Титановая лигатура для сплавов на основе ti-al - RU2763465C2

Описание

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет американской предварительной патентной заявки № 62/446205, поданной 13 января 2017 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте.

2. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0002] Настоящее изобретение относится к способу производства титановой лигатуры для металлических сплавов на основе Ti-Al. Сплавы на основе Ti-Al могут иметь состав Ti-(1-10) мас.% Al-X (где X=V, Sn, Fe, Nb, Mo и т.д.). Более конкретно настоящее изобретение направлено на различные способы электролитической очистки алюминидов титана для производства лигатуры Ti-(1-10) мас.% Al.

3. ОПИСАНИЕ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0003] Превосходные структурные свойства, такие как коррозионная стойкость, малый вес и высокая температура плавления, делают титан и его сплавы предпочтительным материалом для многих технических приложений.

[0004] Однако использование титана и его сплавов ограничено благодаря высокой стоимости их производства. На сегодняшний день сплавы титана производятся из титановой «губки», продукта процесса, известного как «процесс Кролля». На последующих стадиях алюминий и другие легирующие металлы должны быть добавлены к губке с использованием различных процессов плавления. Следовательно, стоимость сплавов титана является в несколько раз более высокой, чем первоначальная стоимость титана. Например, в одной публикации 2015 г. затраты на производство титана указаны как 9,00 $/кг (Ma Qian and Francis H. Froes, ed., Titanium Powder Metallurgy Science, Technology and Application (Elsevier Inc., 2015), p. 37)), тогда как стоимость Ti-Al-V составляет 17,00 $/кг.

[0005] Несмотря на стоимость производства, титан и его сплавы являются единственным выбором для многих технических приложений. 90% титана, который используется в авиакосмической промышленности, используются в виде сплавов титана. Соответственно, существует потребность в новом процессе производства сплава титана, который бы значительно уменьшал затраты.

[0006] Фундаментальная теория гласит, что Al, Mn, V и Cr не могут быть удалены из Ti с помощью электролитической очистки металлов (Rosenberg et al., Американский патент № 6309595 B1). Причина этого заключается в схожих электрических ионизационных потенциалах этих элементов. Литература демонстрирует, что на самом деле Mn, V и Cr не могут быть удалены из Ti с помощью электролитической очистки металлов, когда они присутствуют в значительном количестве (Dean et al., Американский патент № 2913378). Поскольку электрический ионизационный потенциал Al является промежуточным между потенциалами Mn и V, понятно, что Al также теоретически не может быть удален с помощью электролитической очистки металлов. Следовательно, литература не рекомендует использовать содержащий алюминий Ti в качестве материала прекурсора для электролитической очистки и рекомендует удаление Al другими средствами перед электролитической очисткой (R.S. Dean et al., Американский патент № 2909473).

[0007] Кроме того, из литературы следует, что присутствие значительного количества кислорода в материале прекурсора предотвращает эффективное выделение Al из титана. Фактически, литература гласит, что когда присутствует 5% кислорода, алюминий не может быть отделен с помощью электролитической очистки металлов (R.S. Dean et al., Американский патент № 2909473). В противоположность этому, текущие варианты осуществления настоящего изобретения требуют присутствия значительного количества кислорода (по меньшей мере 10 мас.%) в материалах, подлежащих электролитической очистке.

[0008] Кроме того, литература гласит, что важно добавлять к электролиту растворимый титан в форме хлоридов титана при его очистке (W.W. Gullet, Американский патент № 2817631 и F.J. Schultz et al., Американский патент № 2734856). Хлориды титана производятся путем карбохлорирования высокоочищенного TiO₂. Следовательно, использование этих хлоридов титана еще больше увеличивает затраты на процесс очистки.

[0009] Обычные способы производства титана или титанового сплава приводят к твердым и плотным продуктам.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] С помощью настоящего изобретения сплавы Ti-Al (например, лигатуры) могут быть произведены напрямую, не требуя никаких легирующих стадий (например, процессов плавления), что значительно уменьшает производственные затраты по сравнению с используемыми в настоящее время способами.

[0011] В одном или более вариантах осуществления настоящего изобретения эти способы обеспечивают простой и более экономичный способ производства сплавов на основе Ti-Al. При использовании одного или более вариантов осуществления настоящего изобретения эти способы не требуют добавления какого-либо растворимого титана (такого как хлориды титана) к электролиту, что тем самым дополнительно уменьшает производственные затраты. Кроме того, настоящее изобретение предлагает продукты сплава (например, лигатуры Ti-Al), которые являются облегченными и «шерстеподобными» или порошкообразными продуктами. Как подробно описано ниже в параграфе [0068], похоже, что температура и состав ванны электролита влияют на физическую форму лигатуры Ti-Al, формируемой на катоде. Температуры в диапазоне 550-650°C имеют тенденцию приводить к тонкой порошкообразной текстуре, в то время как температуры в диапазоне 650-750°C дают продукт с шерстеподобной морфологией, а температуры в диапазоне 750-850°C дают кристаллический продукт.

[0012] В 2018 была сделана оценка, что варианты осуществления настоящего изобретения могут производить титановую лигатуру (Ti-(1-10)%Al) за 5-6,00 $/кг при современных условиях производства/рынка.

[0013] Технология, предложенная вариантами осуществления, описанными в настоящем изобретении, обеспечивает новый и прямой подход к получению сплавов Ti-Al из алюминидов титана. Настоящее изобретение является развитием патентной заявки «Система и способ извлечения и очистки титана», по которой был выдан патент США № 9816192 (14 ноября 2017 г.) (далее упоминаемый как «процесс UTRS»), который включен в настоящий документ посредством ссылки во всей его полноте. В некоторых вариантах осуществления процесс UTRS может использоваться в совокупности с одним или более вариантами осуществления настоящего изобретения. Однако следует отметить, что варианты осуществления настоящего изобретения также используются в качестве самостоятельной технологии. Один или более вариантов осуществления настоящего изобретения предлагают экономически эффективное решение для производства сплавов Ti-Al, которое до сих пор не было оценено.

[0014] В одном аспекте настоящего изобретения предлагается способ для производства продуктов сплава на основе Ti-Al, включая продукты титановой лигатуры, непосредственно из множества титаносодержащих руд. Один или более настоящих способов значительно уменьшают количество стадий обработки по сравнению с традиционным производством сплава Ti-Al и приводят к уменьшению производственных затрат.

[0015] В одном аспекте настоящего изобретения способ переработки алюминидов титана предусматривает: помещение прекурсора алюминида титана в реактор, имеющий анод, катод и электролит, который может включать в себя галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию, и нагревание реактора до температуры 500-900°C для того, чтобы создать расплавленную смесь. Электрический ток прикладывается при поддержании электрического дифференциала между анодом и катодом для осаждения титановой лигатуры на катоде. Когда процесс переработки завершен, ток отключается, расплавленная смесь охлаждается, и переработанный продукт титановой лигатуры извлекается. Этот переработанный продукт титановой лигатуры содержит вплоть до 10 мас.% Al (не больше чем 10 мас.% Al). На самом деле очищенная лигатура, получаемая в результате этого процесса, может содержать менее 5 мас.% или 2,5 мас.% Al или даже меньше, несмотря на значительное количество алюминия, присутствующего в исходном материале алюминида титана.

[0016] В одном аспекте настоящего изобретения способ очистки алюминидов титана предусматривает: помещение прекурсора алюминида титана в реактор, имеющий анод, катод и электролит, который может включать в себя галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию; нагревание электролита до температуры, достаточной для того, чтобы создать расплавленную смесь электролита (например, 500°C-900°C); пропускание электрического тока от анода через расплавленную смесь электролита к катоду; и окисление прекурсора алюминида титана из анода (или растворенного в ионной форме в расплавленной смеси электролита) для формирования лигатуры Ti-Al на катоде.

[0017] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит вплоть до 10 мас.% Al.

[0018] В некоторых вариантах осуществления стадия восстановления дополнительно содержит осаждение лигатуры Ti-Al на поверхности катода.

[0019] В некоторых вариантах осуществления пропускание электрического тока содержит поддержание электрического дифференциала между анодом и катодом.

[0020] В некоторых вариантах осуществления анод выполнен с возможностью контактирования и электрической связи с электролитом.

[0021] В некоторых вариантах осуществления катод выполнен с возможностью контактирования и электрической связи с электролитом.

[0022] В некоторых вариантах осуществления анод располагается в реакторе на некотором расстоянии от катода для того, чтобы предотвратить короткое замыкание ячейки (расстояние анод-катод является переменным, но всегда > 0).

[0023] В некоторых вариантах осуществления способ содержит отключение электрического тока и выключение печи, обеспечивая тем самым охлаждение расплавленной смеси электролита (например, отверждение электролита).

[0024] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al извлекается из ячейки до отверждения (например, при выпуске, дренаже, извлечении катода, в то время как ванна охлаждается, но не отверждается, или комбинации перечисленного).

[0025] Анод имеет форму нерасходуемого сетчатого контейнера, который удерживает титаново-алюминиево-кислородный прекурсор во время процесса переработки. Положение анода является регулируемым; расстояние между анодом и катодом составляет 1-6 см.

[0026] Алюминиды титана для электролитической очистки могут быть получены путем восстановления титаносодержащих руд алюминием (например, с использованием процесса UTRS) или путем плавления титанового и алюминиевого лома в окислительных условиях для производства продукта, который содержит 10-25 мас.% Al и по меньшей мере 10 мас.% кислорода.

[0027] В одном аспекте настоящего изобретения способ электролитической очистки алюминидов титана для производства титановых лигатур предусматривает: помещение алюминида титана, содержащего более 10 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода, в реактор, имеющий анод, катод и электролит, включающий в себя галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию; нагревание электролита до температуры 500°C-900°C, достаточной для того, чтобы создать расплавленную смесь электролита; пропускание электрического тока от анода через расплавленную смесь электролита к катоду; и растворение алюминида титана из анода для осаждения лигатуры Ti-Al на катоде.

[0028] В некоторых вариантах осуществления анод включает в себя нерасходуемый сетчатый контейнер, в который помещается алюминид титана, расходуемый во время процесса преработки.

[0029] В некоторых вариантах осуществления алюминид титана содержит 10-25 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода.

[0030] В некоторых вариантах осуществления алюминид титана содержит 15-25 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода.

[0031] В некоторых вариантах осуществления алюминид титана содержит 20-25 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода.

[0032] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 99,0 мас.% титана и приблизительно 1,0 мас.% алюминия.

[0033] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 98,0 мас.% титана и приблизительно 2,0 мас.% алюминия.

[0034] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 97,0 мас.% титана и приблизительно 3,0 мас.% алюминия.

[0035] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 96,0 мас.% титана и приблизительно 4,0 мас.% алюминия.

[0036] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 95,0 мас.% титана и приблизительно 5,0 мас.% алюминия.

[0037] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 94,0 мас.% титана и приблизительно 6,0 мас.% алюминия.

[0038] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 93,0 мас.% титана и приблизительно 7,0 мас.% алюминия.

[0039] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 92,0 мас.% титана и приблизительно 8,0 мас.% алюминия.

[0040] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 91,0 мас.% титана и приблизительно 9,0 мас.% алюминия.

[0041] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит приблизительно 90,0 мас.% титана и приблизительно 10,0 мас.% алюминия.

[0042] В некоторых вариантах осуществления электролит по существу свободен от добавленных хлоридов титана.

[0043] В некоторых вариантах осуществления электролит по существу свободен от добавленных форм растворимого титана.

[0044] В некоторых вариантах осуществления диапазон температур составляет 550°C-650°C, а продукт титановой лигатуры представляет собой порошок.

[0045] В некоторых вариантах осуществления диапазон температур составляет 650°C-750°C, а продукт титановой лигатуры является шерстеподобным.

[0046] В некоторых вариантах осуществления диапазон температур составляет 750°C-850°C, а продукт титановой лигатуры является кристаллическим.

[0047] В некоторых вариантах осуществления плотность электрического тока катода составляет 0,01-0,05 А/см².

[0048] В некоторых вариантах осуществления плотность электрического тока катода составляет 0,05-0,1 А/см².

[0049] В некоторых вариантах осуществления плотность электрического тока катода составляет 0,1-0,5 А/см².

[0050] В некоторых вариантах осуществления плотность электрического тока катода составляет 0,5-1,0 А/см².

[0051] В некоторых вариантах осуществления контрольный электрод используется для отслеживания электрических дифференциалов, причем электрический дифференциал между анодом и контрольным электродом составляет 0,2 В-0,4 В.

[0052] В некоторых вариантах осуществления контрольный электрод используется для отслеживания электрических дифференциалов, причем электрический дифференциал между анодом и контрольным электродом составляет 0,4 В-0,6 В.

[0053] В некоторых вариантах осуществления контрольный электрод используется для отслеживания электрических дифференциалов, причем электрический дифференциал между анодом и контрольным электродом составляет 0,6 В-0,8 В.

[0054] В некоторых вариантах осуществления электрический дифференциал между анодом и катодом составляет 0,4 В-0,8 В.

[0055] В некоторых вариантах осуществления электрический дифференциал между анодом и катодом составляет 0,8 В-1,2 В.

[0056] В некоторых вариантах осуществления электрический дифференциал между анодом и катодом составляет 1,2 В-1,6 В.

[0057] В некоторых вариантах осуществления электрический дифференциал между анодом и катодом составляет 1,6 В-2,0 В.

[0058] В некоторых вариантах осуществления расстояние между анодом и катодом регулируется для предотвращения короткого замыкания электрического тока, проходящего через электролит между анодом и катодом.

[0059] В некоторых вариантах осуществления расстояние между анодом и катодом составляет 2,0-4,0 см.

[0060] В некоторых вариантах осуществления расстояние между анодом и катодом составляет 4,0-6,0 см.

[0061] В одном аспекте настоящего изобретения способ переработки алюминидов титана в титановые лигатуры предусматривает: помещение алюминида титана, содержащего более 10 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода, в реактор, имеющий анод, катод и электролит, включающий в себя галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию; нагревание электролита до температуры, достаточной для того, чтобы создать расплавленную смесь электролита; пропускание электрического тока от анода через расплавленную смесь электролита к катоду; и растворение алюминида титана из анода для осаждения лигатуры Ti-Al на катоде, причем упомянутая лигатура содержит вплоть до 10 мас.% алюминия.

[0062] В некоторых вариантах осуществления электролит по существу свободен от добавленных хлоридов титана или других добавленных форм растворимого титана.

[0063] В некоторых вариантах осуществления после стадии растворения и осаждения, электролиту позволяют охладиться, и лигатура Ti-Al извлекается из реактора до отверждения электролита.

[0064] В некоторых вариантах осуществления лигатура Ti-Al содержит 2,5 мас.% или меньше алюминия.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0065] Далее будут подробно рассмотрены различные варианты осуществления настоящего изобретения. Варианты осуществления описываются ниже для того, чтобы обеспечить более полное понимание компонентов, процессов и устройств настоящего изобретения. Любые приведенные примеры являются иллюстративными, а не ограничивающими.

[0066] Один вариант осуществления настоящего изобретения предлагает способ для переработки продуктов алюминида титана из титаносодержащих руд.

[0067] В настоящем изобретении переработки продуктов алюминида титана выполняется посредством электрохимической переработки. Продукт алюминида титана помещается в реактор, имеющий катод и анод. Анод воплощен как подвижная перфорированная корзина/контейнер, сделанная из кварца или металлов, которые более инертны, чем титан (например, никель или железо), для удержания очищаемого алюминида титана. Катод находится у дна реактора или около него, причем анод подвешен выше катода. Наличие возможности регулировать расстояние между катодом и анодом обеспечивает средство поддержания оптимального расстояния между катодом и анодом в ходе операции переработки. Это оптимальное расстояние составляет 1-6 см. Электрический дифференциал между анодом и катодом составляет 0,4-2,0 В, а катодная плотность тока составляет 0,01-1 A/см². Во время процесса переработки лигатура осаждается на катоде в виде дендритов. Рост дендритов в ходе процесса уменьшает расстояние между катодом и анодом. Таким образом, может быть необходимо некоторое регулирование расстояния для того, чтобы поддерживать плотность тока и предотвращать короткое замыкание. Без регулирования расстояния между анодом и катодом в ходе процесса дендриты могут коснуться анода, что приведет к короткому замыканию.

[0068] Реактор также удерживает электролит, способный переносить ионы титана и алюминия. Этот электролит помещается в реакторе и нагревается для того, чтобы подвергнуть алюминиево-титановый продукт процессу электролитической переработки металлов. Электролит, используемый во время операции переработки, может быть смесью MgCl₂-NaCl, подходящей для диапазона температур 550°C-650°C, KCl-NaCl, подходящей для диапазона температур 650°C-750°C, или NaCl, подходящей для диапазона температур 750°C-850°C. Операция переработки выполняется в инертной атмосфере. Печь на резистивных элементах или индукционная электропечь могут использоваться для нагрева электролита. В настоящем изобретении использовались оба типа печей (электропечь на резистивных элементах и индукционная). При использовании индукционной электропечи использовался молибденовый токоприемный тигель для связи с индукционным полем и выработки тепла, передаваемого к смеси электролита. Перфорированная корзина, удерживающая очищаемые алюминиды титана, используется в качестве анода в электрической схеме путем соединения вывода с плюсом (+) источника электропитания. Металлическая фольга может быть размещена вокруг внутренней части реактора и использоваться в качестве катода путем ее соединения с минусом (-) источника электропитания. Во время работы алюминид титана окисляется (ионизируется), и ионы титана и алюминия мигрируют к катоду, где они восстанавливаются, образуя кристаллы титановой лигатуры или шерстяной слой очищенного продукта сплава Ti-Al. Примеси концентрируются (остаются) в анодной корзине или остаются в расплавленном электролите.

[0069] Альтернативно катод в форме металлической пластины может быть размещен параллельно дну реактора, а анодная корзина может быть подвешена выше этой пластины. В этой конфигурации оптимальное расстояние между катодной пластиной и анодной корзиной может поддерживаться путем вертикального перемещения анодной корзины в ходе операции переработки. Катод соединяется с минусом (-) источника питания с помощью вывода, а анод соединяется с плюсом (+) источника питания. Расстояние от катода до анода составляет 2-6 см. Также возможны другие конфигурации ячейки электроочистки.

[0070] Алюминиды титана для электролитической переработки могут быть произведены путем восстановления титаносодержащих руд алюминием (например, с использованием процесса UTRS). Содержание TiO₂ в титаносодержащей руде может составлять 75-98 мас.%. Желаемый состав алюминида титана может быть достигнут путем изменения соотношения TiO₂: Al. Например, смешивание 559 г рутиловой руды (с содержанием TiO₂ ~94%) с 232 г порошка Al и 455 г CaF₂ даст приемлемую смесь. Загрузка этой смеси в графитовый сосуд, повышение температуры со скоростью 10°C/мин (в атмосфере аргона) до ~1725°C и выдержка в течение ~15 мин дадут подходящий материал алюминида титана, который может использоваться в качестве сырья для описанного в настоящем документе способа электролитической переработки.

[0071] Алюминиды титана для электролитической переработки также могут быть произведены путем плавления титанового и алюминиевого лома в подходящих соотношениях.

[0072] Образцы, произведенные из следующих примеров, были проанализированы с использованием атомной эмиссионной спектроскопии с плазмой постоянного тока (DCP-OES) для анализа концентраций металлов и плавления в инертном газе (IGF) для анализа концентраций кислорода. Приборы были откалиброваны с использованием стандартов NIST. В следующих Примерах катодный осадок относится к лигатуре, получаемой с помощью различных способов, описываемых в каждом Примере. Проценты различных компонентов являются массовыми процентами. Если явно не указано иное, катодный осадок (продуктовый сплав) указывается в мас.%. алюминия с остатком из титана и, если они присутствуют, неизбежных примесей.

[0073] Пример 1. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем плавления подходящих количеств титана и алюминия для того, чтобы произвести сплав Ti-36%Al. Содержание кислорода в этом сплаве составляло 0,2 мас.%. Этот сплав был нарезан на мелкие кусочки, и 29,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработки с постоянным током силой 1,0 А. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44: 56 мас.%) при 750°C. Было собрано девять граммов (9,0 г) катодного осадка, который содержал 33 мас.% Al.

[0074] Пример 2. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем плавления подходящих количеств титана и алюминия для того, чтобы произвести сплав Ti-10%Al. Содержание кислорода в этом сплаве составляло 0,2 мас.%. Этот сплав был нарезан на мелкие кусочки, и 31,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработке с постоянным током силой 1,0 А. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44: 56 мас.%) при 750°C. Было собрано 14,0 г катодного осадка, который содержал 7,0 мас.% Al.

[0075] Пример 3. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем алюмотермического восстановления TiO₂ с Al для того, чтобы получить сплав Ti-13%Al-11%O. Этот сплав был раздроблен на мелкие кусочки, и 31,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработке с постоянным током силой 1,0 А. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44:56 мас.%) при 750°C. Было собрано 18,0 г катодного осадка, который содержал 2,5 мас.% Al.

[0076] Пример 4. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем алюмотермического восстановления TiO₂ для того, чтобы получить сплав Ti-10%Al-13%O. Этот сплав был раздроблен на мелкие кусочки, и 276,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработке с постоянным током силой 6,0 А. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44:56 мас.%) при 750°C. Было собрано 96,0 г катодного осадка, который содержал 1,1 мас.% Al.

[0077] Пример 5. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем алюмотермического восстановления TiO₂ для того, чтобы получить сплав Ti-13%Al-11%O. Этот сплав был раздроблен на мелкие кусочки, и 70,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработке с постоянным напряжением 0,8 В. Напряжением анода управляли путем использования титанового стержня в качестве псевдоконтрольного электрода. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44:56 мас.%) при 750°C. Было собрано 25,0 г катодного осадка, который содержал 2,8 мас.% Al.

[0078] Пример 6. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем алюмотермического восстановления TiO₂ для того, чтобы получить сплав Ti-13%Al, и его электролитической переработки для того, чтобы получить сплав Ti-13%Al-0,7%O. Этот сплав имел шерстеподобную морфологию. Этот сплав был раздавлен на мелкие кусочки, и 40,0 г этого материала было второй раз подвергнуто электролитической переработке с постоянным напряжением 0,8 В. Напряжением анода управляли путем использования титанового стержня в качестве псевдоконтрольного электрода. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44:56 мас.%) при 750°C. Было собрано 30,0 г катодного осадка, который содержал 7,5 мас.% Al.

[0079] Пример 7. Алюминид титана, использованный в этом примере, был произведен путем плавления подходящих количеств титана, алюминия и железа для того, чтобы произвести сплав Ti-10%Al-48%Fe. Этот сплав был нарезан на мелкие кусочки, и 29,0 г этого материала было подвергнуто электролитической переработке с постоянным током силой 1,0 А. Способ переработки выполнялся в электролите NaCl-KCl (44:56 мас.%) при 750°C. Было собрано 9,0 г катодного осадка, который содержал 17 мас.% Al и 1,6 мас.% Fe.

[0080] Пример 8. Алюминид титана с составом Ti-10%Al-12%O был подвергнут электролитической переработке для того, чтобы получить состав Ti-2,7%Al-1,1%O. Переработанный материал был затем еще раз электролитически очищен для того, чтобы получить конечный продукт с содержанием Ti 99,0 мас.%.

[0081] Эффективность тока для способа электролитической переработки металлов зависит от размера кусочков алюминида титана. Эффективность тока 80% достигается для процесса, в котором используются кусочки меньше чем 4,0 мм. Эффективность тока оценивается как процент фактического выхода от теоретически ожидаемого выхода. Теоретически ожидаемый выход является пропорциональным общему количеству кулонов, прошедших через систему.

[0082] Примеры 3, 4, 5 и 8 демонстрируют, что если материал прекурсора содержит больше 10% кислорода, то во время процесса электролитической переработки металлов может быть достигнуто очень хорошее разделение титана и алюминия. Полученные в этих примерах титановые лигатуры иллюстрируют, что из начального материала прекурсора было удалено более чем 78% алюминия. В отличие от этого, Примеры 1, 2 и 6 демонстрируют, что во время электролитической переработки металлов без присутствия значительного количества кислорода может быть удалено не более чем 42% алюминия, содержавшегося в материале прекурсора.

[0083] После операции переработки получаемый переработанный продукт титановой лигатуры может быть дополнительно обработан в окончательный продукт сплава путем добавления дополнительных элементов. Например, получаемая переработанная титановая лигатура может быть измельчена или размолота с ванадием и преобразована в порошок Ti-Al-V.

[0084] Пример 9. 56,4 г лигатуры Ti-4,6%Al смешивалось с 2,8 г сплава V-Al и 0,55 г Al и плавилось с помощью процесса вакуумно-дугового переплава (VAR). Полученный окончательный сплав имел состав Ti-6,3Al-3,8V.

[0085] Операция переработки производит переработанный продукт титановой лигатуры с тонко структурированной дендритной морфологией. Например, продукт титановой лигатуры может содержать кристаллиты титана, осажденные на катоде во время операции электролитической переработки металлов. Тонкая дендритная структура продукта титановой лигатуры уникально обеспечивает путь для создания почти сетчатых формованных деталей посредством гидравлического сжатия и последующего спекания без вспомогательного связующего вещества. Площадь поверхности в переработанном продукте сплава Ti-Al варьировалась в диапазоне 0,1-2,5 м²/г.

[0086] Благодаря малому размеру и ажурной природе переработанного продукта титановой лигатуры почти сетчатые продукты могут быть сжаты для дальнейшей обработки. Дендритная форма переработанного продукта титановой лигатуры (шерсть из титановой лигатуры) может быть сжата с использованием гидравлического давления. Для этого шерсть из титановой лигатуры помещается в желаемую пресс-форму. Эта пресс-форма затем помещается в гидравлический пресс, в котором прикладывается давление 35-65 т/кв. дюйм. Эта процедура может производить почти сетчатые формованные титановые детали, которые могут быть затем спечены, использованы в качестве расходуемых электродов в процессе вакуумно-дугового переплава (VAR), расплавлены или дополнительно обработаны в зависимости от применения продукта.

[0087] В то время как были подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут быть разработаны различные модификации и альтернативы этих деталей в свете общего описания настоящего изобретения. Соответственно, конкретные раскрытые варианты осуществления являются всего лишь иллюстративными, а не ограничивающими область охвата настоящего изобретения, которая определяется приложенной формулой изобретения, а также любыми и всеми ее эквивалентами.

Реферат

Группа изобретений относится к вариантам способа электролитической переработки алюминидов титана с получением лигатур Ti-Al. Способ электролитической переработки алюминидов титана с получением лигатур Ti-Al включает помещение алюминида титана, содержащего более чем 10 мас.% алюминия и по меньшей мере 10 мас.% кислорода, в реактор, снабженный анодом, катодом и электролитом, содержащим галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию, нагревание электролита до температуры 500-900°C, достаточной для того, чтобы создать смесь расплавленного электролита, пропускание электрического тока от анода через смесь расплавленного электролита к катоду и растворение алюминида титана из анода для осаждения лигатуры Ti-Al на катоде, в том числе содержащей вплоть до 5мас.% алюминия. Обеспечивается получение лигатуры Ti-Al из алюминидов титана без добавления хлоридов титана или других форм растворимого титана к электролиту, содержащей галоидные соли щелочных металлов или щелочноземельных металлов или их комбинацию. 2 н. и 35 з.п. ф-лы, 9 пр.

Формула