any significant loss of Ti materials.
Например, Ti образуется в сплаве на основе Ti-Al из Ti2+ в солевом растворе (сконденсированном и парообразном) путем диспропорционирования и образования Ti3+ в солевом растворе (сконденсированном и парообразном), как описано выше (Ti2+=1/3[Ti]+2/3Ti3+). Аналогичные соответствующие реакции диспропорционирования происходят одновременно для Al+/Al/Al3+ и других легирующих элементов, растворенных в солевых растворах, и при образовании сплавов на основе Ti-Al. Таким образом, продукты из чистого титана не образуются в течение этих реакций диспропорционирования. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией или конкретной последовательностью реакций, авторы полагают, что образование сплава Ti-Al происходит посредством эндотермической реакции, которая включает подвод тепла для приведения в действие реакции по направлению к продуктам сплава Ti-Al.For example, Ti is formed in a Ti-Al based alloy from Ti 2+ in brine (condensed and vapor) by disproportionation and formation of Ti 3+ in brine (condensed and vapor) as described above (Ti 2+ = 1/3 [Ti] + 2 / 3Ti 3+ ). Similar corresponding disproportionation reactions occur simultaneously for Al + / Al / Al 3+ and other alloying elements dissolved in saline solutions and during the formation of Ti-Al-based alloys. Thus, pure titanium products are not formed during these disproportionation reactions. While not wishing to be bound by any particular theory or sequence of reactions, we believe that the formation of the Ti — Al alloy occurs through an endothermic reaction that involves the supply of heat to drive the reaction towards the Ti — Al alloy products.
Сплав Ti-Al, образованный путем указанных выше реакций, может находиться в форме сплава Ti-Al, смешанного с другими металлическими материалами. Легирующие элементы также могут быть включены в хлороалюминаты титана, потребленные и образованные в указанной выше реакции диспропорционирования. Посредством регулирования системы можно получить мелкие, однородно сплавленные частицы требуемой композиции посредством регулирования по меньшей мере температуры, потока тепла, давления, расхода газа, отношения Al/AlCl3 и размера частиц/состояния агрегации смеси Ti2+/Al/AlCl3, поступающей в реакцию стадии 2.The Ti — Al alloy formed by the above reactions may be in the form of a Ti — Al alloy mixed with other metallic materials. Alloying elements can also be included in titanium chloroaluminates consumed and formed in the above disproportionation reaction. By adjusting the system, fine, uniformly fused particles of the desired composition can be obtained by controlling at least the temperature, heat flow, pressure, gas flow rate, Al / AlCl 3 ratio and particle size / state of aggregation of the Ti 2+ / Al / AlCl 3 mixture entering reaction of stage 2.
В качестве продукта реакций стадии 2 образуется титановый сплав, который содержит элементы из предшественников реакции и любые дополнительные легирующие элементы, добавленные в течение реакции стадии 1 и/или реакций стадии 2. Например, Ti-6Al-4V (в масс. %), интерметаллический Ti-4822 (48Al, 2Cr и 2Nb в атомн. %) можно образовать в качестве титанового сплава. В одном воплощении титановый сплав находится в форме порошка титанового сплава, такого как порошок сплава алюминида титана (например, Ti-6Al-4V, Ti-4822 и т.п.).As a product of the reactions of step 2, a titanium alloy is formed which contains elements from the reaction precursors and any additional alloying elements added during the reaction of
Что касается Фиг. 3, на ней представлена технологическая схема 300 одного примерного воплощения реакции 106 стадии 2 и последующей обработки 108 примерного способа Фиг. 1. В показанном воплощении промежуточную смесь подают через трубопровод 224 в устройство 302 реакции стадии 2 после прохождения через возможный смеситель 306. В устройстве 302 реакции стадии 2 Ti3+ промежуточной смеси восстанавливают до Ti2+ путем нагрева до температуры второй реакции и затем Ti2+ восстанавливают до Ti сплава посредством реакции диспропорционирования при температуре третьей реакции, которая больше температуры второй реакции, как описано более подробно выше. Показанное в качестве примера устройство 302 реакции стадии 2 является одностадийным реактором, который содержит устройство 304 зоны нагрева, окружающей реакционную камеру 306. Устройство 304 зоны нагрева обеспечивает изменяемую, повышающуюся температуру внутри реакционной камеры 306 по мере того, как промежуточная смесь течет через реакционную камеру. Например, устройство 304 зоны нагрева может иметь температуру первой реакции по направлению ко входу реакционной камеры 306 (например, первую зону 308) и температуру второй реакции на выходе реакционной камеры 306 (например, вторую зону 310). Устройство также может иметь градиент температуры реакции между 2 или более зонами. Этот способ сконструирован для обеспечения однородного смешивания и непрерывного потока через температурный градиент.Referring to FIG. 3, it is a
Паровые продукты реакции, такие как AlCl3, Al2Cl6, TiCl4, TiAlCl6, AlOCl, TiOCl(AlOCl)x и т.п. можно удалять из реакционной камеры 306, используя противоток инертного газа. Например, инертный газ можно подавать во вторую зону 310 реакционной камеры 306 через подающую трубу 312 из подачи 313 инертного газа. Инертный газ может затем течь против продвижения твердых материалов через реакционную камеру 306 для вывода газовых комплексов хлорида титана из титанового сплава, образующегося во второй зоне 310, и обратно в реакцию при более низкой температуре восстановления Ti3+ до Ti2+, происходящую в первой зоне 308.Steam reaction products such as AlCl 3 , Al 2 Cl 6 , TiCl 4 , TiAlCl 6 , AlOCl, TiOCl (AlOCl) x , etc. can be removed from the
Дополнительно или альтернативно, газовые комплексы хлорида титана, полученные в течение реакции, можно выводить обратно в реакционную камеру 306, в которой они конденсируются при более низкой температуре, и таким образом регулируют стехиометрию титана в реагирующих солях. Любой остающийся AlClx и любой TiCl4, образованный в течение диспропорционирования, удаляют из реактора 306 с помощью вентиляционного трубопровода 315, который может быть нагретым трубопроводом для предотвращения конденсации и засорения, и собирают в конденсаторе/сублиматоре 317 (например, одноступенчатом конденсаторе или многоступенчатом конденсаторе) для повторного захвата. Таким образом, реакцию можно выполнять эффективно без каких-либо значительных потерь Ti материалов.Additionally or alternatively, the titanium chloride gaseous complexes produced during the reaction can be withdrawn back to the
Использование инертного газа с низким содержанием примесей (например, аргонового газа с низким содержанием примесей, такого как газообразный аргон высокой чистоты) в качестве технологического газа является предпочтительным для минимизации образования в способе оксихлоридных фаз, таких как TiOClx и AlOClx, и для окончательного подавления образования TiO, TiO2, Al2O3 и/или TiO2-Al2O3 смесей. Также можно использовать другие инертные газы, такие как гелий или другие благородные газы, которые должны быть инертными для способа реакции.The use of an inert gas with a low impurity content (e.g., a low impurity argon gas such as high purity argon gas) as the process gas is preferred to minimize the formation of oxychloride phases such as TiOCl x and AlOCl x in the process and to ultimately suppress the formation of TiO, TiO 2 , Al 2 O 3 and / or TiO 2 -Al 2 O 3 mixtures. You can also use other inert gases, such as helium or other noble gases, which must be inert for the reaction method.
Контролирование способа можно использовать для определения завершения реакции путем измерения баланса, температуры, давления, химического состава технологического газа, химического состава продукта на выходе и химического состава побочных продуктов.Method monitoring can be used to determine the completion of a reaction by measuring balance, temperature, pressure, process gas chemistry, outlet chemistry, and by-product chemistry.
Титановый сплав можно собирать посредством 314, предоставленного в устройстве 316 последующей обработки, такого как описано ниже. Стадию последующей обработки можно выполнять в отдельном устройстве или можно выполнять в том же устройстве, которое используют для способа стадии 2, или соединенном с ним устройстве.The titanium alloy can be collected by
4. Последующая обработка титанового сплава4. Subsequent processing of titanium alloy
После образования титановый сплава можно обработать 108. Например, порошок титанового сплава можно обработать для укрупнения, спекания, непосредственного упрочения, технологии послойного синтеза, объемного плавления или сфероидизации. Например, титановый сплав можно подвергнуть высокотемпературной обработке для очистки титанового сплава путем удаления остаточных хлоридов и/или обеспечения диффузии для уменьшения градиентов состава, например, при температуре обработки примерно 800°C или выше (например, от примерно 800°C до примерно 1000°C).Once the titanium alloy is formed, it can be processed 108. For example, the titanium alloy powder can be processed for coarsening, sintering, direct hardening, layer-by-layer synthesis, bulk melting, or spheroidization. For example, a titanium alloy can be heat treated to purify the titanium alloy by removing residual chlorides and / or allowing diffusion to reduce composition gradients, for example, at a processing temperature of about 800 ° C or higher (for example, from about 800 ° C to about 1000 ° C. ).
В одном из воплощений высокотемпературная обработка также продолжает реакции диспропорционирования с получением титанового сплава из любого остаточного Ti2+.In one embodiment, the high temperature treatment also continues disproportionation reactions to produce a titanium alloy from any residual Ti 2+ .
ПримерыExamples of
Описанный здесь способ можно объяснить в самом общем виде и простейших терминах путем обзора наложенных диаграмм устойчивости (энергия Гиббса на моль Cl2 в зависимости от абсолютной температуры) для систем Ti-Cl и Al-Cl, как показано на Фиг. 4.The method described here can be explained in its most general form and simplest terms by reviewing the superimposed stability diagrams (Gibbs energy per mole Cl 2 versus absolute temperature) for the Ti-Cl and Al-Cl systems as shown in FIG. 4.
Хотя не учитывают сплав или солевые растворы, это показывает максимальную доступную химическую энергию в системе Ti-Al-Cl. При температурах ниже 1000К (730°C) Ti4+ в виде TiCl4(ж, г) можно восстановить до Ti3+ в виде TiCl3(тв) и затем до Ti2+ в виде TiCl2(тв) путем окисления металлического Al до Al3+ (в форме AlCl3(тв), Al2Cl6(г) и/или AlCl3(г)), однако Ti2 нельзя восстановить до металлического Ti путем окисления металлического Al. В этом способе металлический титан, сплавленный с Al[Ti], можно образовать в температурном интервале от 523 до 923K (от 250 до 650°C) посредством диспропорционирования Ti2+ (Ti2+=1/3[Ti]+2/3Ti3+) в солевом растворе [Ti2+:соль] с получением частиц [Ti] и Ti3+ в виде солевого раствора [Ti3+:соль] или пара. Движимое Al восстановление Ti4+ и Ti3+ является экзотермическим способом и его выполняют в реакторе стадии один, S1, и реакторе низкотемпературной части стадии два, S2, при температурах ниже 523K или 250°C, при этом диспропорционирование Ti2+ является эндотермическим способом и его выполняют при промежуточных температурах в реакторе S2.Although the alloy or brines are not included, this shows the maximum available chemical energy in the Ti-Al-Cl system. At temperatures below 1000K (730 ° C), Ti 4+ in the form of TiCl 4 (l, g) can be reduced to Ti 3+ in the form of TiCl 3 (s) and then to Ti 2+ as TiCl 2 (s) by oxidizing the metal Al to Al 3+ (in the form of AlCl 3 (solid), Al 2 Cl 6 (g) and / or AlCl 3 (g)), however, Ti 2 cannot be reduced to metallic Ti by oxidizing metallic Al. In this method, titanium metal alloyed with Al [Ti] can be formed in the temperature range from 523 to 923K (250 to 650 ° C) by disproportionation of Ti 2+ (Ti 2+ = 1/3 [Ti] + 2 / 3Ti 3+ ) in brine [Ti 2+ : salt] to form [Ti] and Ti 3+ particles as brine [Ti 3+ : salt] or vapor. Driven Al reduction of Ti 4+ and Ti 3+ is exothermic and is performed in the reactor of stage one, S1, and the reactor of the low temperature part of stage two, S2, at temperatures below 523K or 250 ° C, whereby Ti 2+ disproportionation is endothermic. and it is carried out at intermediate temperatures in the reactor S2.
Восстановление Ti4+, Ti3+ (и других легирующих элементов, Мх+), окисление Al и последующие диспропорционирование означает, что этот способ является по своей сути электрохимическим способом. Описанный здесь способ не основан на электродах или внешних электрических цепях, в результате ожидают нейтральности заряда посредством зон взаимодействия. Это означает, что частицы сплава могут однородно образовываться из [Ti2+:соль] при условии локального потока тепла и если композиция поддерживает эндотермическую реакцию диспропорционирования. Это является значительным преимуществом этого способа по сравнению с электрохимическим осаждением и родственными способами.Reduction of Ti 4+ , Ti 3+ (and other alloying elements, M x + ), oxidation of Al and subsequent disproportionation means that this method is inherently an electrochemical method. The method described here is not based on electrodes or external electrical circuits, as a result, charge neutrality is expected through interaction zones. This means that alloy particles can be uniformly formed from [Ti 2+ : salt] provided there is local heat flux and if the composition supports an endothermic disproportionation reaction. This is a significant advantage of this method over electrochemical deposition and related methods.
Кроме того, не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, авторы полагают, что металлический Al и другие легирующие элементы М осаждаются из соли одновременно с Ti2+ посредством соответствующих реакций диспропорционирования (то есть, для Al: Al+=2/3[Al]+1/3Al3+ [9] и для М: Мх+=1/(х+1)[М]+х/(х+1)М(х+1)+) и подача ионов в низком состоянии окисления из соли в фронт роста частиц сплава не затруднена. Далее, низкотемпературная природа этого способа означает, что кристаллическая структура и фазовые границы, обычно наблюдаемые с обычными технологическими маршрутами (то есть, отверждение и термомеханическая работа), необязательно образуются или даже ожидаются.In addition, without wishing to be bound by any particular theory, the authors believe that metallic Al and other alloying elements M are deposited from the salt simultaneously with Ti 2+ through appropriate disproportionation reactions (that is, for Al: Al + = 2/3 [ Al] + 1 / 3Al 3+ [9] and for M: M x + = 1 / (x + 1) [M] + x / (x + 1) M (x + 1) + ) and the supply of ions at low The oxidation state from the salt to the growth front of the alloy particles is not hindered. Further, the low temperature nature of this process means that the crystal structure and phase boundaries usually observed with conventional processing routes (ie, curing and thermomechanical work) are not necessarily formed or even expected.
Имея в виду общий/высокий уровень признаков этого способа описывают подробности способа. В конкретных воплощениях следующие способы можно выполнять, убедившись, что исходные реагенты (TiCl4, AlCl3 и галогениды легирующих элементов, MXx) эффективно не содержат Н2О и О, так как все металлогалоиды сильно реагируют с Н2О и после введения кислорода может быть трудным удалить его из некоторых солей. Кроме того, полагают, что кислородное загрязнение в соли стабилизирует Ti3+ против Ti2+, что затрудняет образование Ti2+ и таким образом влияет на композицию образующегося сплава.With the general / high level of features of this method in mind, the details of the method are described. In specific embodiments, the following methods can be performed by making sure that the starting reagents (TiCl 4 , AlCl 3 and alloying element halides, MX x ) effectively do not contain H 2 O and O, since all metal halides strongly react with H 2 O even after the introduction of oxygen it can be difficult to remove it from some salts. In addition, it is believed that oxygen contamination in the salt stabilizes Ti 3+ against Ti 2+ , which makes it difficult for Ti 2+ to form and thus affects the composition of the resulting alloy.
Пример 1Example 1
Реакцию химического восстановления Ti4+, изначально в форме TiCl4(ж), до Ti3+ в виде TiCl3(AlCl3)х выполняли в реакторе стадии 1 и оценивали в инертных средах. Входящую смесь, содержавшую 201,8 г Al хлопьев, 100,5 г AlCl3, 34,3 г NbCl5 и 20,1 г CrCl3, загружали в атмосфере аргона высокой чистоты в герметичную шаровую мельницу и перемалывали в течение 16 часов при близкой к комнатной температуре (шаровые мельницы предоставляют сырье для каждого цикла стадии 1). Перемолотый материал просеивали через сито с ячейками 150 мкм, и 594, 1 г, номинально от двух мельниц, загружали в скребковый смесительный реактор в атмосфере аргона высокой частоты. Реактор поддерживают при давлении 120 кПа изб. (1,2 бар изб.) с низким потоком (менее 1 л/мин) аргона высокой чистоты, протекающего через реактор. Реактор и загрузку предварительно нагревали до 130°C и стабилизировали перед введением 1164 г TiCl4(ж) со скоростью 6,5±2,0 г/мин, при этом непрерывно перемешивая. В течение времени закачивания TiCl4(ж) он сначала испаряется, но со временем образуется TiCl4(ж), по мере того, как стенку реактора поддерживают при примерно 130°C, при этом объем свободно текущей в способе загрузки, {соль + Al}, может достигать температур вплоть до 145°C. После добавления всего TiCl4(ж) температуру стенки реактора поддерживают при 130°C в течение номинально такого же времени, что и для закачивания TiCl4, в течение которого конденсированный TiCl4(ж) абсорбировался во входящей смеси и получающейся в реакции соли, продолжая реагировать и восстанавливаясь. После того, как большая часть конденсированного TiCl4(ж) восстанавливалась (на что указывает уменьшение объемного изменения температуры и температуры газа выше смешанной загрузки), температуру стенки реактора повышали до 160°C и поддерживали при этой температуре. Это обеспечивает то, что весь конденсированный TiCl4(ж) на стенке реактора способен восстановиться или его можно удалить. Промежуточный материал охлаждали и удаляли из реактора. Для характерных образцов, взятых из продукта описанного способа, определяли характеристики, обеспечивая соответствующие меры предосторожности останавливали реакцию с воздухом, используя методы рентгеновской дифракции, индуктивно-связанной плазмы, Cl титрования и электронной микроскопии и анализ энергодисперсионной спектроскопии для оценки формы хлоридов металлов. Результаты этого определения характеристик подтверждали получение остаточных непрореагировавших частиц Al с соответствующей формой и размером, наблюдавшимися в перемолотом продукте, загруженном в реакцию, а также в количестве, соответствующем восстановлению добавленного TiCl4. Микроструктура, наблюдавшаяся с помощью сканирующей электронной микроскопии, показывает, что частицы Al были окружены постепенно изменяющимся слоем солевого продукта, при этом соль в контакте с Al поверхностью богата AlCl3, и обычно наблюдается выделение О на этой поверхности раздела в виде оксихлоридного слоя "AlOCl". Дополнительная форма поверхности Al частиц, фаза TiCl3(AlCl3)x, существовала и представляла объемную часть продукта этой реакции. Это солевой продукт имел плохие механические свойства и Al частицы сердцевины легко отделялись, и он мог существовать отдельно от Al частиц. Рентгеновский дифракционный анализ показал, что солевая фаза TiCl3(AlCl3)x существует в виде α фазы, с плотно упакованной гексагональной структурой. Кристаллическая структура соответствовала AlCl3(TiCl3)x, и это было доказательством непрерывного твердого раствора. Измеренная композиция объемного образца согласовалась с рентгеновской дифракцией и наблюдаемой микроструктурой.The chemical reduction reaction of Ti 4+ , initially in the form of TiCl 4 (l), to Ti 3+ in the form of TiCl 3 (AlCl 3 ) x was performed in the reactor of
Остальную часть материала подавали в HED реактор вращающейся печи с противотоком Ar газа с 5 зонами с температурами зон от примерно 250°C до примерно 300°C, от примерно 300°C до примерно 650°C и от примерно 650°C до примерно 1000°C. После реакции во вращающейся печи при максимальной температуре 800°C материал образца собирали и анализировали с помощью рентгеновской дифракции, индукционно-связанной плазмы, Cl титрования и электронной микроскопии и анализа энергодисперсионной спектроскопии, которые показали образование порошка металлического сплава гамма алюминида титана с размером частиц <150 мкм и с композицией 32.0±1,0 масс. % Al, 61,4±1,7 масс. t% Ti, 2,6±0,1 масс. % Cr, 4,5±0,1 масс. % Nb, а также с небольшим количеством остаточного хлора (0,6 масс. %).The remainder of the material was fed to a 5-zone Ar gas countercurrent rotary kiln HED reactor with zone temperatures from about 250 ° C to about 300 ° C, from about 300 ° C to about 650 ° C, and from about 650 ° C to about 1000 ° C. After reaction in a rotary kiln at a maximum temperature of 800 ° C, the sample material was collected and analyzed by X-ray diffraction, inductively coupled plasma, Cl titration and electron microscopy and energy dispersive spectroscopy analysis, which showed the formation of titanium gamma aluminide metal alloy powder with a particle size of <150 μm and with a composition of 32.0 ± 1.0 mass. % Al, 61.4 ± 1.7 wt. t% Ti, 2.6 ± 0.1 wt. % Cr, 4.5 ± 0.1 mass. % Nb, as well as with a small amount of residual chlorine (0.6 wt.%).
Пример 2Example 2
Реакцию химического восстановления выполняли и оценивали в инертной среде. Входящая смесь содержала 250 г Al хлопьев, 62,5 г AlCl3, 42,75 г NbCl5 и 25,0 г CrCl3 и ее перемалывали при комнатной температуре в течение 16 часов. Перемолотый материал просеивали через сито с ячейками 150 мкм и 714 грамм (номинальный продукт из двух мельниц) загружали в скребковый реактор-смеситель. Реактор предварительно нагревали до 130°C и закачивали TiCl4 со скоростью 6,5 г/мин при перемешивании. После добавления 1541 г TiCl4, температуру реактора повышали до 160°C и поддерживали ее для сушки/удаления избытка TiCl4. Промежуточный материал охлаждали и удаляли из реактора. Материал из 3 похожих стадий одного способа подавали в HED реактор вращающейся печи с противотоком газообразного Ar с 5 зонами с температурами зон, установленными на 250°C. Продукт {Al+TiCl3(AlCl3)х} из указанной выше реакции стадии 1 подавали во вращающуюся печь с постоянной скоростью 1,0±0,2 кг/ч, проводя через нагретую зону в интервале скоростей, регулируемых скоростью вращения рабочей трубы (при 6 об/мин время пребывания составляет примерно 13 минут, при 4 об/мин время пребывания составляет примерно 20 минут, при 2 об/мин время пребывания составляет примерно 40 минут). Образцы из способа собирали на всем протяжении цикла и определяли их характеристики, используя рентгеновскую дифракцию, индуктивно-связанную плазму, Cl титрование и электронную микроскопию и энергодисперсионную спектроскопию. Результаты показали, что начальный материал {Al+TiCl3(AlCl3)х} быстро реагировал во вращающейся печи. Частицы Al оставались в спектре рентгеновской дифракции и их также явно видно в микроструктуре, однако их количество уменьшалось. Это соответствовало продолжающемуся окислению с восстановлением Ti3+ до Ti2+. Характеристические пики рентгеновской дифракции для α-TiCl3(AlCl3)х исчезали, оставляя только пики для исходного Al и сплава. Объемная композиция образца, микроструктура и количество собранного конденсированного пара AlCl3 подтверждают, что объем отобранного образца представляет собой соль, и эта соль не имеет определенной кристаллической структуры (то есть, является аморфным, стеклянным или полимерным материалом), что показывает, что Al легко восстанавливает Ti3+ в виде TiCl3(AlCl3)х до Ti2+ в виде Ti(AlCl4)2 при температурах ниже 250°C без значительного испарения AlCl3. Из литературе известно, что фаза Ti(AlCl4)2 не является кристаллической.The chemical reduction reaction was performed and evaluated in an inert atmosphere. The incoming mixture contained 250 g Al flakes, 62.5 g AlCl 3 , 42.75 g NbCl 5 and 25.0 g CrCl 3 and was milled at room temperature for 16 hours. The milled material was sieved through a 150 micron sieve and 714 grams (nominal product from two mills) was loaded into a scraper reactor-mixer. The reactor was preheated to 130 ° C and was pumped with TiCl 4 at a rate of 6.5 g / min with stirring. After adding 1541 g of TiCl 4 , the reactor temperature was raised to 160 ° C and held to dry / remove excess TiCl 4 . The intermediate material was cooled and removed from the reactor. Material from 3 similar steps of the same process was fed to a 5 zone Ar gas countercurrent rotary kiln HED reactor with zone temperatures set at 250 ° C. The product {Al + TiCl 3 (AlCl 3 ) x } from the above reaction of
Помимо низкотемпературного восстановления Ti3+ этот результат недвусмысленно показывает, что титановый сплав начинает образовываться при температурах всего лишь 250°C из солевой фазы (посредством одновременной реакции диспропорционирования). Описанные здесь условия реакции не оптимизированы и образовывался широкий диапазон сплавов: α-[Ti], α2-Ti3Al, γ-TiAl, TiAl2, TiAl3, также содержащих Nb и Cr. Эти частицы сплава совместно существуют с солью и частицами непрореагировавшего Al. Полагают, что широкий диапазон фаз сплава обусловлен широким диапазоном солевых композиций/неоднородностью. Этот экспериментальный цикл проводили для того, чтобы доказать легкость восстановления Ti3+ до Ti2+ и доказательства того, что титановый сплав образуется посредством одновременного способа диспропорционирования.In addition to the low temperature reduction of Ti 3+, this result clearly shows that the titanium alloy begins to form at temperatures as low as 250 ° C from the salt phase (through a simultaneous disproportionation reaction). The reaction conditions described here are not optimized and a wide range of alloys was formed: α- [Ti], α2-Ti 3 Al, γ-TiAl, TiAl 2 , TiAl 3 , also containing Nb and Cr. These alloy particles coexist with the salt and unreacted Al particles. It is believed that the wide range of alloy phases is due to the wide range of salt compositions / heterogeneity. This experimental cycle was carried out in order to prove the ease of reduction of Ti 3+ to Ti 2+ and to prove that the titanium alloy is formed by the simultaneous disproportionation process.
В этом описании используются примеры для описания изобретения, включая наилучший режим, а также для того, чтобы обеспечить возможность любому специалисту реализовать изобретение на практике, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Область защиты изобретения определяется формулой изобретения, и она может включать другие возможные воплощения. Такие другие воплощения находятся в области защиты формулы изобретения, если они включают структурные элементы, которые не отличаются от буквальных формулировок формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.Throughout this description, examples are used to describe the invention, including the best mode, and to enable any person skilled in the art to practice the invention, including the manufacture and use of any devices or systems and any methods included. The scope of the invention is defined by the claims and may include other possible embodiments. Such other embodiments are within the scope of the claims if they include structural elements that do not differ from the literal formulations of the claims, or if they include equivalent structural elements that do not substantially differ from the literal claims.
Claims (40)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US201662411205P | 2016-10-21 | 2016-10-21 | |
US62/411,205 | 2016-10-21 | ||
PCT/US2017/057588 WO2018075887A1 (en) | 2016-10-21 | 2017-10-20 | Producing titanium alloy materials through reduction of titanium tetrachloride |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2734225C1 true RU2734225C1 (en) | 2020-10-13 |
Family
ID=60480368
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019111799A RU2734225C1 (en) | 2016-10-21 | 2017-10-20 | Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrachloride |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20190314896A1 (en) |
EP (1) | EP3512973A1 (en) |
CN (1) | CN110199040B (en) |
AU (1) | AU2017345609B2 (en) |
RU (1) | RU2734225C1 (en) |
WO (1) | WO2018075887A1 (en) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110199039B (en) | 2016-10-21 | 2022-10-04 | 通用电气公司 | Titanium alloy material production by reduction of titanium tetrachloride |
RU2714979C1 (en) | 2016-10-21 | 2020-02-21 | Дженерал Электрик Компани | Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrahalides |
CN109022827B (en) * | 2018-07-04 | 2020-10-20 | 南京理工大学 | Method for directly preparing TiAl alloy from titanium ore |
CN112142106B (en) * | 2020-09-29 | 2022-05-24 | 攀钢集团研究院有限公司 | Method for separating titanium tetrachloride from vanadium oxytrichloride crude product |
CN113427016B (en) * | 2021-07-08 | 2024-02-13 | 安徽理工大学 | Device for preparing fine titanium aluminum intermetallic compound powder and production method thereof |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1582683A1 (en) * | 1988-05-10 | 1996-09-10 | Соликамский магниевый завод | Method of titanium alloy producing |
DE102004022578A1 (en) * | 2004-05-07 | 2005-12-01 | Mtu Aero Engines Gmbh | Titanium-aluminum alloy |
WO2007109847A1 (en) * | 2006-03-27 | 2007-10-04 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Apparatus and methods for the production of metal compounds |
WO2009129570A1 (en) * | 2008-04-21 | 2009-10-29 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Method and apparatus for forming titanium-aluminium based alloys |
WO2011072338A1 (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-23 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Method for producing low aluminium titanium-aluminium alloys |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2745735A (en) * | 1953-04-28 | 1956-05-15 | Kaiser Aluminium Chem Corp | Method of producing titanium |
CN101289754A (en) * | 2008-06-04 | 2008-10-22 | 曹大力 | Process for preparing metallic titanium and titanium master alloy |
CN103298742B (en) * | 2010-11-02 | 2016-08-17 | 凯基·霍尔穆斯吉·格哈达 | A kind of technique manufacturing titanium chloride |
-
2017
- 2017-10-20 WO PCT/US2017/057588 patent/WO2018075887A1/en unknown
- 2017-10-20 CN CN201780078870.2A patent/CN110199040B/en active Active
- 2017-10-20 RU RU2019111799A patent/RU2734225C1/en active
- 2017-10-20 EP EP17804985.4A patent/EP3512973A1/en active Pending
- 2017-10-20 US US16/343,435 patent/US20190314896A1/en not_active Abandoned
- 2017-10-20 AU AU2017345609A patent/AU2017345609B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1582683A1 (en) * | 1988-05-10 | 1996-09-10 | Соликамский магниевый завод | Method of titanium alloy producing |
DE102004022578A1 (en) * | 2004-05-07 | 2005-12-01 | Mtu Aero Engines Gmbh | Titanium-aluminum alloy |
WO2007109847A1 (en) * | 2006-03-27 | 2007-10-04 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Apparatus and methods for the production of metal compounds |
WO2009129570A1 (en) * | 2008-04-21 | 2009-10-29 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Method and apparatus for forming titanium-aluminium based alloys |
WO2011072338A1 (en) * | 2009-12-18 | 2011-06-23 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organisation | Method for producing low aluminium titanium-aluminium alloys |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20190314896A1 (en) | 2019-10-17 |
EP3512973A1 (en) | 2019-07-24 |
AU2017345609B2 (en) | 2021-12-09 |
CN110199040A (en) | 2019-09-03 |
CN110199040B (en) | 2022-10-04 |
AU2017345609A1 (en) | 2020-03-12 |
WO2018075887A1 (en) | 2018-04-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2734225C1 (en) | Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrachloride | |
RU2725589C1 (en) | Obtaining titanium alloy materials by reducing titanium tetrachloride | |
RU2714979C1 (en) | Obtaining titanium alloys by reducing titanium tetrahalides | |
AU2017217970B2 (en) | Methods of deoxygenating metals oxygen dissolved therein in a solid solution | |
US8562712B2 (en) | Method and apparatus for the production of metal compounds | |
US20060120943A1 (en) | Method for manufacturing nanophase TiC-based composite powders by metallothermic reduction | |
CN112875704B (en) | Low-temperature preparation method of refractory metal carbide solid solution powder | |
CN1204043C (en) | Synthesis method for powder ceramic complexes of refractory metals | |
Luidold et al. | Production of niobium powder by magnesiothermic reduction of niobium oxides in a cyclone reactor | |
Sarkar et al. | Factors affecting the leaching mechanism of Mg bearing oxide impurities in Hydrogen Assisted Magnesiothermic Reduction (HAMR) of TiO2 | |
CN114538448B (en) | Silicon disulfide and preparation method thereof | |
CN109022827B (en) | Method for directly preparing TiAl alloy from titanium ore | |
AU2004253193B2 (en) | A method and apparatus for the production of metal compounds |