WO2020063247A1 - 制备钛铝合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛冶金领域，具体涉及一种制备钛铝合金的方法。本发明所要解决的技术问题是提供制备钛铝合金的方法，包括以下步骤：a、将TiCl4、AlCl3加入保护气氛下的熔融电解质中；其中，熔融电解质为碱金属氯化物或碱土金属氯化物中的至少一种与碱金属氟化物的混合物；b、对步骤a所得的混合体系进行电解；c、电解结束后，对阴极产物进行真空蒸馏，得到钛铝合金。本发明方法可缩短钛铝合金的制备流程，降低钛铝合金的制造成本，对钛合金发展具有重要现实意义。
Description
本发明属于钛冶金领域，具体涉及一种制备钛铝合金的方法。
随着航空动力装置的更新换代，航空航天发动机内部环境温度逐渐提升，当下成熟应用的镍基合金已经不能满足高温的工作要求，由于钛铝合金具有优异的耐高温、耐腐蚀性，可以代替镍基合金作为航空航天、汽车、精密制造领域的轻质高强度结构零件。钛铝基金属间化合物具有规整的原子排列、较强的金属键、共价键结合力，并且具有质量轻、高温抗氧化性能、抗蠕变性能良好，可以作为耐高温、耐腐蚀特种涂层的原材料，应对各种严苛的使用条件。
目前生产钛铝合金的方法主要有三种：铝粉热还原法、直接合金化法和氧化物电解质脱氧法，其中直接合金化法是工业中生产钛铝合金的主要方法，其制备流程为：合金化、熔炼-凝固、热处理，但该工艺流程长，需多次熔炼以消除合金元素偏析现象，造成钛铝合金制造成本极其昂贵，而其他两种方法则存在杂质元素高技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备钛铝合金的方法。该方法包括以下步骤：
a、将TiCl
4、AlCl
3加入保护气氛下的熔融电解质中；其中，熔融电解质为碱金属氯化物或碱土金属氯化物中的至少一种与碱金属氟化物的混合物；
b、对步骤a所得的混合体系进行电解；
c、电解结束后，对阴极产物进行真空蒸馏，得到钛铝合金。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氯化物为LiCl、NaCl、KCl、RbCl或CsCl中至少一种。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱土金属氯化物为BeCl
2、MgCl
2、CaCl
2、BaCl
2或SrCl
2中至少一种。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氯化物或碱土金属氯化物中的至少一种为NaCl-KCl、LiCl-KCl或CaCl
2-NaCl任意一种。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氟化物为LiF、NaF、KF、RbF或CsF中至少一种。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氟化物为NaF或KF。
进一步的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氟化物添加量为电解质的10～90wt％。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述碱金属氟化物的添加量为TiCl
4和AlCl
3中Ti和Al摩尔总和的6倍以上。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述熔融电解质高于电解质熔点。进一步的，高于电解质熔点50～200℃。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤a中，所述保护气氛为氩气、氦气或氖气中的任意一种。优选保护气氛为氩气。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤b中，所述电解阳极为石墨，阴极为导电金属。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤b中，所述导电金属为不与钛、铝合金化，且其熔点高于电解质熔点的材料。进一步的，所述导电金属为钛铝合金或碳钢。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤b中，所述电解温度高于电解质熔点。进一步的，高于电解质熔点50～200℃。
优选的，上述制备钛铝合金的方法步骤b中，所述电解电压为3.1～3.2V。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤c中，所述蒸馏的温度需高于电解质中熔点最高物质熔点。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤c中，所述真空蒸馏的真空度<0.1Pa。
具体的，上述制备钛铝合金的方法步骤c中，所述真空蒸馏终点为真空中持续稳定5h以上。
本发明由于采用电化学直接还原TiCl
4和AlCl
3制备钛铝合金，相比于传统直接合金化工艺可缩短制备流程和降低钛铝合金的制造成本，而相比于TiO
2和Al
2O
3直接电化学方法则可避免还原不彻底和电能效率低下问题，且该工艺可实现连续稳定运行，具备较好的工业化前景。
本发明提供了一种制备钛铝合金的方法，包括以下步骤：
(1)将TiCl
4和AlCl
3混合物直接通入保护气氛的碱金属或碱土金属氯化物和碱金 属氟化物熔融电解质(熔融电解质温度高于熔点，优选高出50～200℃)体系中；TiCl
4和AlCl
3与熔融电解质中的碱金属氟化物发生式(1)的反应；
TiCl
4/AlCl
3+MF→M
2TiF
6/M
3AlF
6+MCl (1)
(2)以石墨为阳极，导电金属为阴极，实施电解；式(1)反应生成的碱金属氟钛酸盐和碱金属氟铝酸盐在电解过程将发生式(2)的反应；
M
2TiCl
4/M
2AlCl
3+MCl→Ti-Al+Cl
2(g)+MF (2)
(3)电解结束后，将阴极产物转移至真空炉内，控制真空度<0.1Pa的高温下蒸馏除去电解质。
进一步的，TiCl
4和AlCl
3配比根据对钛铝合金需求按摩尔比进行配置即可。
进一步的，碱金属氟化物的添加量保证能够形成氟钛/铝酸盐即可。优选控制碱金属氟化物的添加量为TiCl
4和AlCl
3中Ti和Al摩尔总和的6倍以上。
进一步的，电解温度主要根据电解质熔点确定，不同电解质的熔点不同，对应的电解温度也不同，一般控制电解温度比熔盐熔点高50～200℃即可，若温度过高会使电解质挥发增加，电解质损耗增大。电解采用恒电压进行，电解电压的控制是保证钛和铝同时析出，若电压过低，则只能析出金属钛，若电压过高，则可能析出碱金属或碱土金属，所以优选控制电极电压为3.1～3.2V。
进一步的，由于电解后阴极产物钛铝合金中会夹带大量电解质，其中除了电解质组分外，还有新生成的碱金属氟钛酸盐和碱金属氟铝酸盐，其在水溶液中溶解度较低，故采用蒸馏方式来获得所需的钛铝合金，且碱金属氟钛酸盐和碱金属氟铝酸盐熔点较高，故蒸馏温度需高于其熔点。
本发明方法电解后阴极产物为钛铝合金，阳极为氯气，副产物为碱金属氟化物，故该制备方法实质为直接从TiCl
4和AlCl
3中制备钛铝合金。
实施例1
将一定量等摩尔比NaCl与KCl加入反应容器中，再加NaF(NaF占电解质总量20wt％)于300℃下真空脱水5h，然后在氩气气氛下升温至750℃使电解质熔化，将质量比为4:1的TiCl
4和AlCl
3从加料管缓慢放入熔盐中，TiCl
4和AlCl
3加入量按式(1)化学计量进行，而后以石墨棒为阳极，碳钢棒为阴极，控制电解电压为3.2V实施电解，电解结束后，将阴极产物转移至真空炉内，控制真空度<0.1Pa和温度为1100℃下蒸馏6h，冷却取出，采用ICP分析产物中的Ti和Al含量，分别为82.4wt％和16.6％，约1％ 杂质，主要为产品部分氧化及痕量的金属杂质元素等，与添加时的83.3wt％和16.7％接近，故获得该配比的钛铝合金。
实施例2
将一定量等摩尔比NaCl与CaCl
2加入反应容器中，再加KF(KF占电解质总量30wt％)于300℃下真空脱水5h，然后在氦气气氛下升温至850℃使电解质熔化，将质量比为1:1的TiCl
4和AlCl
3从加料管缓慢放入熔盐中，TiCl
4和AlCl
3加入量按式(1)化学计量进行，而后以石墨棒为阳极，碳钢棒为阴极，控制电解电压为3.1V，阴极和阳极初始电流密度分别为0.2A/cm
2和0.25A/cm
2实施电解，电解结束后，将阴极产物转移至真空炉内，控制真空度<0.1Pa和温度为1300℃下蒸馏6h，冷却取出，采用ICP分析产物中的Ti和Al含量，分别为52.7％wt％和47.0％，约0.3％杂质，主要为产品部分氧化及痕量的金属杂质元素等，与添加时的56.0wt％和44.0％接近，故获得该配比的钛铝合金。
Claims (16)
- 制备钛铝合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：a、将TiCl 4、AlCl 3加入保护气氛下的熔融电解质中；其中，熔融电解质为碱金属氯化物或碱土金属氯化物中的至少一种与碱金属氟化物的混合物；b、对步骤a所得的混合体系进行电解；c、电解结束后，对阴极产物进行真空蒸馏，得到钛铝合金。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氯化物为LiCl、NaCl、KCl、RbCl或CsCl中至少一种；所述碱土金属氯化物为BeCl 2、MgCl 2、CaCl 2、BaCl 2或SrCl 2中至少一种。
- 根据权利要求1或2所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氯化物或碱土金属氯化物中的至少一种为NaCl-KCl、LiCl-KCl或CaCl 2-NaCl任意一种。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氟化物为LiF、NaF、KF、RbF或CsF中至少一种。
- 根据权利要求1或4所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氟化物为NaF或KF。
- 根据权利要求1～5任一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氟化物的添加量为电解质的10～90wt％。
- 根据权利要求1～5任一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述碱金属氟化物的添加量为TiCl 4和AlCl 3中Ti和Al摩尔总和的6倍以上。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述保护气氛为氩气、氦气或氖气中的任意一种。
- 根据权利要求1或8所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤a中，所述保护气氛为氩气。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤b中，所述电解阳极为石墨，阴极为导电金属。
- 根据权利要求10所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤b中，所述导电金属为不与钛、铝合金化，且其熔点高于电解质熔点的材料。
- 根据权利要求10或11所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤 b中，所述导电金属为钛铝合金或碳钢。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤b中，所述电解温度高于电解质熔点。
- 根据权利要求13所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤b中，高于电解质熔点50～200℃。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤b中，所述电解电压为3.1～3.2V。
- 根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：步骤c中，所述蒸馏的温度需高于电解质中熔点最高物质熔点；所述真空蒸馏的真空度<0.1Pa；所述真空蒸馏终点为真空中持续稳定5h以上。
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