專利名稱：生產(chǎn)金屬化合物的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)金屬和金屬化合物的方法和設(shè)備，且具體但并非排他地涉及生產(chǎn)鈦基合金和金屬間化合物的方法和設(shè)備，更具體但并非排他地涉及生產(chǎn)鈦-鋁基合金與金屬間化合物的方法和設(shè)備，且更具體但并非排他地涉及生產(chǎn)粉末形式的鈦-鋁基合金以及金屬間化合物的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
鈦-鋁合金及金屬間化合物(這里通常稱為“鈦-鋁化合物”)是非常有用的材料。然而，這些合金的制備困難并且昂貴，特別是優(yōu)選為粉末形式的合金。這種制備費用限制了這些材料的廣泛應(yīng)用，盡管它們具有適用于汽車、航空航天和其它工業(yè)的非常理想的性能。
鈦礦物在自然界是以非常穩(wěn)定的氧化物(TiO2)的形式存在。鈦的常用生產(chǎn)工藝是Kroll工藝和Hunter工藝。Kroll工藝需要使用鎂作為還原劑還原TiCl4(通過氯化預處理由氧化物制備)以生產(chǎn)Ti金屬。Hunter工藝需要使用鈉作為還原劑。由于TiCl4仍然是熱力學穩(wěn)定的，因此需要高活性的還原劑例如鎂或鈉由TiCl4生產(chǎn)鈦金屬。這種高活性還原劑的控制困難并且昂貴。在Kroll工藝中，由于氯化鎂在最高超過1300K的溫度下穩(wěn)定，通常產(chǎn)物是混有MgCl2以及Mg和TiCl2的殘留物的Ti海綿體。為了獲得純凈的Ti，需要對產(chǎn)物進行大量的后期處理，包括清洗和在真空電弧爐中熔化以便除去所有的雜質(zhì)。這造成了目前鈦生產(chǎn)的高成本。
在鈦合金例如Ti-Al-V，和金屬間化合物例如Ti3Al、TiAl、TiAl3、Ti-Al-(Cr、Nb、Mo等)和基于這些化合物的合金的已知生產(chǎn)技術(shù)中，對包含這些合金的適量的金屬的海綿體、鑄錠或粉末一起研磨或熔化并進行退火，從而增加了生產(chǎn)成本，特別是需要首先得到金屬時會造成相當大的費用，這正如鈦情形中所討論的。生產(chǎn)這些鈦合金及金屬間化合物的粉末，通常需要進一步的處理，使得本已高昂的生產(chǎn)成本進一步增加。
用于生產(chǎn)Ti-Al化合物的現(xiàn)有Al-基工藝包括，從Al粉和Ti粉開始(參考文獻(I.Lu，M.O.Lai and F.H.Froes，Journal of Metals，2002年2月，第62頁)和(N.Bertolino et al.，Intermetallics，2003年，第11卷，第41頁))并使用AlCl還原TiCl4(美國專利申請US2002/0184971 A1)。對于第一種工藝，起始材料是Al粉和Ti粉，通常對該粉末進行機械研磨形成均勻混合物隨后在爐中加熱。得到的材料最好也是固體團塊的形式而且這種方法通常不能制造細粉末。此外，得到的化合物通常需要熱處理以便產(chǎn)生要求的材料性能。對于第二種工藝，在氯的存在下在大約1200℃的溫度下加熱Al金屬以便產(chǎn)生氣態(tài)AlCl，然后在氣相中使AlCl與TiCl4反應(yīng)產(chǎn)生鋁化鈦的粉末。這兩種工藝的操作都相當復雜和昂貴。
人們還知道用鋁直接還原TiCl4。然而，這會導致化合物的組成不可控的生產(chǎn)以及不能實現(xiàn)單相材料如TiAl的生產(chǎn)(具體參見S JGerdemann&D E Alman，page 3341 in Gamma Titanium Alumini 1999，edited by Kim，Dimiduk&Loretto，the Minerals Metals andMaterials Society USA)。
在以往的數(shù)十年里，人們對利用諸如電解冶金、等離子-氫以及鋁熱還原的技術(shù)代替現(xiàn)有的Kroll和Hunter技術(shù)進行了廣泛的嘗試。
由于不利的熱力學特性，使用氫等離子在等離子氣氛下還原氯化鈦是困難的，因為氯優(yōu)先在逆向反應(yīng)中與鈦反應(yīng)產(chǎn)生氯化鈦，因此使產(chǎn)生的Ti粉質(zhì)量下降并且限制了該方法的效率。在美國專利5,935,293公開的方法中，使用快速淬火反應(yīng)器來冷卻等離子體以防止可導致氯化鈦形成的復合過程。根據(jù)美國專利5,935,293中的描述，該方法與現(xiàn)有的Kroll技術(shù)相比能耗極高。
在另一種方法中(G.Z.Chen，D.J.Fray and T.W.Farthing，Nature，第407卷，(2000)，361)，Chen等人通過熔融氯化鈣鹽中的還原直接由氧化物制備海綿鈦。氧化鈦中的氧與碳陽極上重新結(jié)合形成CO2。然而，得到的海綿狀鈦制品的組成與起始材料的組成一致。該方法仍在發(fā)展之中并且尚待工業(yè)規(guī)模的驗證。
使用鋁作為等離子體系中TiCl4的還原劑已進行了嘗試。對于使用鋁還原TiCl4，產(chǎn)物是固相鈦-鋁金屬間化合物的形式，并混有鋁的氯化物和若干殘留二氯化鈦。Murphy和Bing(High Temp.Chem.Processes，Vol.3，365-374，1994)給出了使用鋁的各種嘗試以及該過程熱力學的描述。由于與氣相反應(yīng)相關(guān)的困難，不可能通過氯化鈦的直接鋁熱還原生產(chǎn)鈦和/或鈦-鋁化合物。
發(fā)明概述依照第一方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鈦化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含鈦的低價氯化物的前體材料混合，和加熱該混合物，形成鋁的氯化物和鈦化合物。
當使用術(shù)語鈦的低價氯化物時，它可能指三氯化鈦TiCl3和/或二氯化鈦TiCl2或除TiCl4以外的鈦與氯化物的其它組合，這里TiCl4是指氯化鈦。
當使用術(shù)語鈦化合物時，它可能指鈦合金和/或鈦/金屬的金屬間化合物。在這里所涉及的一個優(yōu)選形式中，該鈦化合物包括鈦-鋁合金和/或鈦-鋁金屬間化合物。
在一個實施方案中，該方法還可以包括調(diào)整反應(yīng)條件以有利于正向反應(yīng)以便形成鋁的氯化物和鈦化合物的步驟。該調(diào)整反應(yīng)條件的步驟可以包括，從鋁與前體材料反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)內(nèi)驅(qū)除鋁的氯化物。在一種形式中，該調(diào)整反應(yīng)條件的步驟可以包括從反應(yīng)區(qū)連續(xù)驅(qū)除鋁的氯化物。
該方法還可以包括，由氯化鈦(TiCl4)制備鈦的低價氯化物前體材料的步驟。在一個實施方案中，通過用鋁還原TiCl4進行制備鈦的低價氯化物的步驟。在一個可選實施方案中，通過在氬-氫混合物的等離子體中加熱TiCl4進行制備鈦的低價氯化物的步驟。在一個實施方案中，通過還原TiCl4制備TiCl3，盡管該反應(yīng)也可能形成二氯化鈦TiCl2。
在另外的實施方案中，該方法還可以包括，對形成的鋁的氯化物的至少一部分進行再次利用的另外的步驟，并利用該鋁的氯化物生產(chǎn)TiCl4?？梢岳迷撲X的氯化物還原氧化鈦生產(chǎn)TiCl4。
在所述方法的任一實施方案中，可以通過氧化鈦的還原生產(chǎn)氧化鋁并對該氧化鋁進行電解生產(chǎn)可用于所述方法的步驟中的鋁原料。
在該方法的一個實施方案中，在低于反應(yīng)區(qū)溫度的一定溫度下，將鋁的氯化物從反應(yīng)區(qū)內(nèi)凝結(jié)除去。在該方法的一個實施方案中，如果鈦的低價氯化物從反應(yīng)區(qū)逸出它可以在不同于反應(yīng)區(qū)溫度的溫度下凝結(jié)。而且，可選地將凝結(jié)的鈦的低價氯化物返回到反應(yīng)區(qū)。
在該方法的一種形式中，該前體材料可以包含釩的低價氯化物，并且所述方法的產(chǎn)物可以是包含鈦、鋁和釩的合金或金屬間化合物。該方法還可以包括，以適當比例混合前體材料的步驟并進行該方法以便生產(chǎn)Ti-6Al-4V。
在本方法的另一種形式中，該前體材料可以包含鋯的低價氯化物，并且該方法的產(chǎn)物可以是包含鈦、鋁、鋯和釩的合金或金屬間化合物。
在該方法的一種形式中，該前體材料可以包含鹵化鈮和鹵化鉻，并且所述方法的產(chǎn)物可以是包含鈦、鋁、鈮和鉻的合金或金屬間化合物。該方法還可以包括，以適當比例混合前體材料的步驟，并進行該方法以便生產(chǎn)Ti-48Al-2Nb-2Cr。
在該方法的另一個實施方案中，該前體材料可以包含選自包含鉻(Cr)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)、硅(Si)、硼(B)、鉬(Mo)、鉭(Ta)和碳(C)的組的一種或多種元素的源，并且所述方法的產(chǎn)物可以包括含一種或多種這些元素的鈦-鋁化合物。該元素的源可以是金屬鹵化物，低價鹵化物，純元素或包含該元素的其它化合物。該產(chǎn)物還可以包含金屬間化合物，鈦-(所選元素)-合金，和中間化合物的一種或多種。
在又一個實施方案中，該前體材料可以包括其它金屬和/或金屬鹵化物，并且所述方法的產(chǎn)物可以包含鈦合金或金屬間化合物。例如，該前體材料可以包含釩的低價氯化物，如三氯化釩和/或二氯化釩，并且該產(chǎn)物可以包含鈦-鋁-釩合金，金屬間化合物，和鈦-釩合金與金屬間化合物的組合中的一種或多種。根據(jù)需要的終產(chǎn)物，該前體材料還可以包括含需要合金添加劑的其它前體的源。
在該方法的一種形式中，可以加入近似上限顆粒尺寸小于約50微米的粉末形式的鋁。在該方法的另一可選形式中，該鋁可以是近似上限顆粒尺寸大于約50微米的粉末形式，并且該方法包括對鋁粉和鈦的低價氯化物進行研磨的步驟以便至少在一個尺度上減小該鋁粉的顆粒尺寸。在該方法的又一可選形式中，該鋁可以是一個尺度上厚度小于約50微米的薄片的形式。優(yōu)選使用細的鋁粉，盡管相對較粗的鋁粉或薄片是更廉價的原材料。
在任一所述的實施方案中，該方法還可以包括，向該方法的產(chǎn)物添加試劑以便產(chǎn)生其它產(chǎn)物的另外步驟。
在任一所述的實施方案中，該方法還可以包括，形成鈦的低價氯化物作為前體材料的預處理步驟。
本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，使用包含鈦的低價氯化物(優(yōu)選三氯化鈦)的前體材料可以提供許多優(yōu)點。不存在以四氯化鈦作為前體開始所涉及的不同、不可控物相的問題。終產(chǎn)物的組成相對可控并且取決于起始材料的比例。在前體材料中混入恰當比例的起始材料，以便在產(chǎn)物中產(chǎn)生適當?shù)某煞直壤?br> 本發(fā)明者認為，該新方法可以提供更廉價和更可控的生產(chǎn)鈦-鋁化合物的方法。無需如上文所討論的現(xiàn)有技術(shù)方法中的一些方法那樣將原料鈦礦物轉(zhuǎn)變鈦金屬。在本方法的一個實施方案中，可以利用常規(guī)技術(shù)將氧化鈦氯化以便提供四氯化鈦。然后可以使用鋁或氫將其還原以便提供鈦的低價氯化物(主要是三氯化鈦)，然后可以使用該鈦的低價氯化物作為形成鈦-鋁化合物的前體材料。
可以利用該方法形成Ti-6Al-4V，這是所用的一種主要鈦合金。也可以形成Ti-48Al-2Nb-2Cr。還可以形成其它合金例如Ti-Al-Nb-C，和Ti3Al基合金。
依照本發(fā)明所述實施方案的方法的優(yōu)點在于，直接生產(chǎn)合金粉末，無需進一步的物理加工。
依照第二個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鈦-鋁化合物的方法，該方法包括如下步驟-在氬-氫混合物的等離子體中加熱TiCl4前體材料以便產(chǎn)生TiCl3；-將鋁與所述TiCl3混合；和-加熱所得混合物以便產(chǎn)生鈦-鋁化合物和AlCl3。
依照第三個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鈦-鋁化合物的方法，該方法包括如下步驟-加熱TiCl4和鋁的混合物以便形成TiCl3和AlCl3；-將該混合物加熱到高于300℃的反應(yīng)區(qū)溫度并使AlCl3從反應(yīng)區(qū)蒸發(fā)；-向混合物中加入另外的鋁；和-將該混合物加熱到高于400℃的溫度以便形成AlCl3和鈦-鋁化合物。
依照第四個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)金屬化合物的設(shè)備，該設(shè)備包括-設(shè)置用于將鋁和金屬鹵化物前體材料混合的反應(yīng)容器；-設(shè)置同樣用于將所得混合物加熱到足以使前體材料與鋁反應(yīng)的溫度以便形成鋁的鹵化物和產(chǎn)物的該容器；和-設(shè)置用于在一定溫度下工作的第一個凝結(jié)區(qū)，以便使鋁的鹵化物可以在該第一個凝結(jié)區(qū)中凝結(jié)。
在一種形式中，該設(shè)備還可以包括第二個凝結(jié)區(qū)，該區(qū)域用于使從反應(yīng)混合物中逸出的金屬鹵化物凝結(jié)?？梢栽O(shè)置第二個凝結(jié)區(qū)將凝結(jié)的金屬鹵化物返回到反應(yīng)區(qū)。
在一個實施方案中，該反應(yīng)區(qū)在溫度T1下工作并且第一個凝結(jié)區(qū)處在低于溫度T1的溫度T2。在一種形式中，第二個凝結(jié)區(qū)在溫度T3下工作，T3介于T1和T2之間。
在一個實施例中，該前體材料可以是包含鈦作為組分的材料，例如三氯化鈦和/或二氯化鈦。當前體材料包含三氯化鈦以及其中該設(shè)備包含在溫度T2下工作的第一個凝結(jié)區(qū)時，T2優(yōu)選低于200℃，在這里將從反應(yīng)區(qū)逸出的氣態(tài)三氯化鋁凝結(jié)。
當該設(shè)備包含第二個凝結(jié)區(qū)時，T3低于500℃并且在第二個凝結(jié)區(qū)中將從反應(yīng)區(qū)中逸出的三氯化鈦再次凝結(jié)。在一個實施方案中，第二個凝結(jié)區(qū)位于反應(yīng)區(qū)和第一個凝結(jié)區(qū)之間。
該設(shè)備典型包含用于加熱前體材料的加熱配置。在一些實施方案中，為其它氣體的引入提供開口。還可以提供開口以便將該容器抽至低壓。在又一個實施方案中，該反應(yīng)容器可以是許多分立容器，每個容器提供不同的反應(yīng)區(qū)或凝結(jié)區(qū)。
優(yōu)選地，本發(fā)明這個方面的設(shè)備適用于實現(xiàn)任一前述方法或這里所述的本發(fā)明的下列方面。
依照第五個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)金屬化合物的方法，該方法包括下列步驟-將鋁與金屬鹵化物的前體材料混合；-將該混合物加熱到足以使前體材料與鋁反應(yīng)的溫度，導致鋁的鹵化物的形成；和-設(shè)置條件以便有利于形成鋁的鹵化物的正向反應(yīng)并降低形成鋁和前體材料的逆向反應(yīng)。
在一種形式中，設(shè)置反應(yīng)條件的步驟可以包括，從鋁與前體材料反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)中驅(qū)除鋁的鹵化物的步驟。連續(xù)驅(qū)除鋁的鹵化物可促進正向反應(yīng)。
在一個實施方案中，該金屬鹵化物可以是鈦的低價鹵化物例如三氯化鈦，并且該反應(yīng)的產(chǎn)物可以包含鈦化合物。在該方法的又一個實施方案中，該前體材料可以包含一種或多種選自包括鉻(Cr)、鈮(Nb)、釩(V)、鋯(Zr)、硅(Si)、硼(B)、鉬(Mo)、鉭(Ta)和碳(C)的組的元素的源。
依照第六個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)釩和/或釩化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含釩的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該該混合物，以便形成鋁的鹵化物以及釩和/或釩化合物。
該釩化合物可以包括釩-鋁合金和/或釩-鋁金屬間化合物。
依照第七個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鋯和/或鋯化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含鋯的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該混合物，以便形成鋁的鹵化物以及鋯和/或鋯化合物。
該鋯化合物可以包括鋯-鋁合金和/或鋯-鋁金屬間化合物。
依照第八個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鈦和/或鈦化合物的方法，該方法的步驟包括，將還原劑與包含鈦的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該混合物，以便形成該還原劑的鹵化物以及鈦和/或鈦化合物。該還原劑可以選自包括鋅、鎂、鈉、鋁或其它類似金屬的組。
依照第九個方面，本發(fā)明提供了生產(chǎn)鈦-鋁金屬間化合物的粉末和生產(chǎn)基于依照第一方面的鈦-鋁金屬間化合物的合金的方法，該鈦鋁金屬間化合物粉末包含Ti3Al、TiAl和TiAl3中的至少一種，其中該方法的起始材料包括鋁粉以及氯化鈦或鈦的低價氯化物中的至少一種。
附圖簡述參照附圖根據(jù)下列實施方案的描述，本發(fā)明的特點和優(yōu)點將變得顯而易見，其中

圖1顯示了AlCl3(g)，TiCl3和TiCl3+Ti-Al形成的Gibbs能；圖2顯示了導致Ti金屬基化合物形成的反應(yīng)的總Gibbs自由能；圖3說明了300K至5000K溫度下TiCl4-氫等離子體的平衡組成；圖4是用于實施依照本發(fā)明實施方案的方法的設(shè)備的示意圖；圖5是用于實施依照本發(fā)明實施方案的方法的設(shè)備的另一個實施方案的示意圖；圖6是說明依照本發(fā)明實施方案的鈦基化合物的生產(chǎn)工藝的示意圖；圖7說明了導致四氯化鈦形成的半反應(yīng)的Gibbs自由能；圖8是說明依照本發(fā)明另一個實施方案的鈦基化合物的生產(chǎn)工藝的示意圖。
圖9是本發(fā)明實施方案生產(chǎn)的Ti-6Al-4V粉末的XRD圖譜；和圖10是本發(fā)明實施方案生產(chǎn)γ-TiAl化合物的XRD圖譜。
優(yōu)選實施方案詳述下列描述是生產(chǎn)金屬化合物，包括具有特定組成的細粉末和鑄錠的方法的優(yōu)選實施方案。該方法適用于生產(chǎn)金屬例如鈦、釩和鋯以及具有可控量鋁的這些金屬的合金與金屬間化合物的形式。
例如，可以通過改變鋁含量精確制造Ti-Al、Ti3Al，TiAl3，Ti-Al-Cr和Ti-V-Al。通過最終制品的要求組成確定鈦的氯化物和鋁的相對量。在一個實施方案中，該方法的步驟包括制備固態(tài)金屬鹵化物，將鹵化物與鋁金屬混合然后將該混合物加熱到溫度T1以便引發(fā)反應(yīng)導致在高于鋁的氯化物沸點的溫度(T1)下形成鋁的氯化物，和在溫度T2下將從反應(yīng)區(qū)選出的鋁的氯化物凝結(jié)，其中T2小于T1。從反應(yīng)區(qū)驅(qū)除鋁的氯化物可以使反應(yīng)平衡向正向移動，即形成鋁的氯化物和金屬(和其它產(chǎn)物，取決于反應(yīng)條件和成分)。
對于鈦化合物，可以由TiCl4的前體材料生產(chǎn)鈦的低價氯化物(優(yōu)選三氯化鈦)。將TiCl3與鋁混合然后加熱到300℃以上的溫度以便在氣相中形成AlCl3并在低于200℃的溫度從反應(yīng)區(qū)凝結(jié)除去AlCl3，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)留下包含一定百分比鋁的Ti粉，正如終產(chǎn)物所需要的。
在一個實施方案中，該方法的步驟包括，在氬-氫混合物的等離子體中加熱TiCl4以便產(chǎn)生TiCl3，然后將得到的TiCl3粉末與鋁混合然后加熱該混合物以便引發(fā)反應(yīng)。設(shè)置反應(yīng)容器，使得可以連續(xù)除去鋁的氯化物并使其在一個遠離鈦的氯化物和鋁混合物的反應(yīng)區(qū)的區(qū)域中凝結(jié)。在惰性氣體或真空中將粉末或團塊形式(但優(yōu)選粉末形式)的TiCl3和鋁混合在一起。然后將該混合物加熱到數(shù)百度的溫度以便引發(fā)兩種化合物之間的反應(yīng)，導致AlCl3(g)的形成。這時AlCl3在容器中溫度低于200℃的其它地方凝結(jié)。
在又一個實施方案中，該方法的步驟包括，加熱預定量的TiCl4和鋁以便形成TiCl3和AlCl3，將該產(chǎn)物混合物加熱到300℃以上的溫度并使AlCl3從反應(yīng)區(qū)中蒸發(fā)。從反應(yīng)區(qū)中除去AlCl3并使其在200℃以下的溫度從反應(yīng)區(qū)中凝結(jié)除去。然后根據(jù)需要的組成，向產(chǎn)物中加入一定量的其它鋁材料，然后在相同的物理條件下將該混合物加熱到300℃以上的溫度以便引發(fā)化學反應(yīng)導致AlCl3(g)的形成，同時使AlCl3在容器中溫度低于200℃的其它地方凝結(jié)。
鈦的低價氯化物TiCl3和Al之間的總反應(yīng)是下列形式(1)其中Al以固相或液相存在。
Ti和Al的存在可導致形成Ti-Al金屬間化合物，例如TiAl3(s)，TiAl(s)和Ti3Al(s)。這時TiCl3可能按下列簡化的反應(yīng)與鋁反應(yīng)(2)(3)(4)通過從反應(yīng)區(qū)內(nèi)連續(xù)除去AlCl3沿正向驅(qū)動反應(yīng)1-4。結(jié)果，平衡向右移動從而反應(yīng)進行直至完成。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，在一個大氣壓的氬氣氣氛中該反應(yīng)在略高于200℃的溫度下緩慢進行。如圖1和圖2所示，在高于500℃的溫度下由于總反應(yīng)的Gibbs自由能變?yōu)樨?，該反?yīng)變得非?？焖?。圖1顯示了AlCl3，TiCl3和TiCl3+Ti-Al的Gibbs能。圖2顯示了導致固態(tài)Ti形成的反應(yīng)1-4的總Gibbs自由能。
由于鈦和鋁之間強的親和性，Al和Ti的存在可以導致形成鈦-鋁合金和/或金屬間化合物TixAly。對于這些化合物，Gibbs生成能ΔGf通常小于32kJ·mole-1，鋁的濃度最高為合金的80％(R.G.Reddy et al.J.Alloys and Compounds，第321卷(2001)223)。
圖2顯示了由TiCl3和Al開始，形成AlCl3(g)和Ti(s)的反應(yīng)的總Gibbs能隨溫度的變化。圖2中還顯示了由TiCl3和Ti-Al化合物開始，形成Ti(s)和AlCl3(g)的反應(yīng)的總Gibbs能。認為Ti-Al的總Gibbs自由能是-32kJ·mole-1。
通常認為反應(yīng)總Gibbs能為負值時化學反應(yīng)進行快速。從圖2中可以看出高于800K(525℃)溫度下反應(yīng)1的ΔG為負值。這與一個大氣壓的氬氣氣氛和500℃溫度下TiCl3與Al之間快速反應(yīng)的實驗觀察結(jié)果非常符合。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)當混合物TiCl3-Al的溫度提高到300℃以上時，從反應(yīng)區(qū)出現(xiàn)白色鹽霧并移向容器的冷區(qū)域，在這里白煙凝結(jié)形成固態(tài)AlCl3。在高于500℃的溫度下，反應(yīng)幾乎自發(fā)發(fā)生，這與圖2所顯示的結(jié)果相符。對涉及Ti-Al化合物的反應(yīng)，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)在一個大氣壓的氬中，形成Ti(s)和TixAly(反應(yīng)2，3和4)的反應(yīng)似乎在850℃以上的溫度下進行快速。
加熱過程中鈦的氯化物可以從反應(yīng)區(qū)中逸出或歧化。加熱過程中可能蒸發(fā)的氣態(tài)TiCl3更容易與Al反應(yīng)并進一步增加Ti化合物的形成。對于比率[Al]/[TiCl3]＞1的TiCl3和Al粉的混合物，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)只有小于幾個百分比的少量TiCl3從反應(yīng)區(qū)逸出，然后在約500K的溫度下在容器的區(qū)域中再次凝結(jié)并將其送回反應(yīng)區(qū)，或者進行收集以備再處理。由于歧化產(chǎn)生的TiCl2與Al化合物的反應(yīng)快于TiCl3并且可增強反應(yīng)，導致形成Ti化合物。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)沒有TiCl4選出引起主要損失的證據(jù)。本發(fā)明者進行的實驗觀察表明，對于具有高鋁含量的鈦的生產(chǎn)，歧化反應(yīng)對該方法的效率影響很小或沒有顯著影響，因為原料中的大部分Ti都可以被利用(account for)。對于具有低鋁含量的鈦的生產(chǎn)，使用的鋁的起始量小于需要從TiCl3材料中除去所有氯的化學計量?？捎玫匿X耗盡后殘留的過量鈦的氯化物將從產(chǎn)物中蒸發(fā)并在其它地方凝結(jié)以備再處理。
可以使用氫等離子體途徑或通過用鋁還原由TiCl4生產(chǎn)TiCl3。在氫等離子體中生產(chǎn)TiCl3即Huel方法已經(jīng)在工業(yè)中使用了數(shù)十年。圖3顯示了300K至5000K的溫度下TiCl4-氫等離子體的組成。可以看出通過在等離子體中使TiCl4與氫反應(yīng)可以將其轉(zhuǎn)變成固態(tài)的TiCl3。還可以看出該轉(zhuǎn)變率幾乎為100％。由于下面的產(chǎn)生TiCl3的總反應(yīng)，因此合成固態(tài)TiCl3的能耗非常低ΔH＝50KJ/mole對于用鋁還原TiCl4，通常在包含適量TiCl4和Al的密閉容器中在高于200℃的溫度下進行該工藝，導致形成TiCl3和AlCl3的混合物。通過在高于200℃的溫度下進行蒸餾并使AlCl3在其它地方凝結(jié)可以從該混合物得到純凈TiCl3。
對于這里所公開的方法，鈦-鋁化合物的生產(chǎn)包括，將鈦的低價氯化物優(yōu)選TiCl3與鋁以粉末形式混合，將該材料置于真空或惰性氣氛的容器中，然后加熱該混合物。對于流動惰性氣體或真空下的處理，將上述反應(yīng)形成的AlCl3送到該容器溫度低于200℃的其它部分。這可以有利于形成鋁的鹵化物的正向反應(yīng)。加熱持續(xù)進行直到反應(yīng)完成，或者直到可用的鈦的低價氯化物和/或鋁完全耗盡。
圖4顯示了用于制備具有不同Al含量和組成的Ti-Al化合物的簡單系統(tǒng)。對于這種布局，將TiCl3和Al的混合物(1)放入容器(2)然后加熱到300℃以上的溫度(典型最高至大約1000℃的溫度，取決于該混合物的組成)。容器(2)中TiCl3和Al之間的反應(yīng)導致氣態(tài)AlCl3的形成。引入容器(2)的氬氣流(10)攜帶氣態(tài)AlCl3以及可能從反應(yīng)區(qū)逸出的任何鈦的氯化物并將使它們通過溫度保持在300℃至500℃的第二個容器(3)，以便使TiCl3再次凝結(jié)同時AlCl3保持為氣相?；蛘?，如果容器(2)的上壁保持合適的溫度，TiCl3可以在其上壁再次凝結(jié)。使殘留的AlCl3以及由于歧化可能在反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成的任何TiCl4通過容器(4)，該容器的溫度高于136℃但低于200℃，以便使AlCl3再次凝結(jié)，然后將殘留的TiCl4送入保持在室溫的容器(5)。將殘留的氬氣排出該系統(tǒng)或者進行回收。
容器中的氣氛典型為惰性氣體，例如氬，氦，氖，氙?；钚詺怏w如甲烷或氧氣是不需要的，因為它們可能與混合物發(fā)生化學反應(yīng)生成其它產(chǎn)物。應(yīng)注意的是，還可以在無氣體氣氛(例如真空)下進行該反應(yīng)。
將TiCl3和鋁粉引入上述容器然后進行加熱直到反應(yīng)完全，其中該鋁粉相對于TiCl3的相對質(zhì)量取決于需要產(chǎn)物的組成。
對于上述的這些方法，產(chǎn)物典型為細粉末的形式?？梢栽诜磻?yīng)區(qū)內(nèi)的化學反應(yīng)完成時從容器中排出該粉末以便進行進一步的處理。或者，可以原位進一步處理該粉末以便生產(chǎn)其它材料?；蛘?，可以原位加熱該粉末以便制造粗顆粒粉末。在另一個實施方案中，可以原位壓制和/或該粉末然后將其熔化以便制造鑄錠。
生產(chǎn)粉末形式的鈦-鋁化合物是非常有利的。如序言中所述，這是現(xiàn)有技術(shù)方法所不能直接實現(xiàn)的。該粉末形式在生產(chǎn)鈦鋁合金制品中更為通用，例如可在航空工業(yè)中使用的成型風扇葉片。
在一個實施方案中，在這些方法中與鈦的低價氯化物混合的鋁是細粉末形式，該粉末通常具有小于50微米直徑的近似最大顆粒尺寸。細鋁粉的直徑通常小于50微米。使用細鋁粉的問題是，它的生產(chǎn)相當昂貴因此會增加該方法的成本，然而本發(fā)明者仍然認為該成本仍將遠小于現(xiàn)有技術(shù)的方法。
在另一可選實施方案中，使用粗鋁粉，該粉末具有大于50微米直徑的近似最大顆粒尺寸。將該粗鋁粉加入鈦的低價氯化物中并對該混合物進行機械研磨以便至少在一個尺度上減小該鋁粉的尺寸。這可能導致鋁“薄片”的產(chǎn)生，該薄片在至少一個尺度上具有小于50微米的尺寸并且該尺寸足以促進鈦的低價氯化物和鋁之間的良好反應(yīng)。薄片可提供更高的反應(yīng)表面積而且薄片的小厚度可以產(chǎn)生更均勻的產(chǎn)物組成。
在又一可選實施方案中，可以獲得薄片形式(即已經(jīng)預先研磨)的鋁原料然后在反應(yīng)開始之前將其與鈦的低價氯化物混合。
圖5說明了可用于制備依照本發(fā)明的鈦-鋁化合物的設(shè)備的另一個實施方案。這種情形中的設(shè)備是具有相對長(高)的側(cè)壁(20)的簡單容器(60)。側(cè)壁(20)的上部(40)構(gòu)成溫度為T2的第一個凝結(jié)區(qū)用于凝結(jié)AlCl3。側(cè)壁(20)的中部(50)構(gòu)成溫度為T3的第二個凝結(jié)區(qū)用于凝結(jié)TiCl3。在容器(60)的底部形成鈦-鋁化合物(11)。
影響反應(yīng)區(qū)中的反應(yīng)的參數(shù)包括，反應(yīng)容器中的壓力，反應(yīng)區(qū)的溫度和Al粉的顆粒尺寸。本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)，對于低壓下的操作，需要較低的溫度以便驅(qū)動反應(yīng)，因為AlCl3從反應(yīng)區(qū)的去除較快并且TiCl3物質(zhì)變得更易揮發(fā)和更有活性，因此用鋁引發(fā)反應(yīng)。然而，這同時會導致較低的產(chǎn)率，逸出若干揮發(fā)性鈦的氯化物，并且由于歧化可能產(chǎn)生兩個物相。
同時，本發(fā)明者發(fā)現(xiàn)TiCl3和Al之間的反應(yīng)強烈依賴于Al粉的顆粒尺寸。對于較小的顆粒反應(yīng)快很多同時產(chǎn)率更高。極細的鋁粉可導致形成具有極細顆粒的Ti-Al化合物產(chǎn)物，該顆粒具有不規(guī)則的形狀。本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)使用較廉價，較不很細的粉末，鈦鋁化合物的生產(chǎn)率仍令人滿意的高并且得到的顆粒尺寸同使用較細鋁粉得到的顆粒尺寸相當。
如上文所述，也可以使用相對粗的鈦粉，并且可以對混合物進行研磨產(chǎn)生薄片，或者可以提供薄片形式的鋁起始材料。
如上文所述，可以使用TiCl4來生產(chǎn)鈦的低價氯化物，該鈦的低價氯化物可用作鈦-鋁化合物生產(chǎn)的前體材料。因此，可以使用四氯化鈦作為原料。由鈦礦物(氧化鈦)生產(chǎn)TiCl4是眾所周知的方法，該方法通?？勺鳛橥ㄟ^例如Kroll和Hunter工藝制備Ti金屬的預先步驟。依照本發(fā)明的方法也可以使用TiCl4作為原料。然而，是將TiCl4還原以便生產(chǎn)前體材料TiCl3，而不是由TiCl4直接制備金屬。如上文所簡要說明，該實施方案利用兩種方法生產(chǎn)TiCl3使用鋁還原TiCl4向惰性氣氛(例如氬)的密閉容器中引入適量TiCl4和金屬鋁(粗或細粉末)。然后將該容器加熱到200℃以上的溫度以便形成TiCl3和AlCl3的混合物。然后如上文所述通過蒸餾從混合物中提取出TiCl3粉。然后將該TiCl3粉與更多的鋁混合(如果需要)并利用例如上文關(guān)于圖4所述的設(shè)備進行處理。
使用氫還原TiCl4可將TiCl4送入使用氬氣和氫氣工作的等離子處理單元以便產(chǎn)生TiCl3。從等離子處理系統(tǒng)引出的產(chǎn)物可以通過過濾器以便從氣流中分離TiCl3然后可以將得到的TiCl3粉末送入處理室，在這里根據(jù)終產(chǎn)物組成的要求將該粉末與適量的鋁混合。然后利用例如上文關(guān)于圖4或圖5所述的設(shè)備處理該混合物。反應(yīng)完成時，從用于生產(chǎn)的反應(yīng)容器中將材料排出?；蛘撸梢允狗勰┰还探Y(jié)然后進行熔化以便生產(chǎn)鑄錠。該等離子體系中的氣體可以在分離和清潔后重復利用。
在上述的方法中，除鋁和鈦的低價氯化物之外可以包含其它前體材料以便獲得需要組成的產(chǎn)物。例如，前體材料可以包含釩的低氯化物，如三氯化釩和/或二氯化釩，而且該產(chǎn)物可以包含鈦-鋁-釩化合物。該前體材料可以包含鹵化鉻而且該產(chǎn)物可以包含鈦-鋁-鉻化合物?？梢约尤臌u化鈮作為起始材料以便生產(chǎn)鈦-鋁-鈮-鉻化合物。該前體材料還可以包含一種或多種下列元素的鹵化物，例如鉻、鈮、釩、鋯、硅、硼、鉬和碳。
圖6是依照本發(fā)明一個實施方案，從四氯化鈦起始材料生產(chǎn)鈦-鋁化合物粉末的生產(chǎn)工藝的原理圖。該方法公開了如何再次利用三氯化鋁來生產(chǎn)原料。
如上文所述，使用氫還原TiCl4產(chǎn)生TiCl3(步驟1)。然后將TiCl3與鋁粉混合并加入需要的任何其它前體(步驟2)，然后在最高1000℃的溫度下(溫度將取決于該前體混合物以及需要的產(chǎn)物)對該混合物進行處理。將選出的任何三氯化鈦返回到反應(yīng)混合物(步驟4)并且將逸出的任何四氯化鈦返回到工藝(步驟5)以便生產(chǎn)三氯化鈦(步驟1)。通過步驟3的處理，同時獲得鋁粉產(chǎn)物(步驟6)。
可以將作為副產(chǎn)物產(chǎn)生的任何三氯化鋁(步驟7)用于其它用途。例如可以對這種副產(chǎn)物進行電解以便生產(chǎn)鋁和氯(該鋁可以送回至步驟2)。有利的是，依照本發(fā)明的一個實施方案，通過使AlCl3與鈦礦石反應(yīng)(金紅石或氧化鈦，步驟8；生產(chǎn)四氯化鈦，步驟9；和氧化鋁，步驟10)，可以重復利用該三氯化鋁來生產(chǎn)四鋁化鈦。通過這種方法生產(chǎn)的氧化鋁可以出售或者進行電解來生產(chǎn)可以加入該方法的前體材料中的鋁原料。
圖7顯示了產(chǎn)生氧化鋁和四氯化鈦的半反應(yīng)的Gibbs自由能。在高于300K的所有溫度下，引起四氯化鈦形成的反應(yīng)的總Gibbs自由能為負值，表明該反應(yīng)是放熱反應(yīng)。
圖8是生產(chǎn)鈦鋁化合物粉末的另一個生產(chǎn)工藝的原理圖，該工藝包括用鋁還原四氯化鈦以便獲得需要的三氯化鈦前體材料的步驟。除用鋁還原四氯化鈦的步驟1A之外，圖8生產(chǎn)工藝中的所有其它工藝步驟與圖6中所述的工藝相同。應(yīng)注意的是，步驟1A還可以產(chǎn)生一些三氯化鋁副產(chǎn)物，可以通過步驟7回收該副產(chǎn)物。
下列是制備依照本發(fā)明一個實施方案的鈦鋁化合物的實施例。
實施例1Ti-6Al-4V通過用Al粉還原TiCl4制備TiCl3。起始材料是10g TiCl3+1g Al粉(顆粒尺寸＜15微米)+300mg VCl3。將這些材料徹底混合在一起然后引入Ta坩堝中并在石英管中于流動氬氣下(100cc/分鐘)加熱。將溫度經(jīng)過30分鐘提高到1000℃然后保持1小時。坩堝中剩下的物質(zhì)是1.65g金屬粉。在蒸餾水中清洗該粉末以便除去任何殘留氯(ppm等級)，然后在氬氣下干燥。該粉末的XRD分析(圖9)顯示可以指示Ti-6Al-4V組成的峰。該粉末的EDX分析顯示重量百分比組成為Ti90.1％；Al5.8％；V4.1％。應(yīng)注意的是，氯和氧的水平或者為零或者低于儀器的檢測極限。
實施例2γ-鋁化鈦將10g TiCl3與3.5g Al粉(顆粒尺寸＜15微米)混合。將該混合物引入Ta坩堝中并在石英管中于流動氬氣下(100cc/分鐘)加熱。將溫度經(jīng)過30分鐘提高到1000℃然后保持1小時。然后使坩堝冷卻并打開。坩堝中剩下的物質(zhì)由4.72g灰色金屬粉組成。在蒸餾水中清洗該粉末然后在氬氣下干燥。XRD分析(圖10)與γ-TiAl的組成一致。該粉末的EDX分析顯示組成為49.4％(原子)的Ti和50.6％(原子)的Al。
實施例3Ti-48Al-2Cr-2Nb將10g TiCl3，3.52g Al粉，0.34gCrCl2和0.78gNbCl5充分混合然后放入石英管內(nèi)的Ta坩堝中然后在流動氬氣下(100cc/分鐘)加熱。將溫度經(jīng)過30分鐘提高到1000℃然后在1000℃下保持1小時。坩堝中剩下4.4g金屬粉。該粉末的EDX分析顯示組成為Ti-47Al-2.3Cr-2.3Nb(原子百分比)。
這里所述的方法還可以用于生產(chǎn)金屬和金屬合金，通過混合金屬鹵化物或金屬鹵化物的混合物(氯化物，溴化物，碘化物和氟化物)然后進行上述TiCl4的工藝。例如，可以分別使用與上文所述的Ti和Ti合金相同的流程生產(chǎn)鋯和鋯合金。對于鋯基產(chǎn)物，起始材料是氯化鋯?？梢岳帽竟に嚿a(chǎn)的其它金屬的實例包括釩以及它的合金和金屬間化合物?？梢栽诙啻?extensive)重復使用氯化鈦之后通過上述工藝生產(chǎn)金屬鈦?？梢陨a(chǎn)的鈦金屬間化合物包括Ti3Al、TiAl和TiAl3。在又一個實施方案中，除鋁之外可以同金屬低價鹵化物一起使用生產(chǎn)金屬化合物的其它還原劑可能包括鋅、鎂、鈉、鋁或其它類似金屬。
如上文關(guān)于鈦所述，本方法可以用于生產(chǎn)組成不同的具有可控顆粒尺寸的粉末，其中包括純金屬的化合物，元素如釩和鋯的氧化物，氮化物。
對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的修改和變化認為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.生產(chǎn)鈦化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含鈦的低價氯化物的前體材料混合，和加熱該混合物，以便形成鋁的氯化物和鈦化合物。
2.依照權(quán)利要求1的方法，該方法包括設(shè)置反應(yīng)條件以有利于正向反應(yīng)以便形成鋁的氯化物和鈦化合物的步驟。
3.依照權(quán)利要求2的方法，其中該設(shè)置反應(yīng)條件的步驟包括從鋁與前體材料反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)驅(qū)除鋁的氯化物。
4.依照權(quán)利要求3的方法，其中該設(shè)置反應(yīng)條件的步驟包括從反應(yīng)區(qū)連續(xù)去除鋁的氯化物。
5.依照前述權(quán)利要求任何一個的方法，該方法包括由氯化鈦(TiCl4)制備鈦的低價氯化物前體材料的步驟。
6.依照權(quán)利要求5的方法，該方法包括用鋁還原TiCl4制備鈦的低價氯化物的步驟。
7.依照權(quán)利要求5的方法，其中通過在氬-氫混合物的等離子體中加熱TiCl4進行制備鈦的低價氯化物的步驟。
8.依照權(quán)利要求6或權(quán)利要求7的方法，該方法包括對形成的鋁的氯化物的至少一部分進行再次利用的另外步驟，并利用該鋁的氯化物生產(chǎn)TiCl4。
9.依照權(quán)利要求8的方法，其中使用該鋁的氯化物還原氧化鈦來生產(chǎn)TiCl4。
10.依照權(quán)利要求9的方法，其中通過氧化鈦的還原生產(chǎn)氧化鋁并對該氧化鋁進行電解來生產(chǎn)任一前述權(quán)利要求的方法中所用的鋁原料。
11.依照權(quán)利要求3至10中任何一個的方法，其中鋁的氯化物在低于反應(yīng)區(qū)溫度的溫度下從反應(yīng)區(qū)凝結(jié)出。
12.依照權(quán)利要求3至11中任何一個的方法，其中從反應(yīng)區(qū)逸出的鈦的低價氯化物在不同于反應(yīng)區(qū)溫度的溫度下凝結(jié)。
13.依照權(quán)利要求12的方法，該方法包括將凝結(jié)的鈦的低價氯化物返回至反應(yīng)區(qū)的另外步驟。
14.依照前述權(quán)利要求中任何一個的方法，其中該前體材料包括釩的低氯化物，并且所述方法的產(chǎn)物是包含鈦、鋁和釩的合金或金屬間化合物。
15.依照權(quán)利要求14的方法，該方法的步驟包括以適當比例混合前體材料并進行該方法生產(chǎn)Ti-6Al-4V。
16.依照權(quán)利要求14的方法，其中該前體材料包括鋯的低氯化物，并且該方法的產(chǎn)物是包含鈦、鋁、鋯和釩的合金或金屬間化合物。
17.依照權(quán)利要求1至13中任何一個的方法，其中該前體材料包括鹵化鈮和鹵化鉻，并且所述方法的產(chǎn)物是包含鈦、鋁、鈮和鉻的合金或金屬間化合物。
18.依照權(quán)利要求17的方法，該方法的步驟包括以適當比例混合前體材料并進行該方法生產(chǎn)Ti-48Al-2Nb-2Cr。
19.依照權(quán)利要求1至13中任何一個的方法，其中該前體材料包括選自包括鉻、鈮、釩、鋯、硅、硼、鉬、鉭和碳的組的一種或多種元素的源，并且所述方法的產(chǎn)物包括含一種或多種這些元素的鈦-鋁化合物。
20.依照權(quán)利要求19的方法，其中該元素源可以是金屬鹵化物，低價鹵化物，純金屬或包含該元素的其它化合物。
21.依照權(quán)利要求19或權(quán)利要求20的方法，其中該產(chǎn)物還包含一種或多種金屬間化合物，鈦-(所選元素)-合金，和中間化合物。
22.依照前述權(quán)利要求中任何一個的方法，其中以粉末形式加入鋁，該粉末具有小于約50微米的近似上限顆粒尺寸。
23.依照權(quán)利要求1至21中任何一個的方法，其中該鋁是近似上限顆粒尺寸大于約50微米的粉末形式，并且該方法包括對鋁粉和鈦的低價氯化物進行研磨的步驟以便至少在一個尺度上減小該鋁粉的顆粒尺寸。
24.依照權(quán)利要求1至21中任何一個的方法，其中該鋁是在一個尺度上厚度小于約50微米的薄片的形式。
25.依照前述權(quán)利要求中任何一個的方法，該方法包括向該方法的產(chǎn)物中添加試劑以便生產(chǎn)其它產(chǎn)物的另外步驟。
26.依照前述權(quán)利要求中任何一個的方法，該方法包括形成鈦的低價氯化物作為前體材料的預處理步驟。
27.生產(chǎn)鈦-鋁化合物的方法，該方法包括如下步驟-在氬-氫混合物的等離子體中加熱TiCl4前體材料以便產(chǎn)生TiCl3；-將鋁與所述TiCl3混合；和-加熱所得混合物以便產(chǎn)生鈦-鋁化合物和AlCl3。
28.生產(chǎn)鈦-鋁化合物的方法，該方法包括如下步驟-加熱TiCl4和鋁的混合物以便形成TiCl3和AlCl3；-將該混合物加熱到300℃以上的反應(yīng)區(qū)溫度并使AlCl3從反應(yīng)區(qū)蒸發(fā)；-向混合物中加入另外的鋁；和-將該混合物加熱到300℃以上的溫度以便形成AlCl3和鈦-鋁化合物。
29.生產(chǎn)金屬化合物的設(shè)備，該設(shè)備包括-設(shè)置用于將鋁和金屬鹵化物前體材料混合的反應(yīng)容器；-同樣設(shè)置用于將所得混合物加熱到足以使前體材料與鋁反應(yīng)的溫度以便形成鋁的鹵化物和產(chǎn)物的該容器；和-設(shè)置用于在一定溫度下操作的第一個凝結(jié)區(qū)，以使鋁的鹵化物在第一個凝結(jié)區(qū)中凝結(jié)。
30.依照權(quán)利要求29的設(shè)備，該設(shè)備還包括第二個凝結(jié)區(qū)，設(shè)置該第二個凝結(jié)區(qū)用于凝結(jié)從反應(yīng)混合物中逸出的金屬鹵化物。
31.依照權(quán)利要求30的設(shè)備，其中設(shè)置第二個凝結(jié)區(qū)將凝結(jié)的金屬鹵化物返回到反應(yīng)區(qū)。
32.生產(chǎn)金屬化合物的方法，該方法包括下列步驟-將鋁與金屬鹵化物的前體材料混合；-將該混合物加熱到足以使前體材料與鋁反應(yīng)的溫度，導致鋁的鹵化物的形成；和-設(shè)置條件以便有利于形成鋁的鹵化物的正向反應(yīng)并降低形成鋁和前體材料的逆向反應(yīng)。
33.依照權(quán)利要求32的方法，其中設(shè)置反應(yīng)條件的步驟包括從鋁與前體材料反應(yīng)的反應(yīng)區(qū)中驅(qū)除鋁的鹵化物的步驟。
34.依照權(quán)利要求32或權(quán)利要求33的方法，其中該金屬鹵化物是鈦的低價鹵化物，并且反應(yīng)產(chǎn)物包括鈦化合物。
35.依照權(quán)利要求32至34中任何一個的方法，其中該前體材料可以包含選自包括鉻、鈮、釩、鋯、硅、硼、鉬和碳的組的一種或多種元素的源。
36.生產(chǎn)釩和/或釩化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含釩的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該該混合物，以便形成鋁的鹵化物以及釩和/或釩化合物。
37.依照權(quán)利要求36的方法，其中該釩化合物可以包括釩-鋁合金和/或釩-鋁金屬間化合物。
38.生產(chǎn)鋯和/或鋯化合物的方法，該方法的步驟包括，將鋁與包含鋯的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該混合物，以便形成鋁的鹵化物以及鋯和/或鋯化合物。
39.依照權(quán)利要求38的方法，其中該鋯化合物可以包括鋯-鋁合金和/或鋯-鋁金屬間化合物。
40.生產(chǎn)鈦和/或鈦化合物的方法，該方法的步驟包括，將還原劑與包含鈦的低價鹵化物的前體材料混合，和加熱該混合物，以便形成該還原劑的鹵化物以及鈦和/或鈦化合物。
41.依照權(quán)利要求40的方法，其中該還原劑選自包括鋅、鎂、鈉、鋁或其它類似金屬的組。
42.生產(chǎn)鈦-鋁金屬間化合物的粉末和基于依照權(quán)利要求1至18中任何一個的鈦-鋁金屬間化合物的合金的方法，該鈦鋁金屬間化合物粉末包含Ti3Al、TiAl和TiAl3中的至少一種，其中該方法的起始材料包括鋁粉以及氯化鈦或鈦的低價氯化物中的至少一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產(chǎn)鈦合金和鈦－鋁金屬間化合物及合金的方法和設(shè)備。由包含鈦的低價氯化物(三氯化鈦或二氯化鈦)的前體材料開始，用鋁還原該前體材料產(chǎn)生鈦－鋁金屬間化合物或合金以及鋁的氯化物，將鋁的氯化物從反應(yīng)區(qū)驅(qū)除以便有利于正向反應(yīng)和鈦－鋁化合物的生產(chǎn)。由包含鈦的低價氯化物的前體材料開始可避免從鈦金屬(生產(chǎn)昂貴)或四氯化鈦(反應(yīng)非常難于控制)開始相關(guān)的問題，并可以生產(chǎn)具有可控組成的粉末形式的鈦－鋁化合物。
文檔編號C01G23/02GK1812859SQ200480018468
公開日2006年8月2日 申請日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者J·海達 申請人:聯(lián)邦科學和工業(yè)研究組織