СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
METHOD FOR PRODUCING A TITANIUM-ALUMINIUM ALLOY

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области металлургии титана, и, в частности, оно относится к способу получения титано-алюминиевого сплава.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
По мере усовершенствования авиационных силовых установок температура внутренней среды аэрокосмических двигателей постепенно растет, и ранее разработанный и использовавшийся сплав на основе никеля больше не соответствует эксплуатационным требованиям при высокой температуре. Благодаря превосходным свойствам термостойкости и коррозионной стойкости титано-алюминиевый сплав можно использовать для изготовления легких и высокопрочных конструктивных элементов в областях авиационно-космической, автомобильной и точной машиностроительной промышленности вместо сплавов на основе никеля. Интерметаллическое соединение на основе титана и алюминия имеет упорядоченное расположение атомов, сильные металлические и ковалентные связывающие силы, малую массу, устойчивость к высокотемпературному окислению и хорошее сопротивление ползучести, что делает его удачным вариантом для использования в качестве сырьевого материала для специального покрытия, обладающего свойствами высокотемпературной и коррозионной стойкости в жестких условиях эксплуатации.
На предшествующем уровне техники способы получения титано-алюминиевого сплава преимущественно включали способ термического восстановления алюминиевого порошка, способ прямого сплавления и способ электро-дезоксидации, из которых в промышленности для получения титано-алюминиевого сплава преимущественно используют способ прямого сплавления, и этот способ получения включает стадии легирования, плавления-отверждения и термической обработки. Однако способ прямого сплавления является сложным и требует многократного плавления для исключения сегрегации элементов сплава, что приводит к экстремально высокой производственной себестоимости титано-алюминиевого сплава, тогда как два других способа связаны с высокотехнологичной проблемой примесных элементов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которую нужно решить посредством настоящего изобретения, состоит в обеспечении способа получения титано-алюминиевого сплава. Способ включает следующие стадии:
4
3
a. добавление TiCl и AlCl к расплавленному электролиту в защитной атмосфере, причем расплавленный электролит является смесью по меньшей мере одного хлорида щелочного металла или хлорида щелочноземельного металла и фторида щелочного металла;
b. электролиз смеси, полученной на стадии а; и
c. получение титано-алюминиевого сплава посредством вакуумной дистилляции катодного продукта после электролиза.
Более конкретно, на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава хлоридом щелочного металла является по меньшей мере один из LiCl, NaCl, KCl, RbCl или CsCl.
2
2
2
2
2
Более конкретно, на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава хлоридом щелочноземельного металла является по меньшей мере один из BeCl, MgCl, CaCl, BaCl или SrCl.
2
Предпочтительно на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава по меньшей мере один хлорид щелочного металла или хлорид щелочноземельного металла является любым из NaCl-KCl, LiCl-KCl или CaCl-NaCl.
Более конкретно, на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава фторидом щелочного металла является по меньшей мере один из LiF, NaF, KF, RbF или CsF.
Предпочтительно на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава фторидом щелочного металла является NaF или KF.
Кроме того, на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава количество добавленного фторида щелочного металла лежит в диапазоне от 10 масс. % до 90 масс. % от массы электролита.
4
3
Предпочтительно на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава количество добавленного фторида щелочного металла по меньшей мере в 6 раз больше молярной суммы Ti и Al в TiCl и AlCl.
Предпочтительно на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава температура расплавленного электролита выше температуры его плавления. Кроме того, температура расплавленного электролита на 50°С - 200°С выше температуры его плавления.
Более конкретно, на стадии а способа получения титано-алюминиевого сплава защитная атмосфера представляет собой любой газ, выбранный из аргона, гелия или неона, и предпочтительно представляет собой аргон.
Более конкретно, на стадии b способа получения титано-алюминиевого сплава анод электролитической ячейки представляет собой графит, а катод электролитической ячейки представляет собой то ко про водящий материал.
Предпочтительно на стадии b способа получения титано-алюминиевого сплава токопроводящий материал является материалом, который не легирован титаном или алюминием и имеет температуру плавления выше температуры плавления электролита. Далее, токопроводящий металл является титано-алюминиевым сплавом или углеродистой сталью.
Предпочтительно на стадии b способа получения титано-алюминиевого сплава температура электролиза выше температуры плавления электролита. Кроме того, температура электролиза на 50°С - 200°С выше температуры плавления электролита.
Предпочтительно на стадии b способа получения титано-алюминиевого сплава напряжение электролиза лежит в диапазоне от 3,1 В до 3,2 В.
Более конкретно, на стадии с способа получения титано-алюминиевого сплава температура вакуумной дистилляции должна быть выше температуры плавления вещества с наивысшей температурой плавления, содержащегося в электролите.
Более конкретно, на стадии с способа получения титано-алюминиевого сплава уровень вакуума во время вакуумной дистилляции должен быть ниже 0,1 Па.
Более конкретно, на стадии с способа получения титано-алюминиевого сплава конечная точка вакуумной дистилляции должна быть устойчиво стабильной под вакуумом в течение более чем 5 часов.
4
3
2
2
3
Настоящее изобретение обеспечивает способ получения титано-алюминиевого сплава посредством прямого электрохимического восстановления TiCl и AlCl, что сокращает длительность процесса получения титано-алюминиевого сплава и снижает его производственную себестоимость по сравнению с традиционным способом прямого сплавления. Более того, способ по настоящему изобретению исключает проблемы неполного восстановления и низкой эффективности использования электрической энергии, существующие при прямом электрохимическом восстановлении TiO и AlO, и обеспечивает непрерывную и стабильную работу, поэтому существует хорошая перспектива промышленного применения способа.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает способ получения титано-алюминиевого сплава, включающий следующие стадии:
4
3
4
3
(1) Смесь TiCl и AlCl непосредственно вводят в систему расплавленного электролита, состоящего из хлорида щелочного металла или хлорида щелочноземельного металла и фторида щелочного металла, в защитной атмосфере (температура расплавленного электролита выше температуры его плавления, и предпочтительно она на 50°С - 200°С выше температуры плавления электролита), причем TiCl и AlCl реагируют с фторидом щелочного металла в расплавленном электролите, как показано в формуле (1).
(2) Стадию электролиза проводят с использованием графита в качестве анода и токопроводящего металла в качестве катода, при этом фтортитанат щелочного металла и фторалюминат щелочного металла, образовавшиеся в реакции формулы (1), реагируют в процессе электролиза, как показано в формуле (2).
(3) После электролиза катодный продукт перемещают в вакуумную печь, где электролит удаляют посредством дистилляции при высокой температуре и контролируемом уровне вакуума, который ниже 0,1 Па.
4
3
Кроме того, отношение TiCl к AlCl зависит от молярного отношения в соответствии с требованиями ктитано-алюминиевому сплаву.
4
3
Кроме того, добавленное количество фторида щелочного металла должно быть достаточным для образования фтортитаната/фторалюмината. Предпочтительно, добавленное количество фторида щелочного металла по меньшей мере в 6 раз больше молярной суммы Ti и Al в TiCl и AlCl.
Кроме того, температура электролиза преимущественно зависит от температуры плавления электролита и варьируется в зависимости от электролита. В большинстве случаев температура электролиза должна быть на 50°С - 200°С выше температуры плавления расплавленной соли. Если температура электролиза слишком высока, то электролит становится более летучим, что приводит к большим его потерям. Стадию электролиза проводят при постоянном напряжении, чтобы обеспечить возможность одновременного осаждения титана и алюминия. При низком напряжении осаждается только металлический титан, а щелочной металл или щелочноземельный металл может осаждаться при высоком напряжении. Поэтому межэлектродное напряжение предпочтительно лежит в диапазоне от 3,1 В до 3,2 В.
Кроме того, после электролиза катодный продукт в форме титано-алюминиевого сплава содержит большое количество электролитов, включая компоненты электролитов, а также образовавшиеся заново фтортитанат щелочного металла и фторалюминат щелочного металла с низкой растворимостью в водном растворе. Поэтому требуемый титано-алюминиевый сплав можно получить посредством дистилляции. Из-за высоких температур плавления фтортитаната щелочного металла и фторалюмината щелочного металла температура дистилляции должна быть выше их температур плавления.
4
3
Согласно способу по настоящему изобретению после электролиза катодный продукт является титано-алюминиевым сплавом, анодный продукт является хлором, а побочный продукт является фторидом щелочного металла. Поэтому сущность способа получения состоит в прямом получении титано-алюминиевого сплава из TiCl и AlCl.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
4
3
4
3
Добавление некоторого количества NaCl и KCl в равном молярном соотношении в реакционный резервуар, добавление NaF (20 масс. % в пересчете на общую массу электролита), дегидратирование в вакууме при 300°С в течение 5 часов, затем нагревание до 750°С в атмосфере аргона для плавления электролита. Медленное добавление TiCl и AlCl с массовым соотношением, равным 4:1, к расплавленной соли через загрузочный трубопровод, причем добавленное количество TiCl и AlCl было рассчитано стехиометрически по формуле (1). Проведение стадии электролиза при контролируемом напряжении, равном 3,2 В, с использованием графитового стержня в качестве анода и стержня из углеродистой стали в качестве катода. После электролиза - перемещение катодного продукта в вакуумную печь, дистилляция в течение 6 часов при контролируемом уровне вакуума, который был ниже 0,1 Па, и при температуре, равной 1100°С, охлаждение и извлечение продукта. ICP-анализ (атомно-адсорбционная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой; от англ.: inductively coupled plasma) показал, что содержание Ti и Al в продукте было равно 82,4 масс. % и 16,6 масс. %, соответственно, что было близко к 83,3 масс. % и 16,7 масс. % при добавлении. Продукт содержал примерно 1% примесей, преимущественно - продукты частичного окисления продукта и следовые примеси металлов. Таким образом был получен титано-алюминиевый сплав с указанным соотношением титана и алюминия.
Пример 2
2
4
3
4
3
2
2
Добавление некоторого количества NaCl и CaCl в равном молярном соотношении в реакционный резервуар, добавление NaF (30 масс. % в пересчете на общую массу электролита), дегидратирование в вакууме при 300°С в течение 5 часов, затем нагревание до 850°С в атмосфере гелия для плавления электролита. Медленное добавление TiCl и AlCl с массовым соотношением, равным 1:1, к расплавленной соли через загрузочный трубопровод, причем добавленное количество TiCl и AlCl было рассчитано стехиометрически по формуле (1). Проведение стадии электролиза при контролируемом напряжении, равном 3,1 В, с использованием графитового стержня в качестве анода и стержня из углеродистой стали в качестве катода, причем начальная плотность тока на катоде и аноде была равна 0,2 А/см и 0,25 А/см, соответственно. После электролиза - перемещение катодного продукта в вакуумную печь, дистилляция в течение 6 часов при контролируемом уровне вакуума, который был ниже 0,1 Па, и при температуре, равной 1300°С, охлаждение и извлечение продукта. ICP-анализ показал, что содержание Ti и Al в продукте было равно 52,7 масс. % и 47,0 масс. %, соответственно, что было близко к 56,0 масс. % и 44,0 масс. % при добавлении. Продукт содержал примерно 0,3% примесей, преимущественно - продукты частичного окисления продукта и следовые примеси металлов. Таким образом был получен титано-алюминиевый сплав с указанным соотношением титана и алюминия.