Способ легирования алюминия танталом
METHOD FOR ALLOYING ALUMINUM WITH TANTALUM

Изобретение относится к металлургии, в частности к легированию алюминия тугоплавкими редкими металлами, конкретно к легированию алюминия танталом.
Известен способ получения сплава алюминий-ниобий-тантал, включающий подготовку исходной смеси, содержащей пентоксид тантала, пентоксид ниобия и алюминий, путем предварительного высушивания исходных компонентов и тщательного перемешивания для создания условий термитной реакции, после проведения которой сплав-прекурсор охлаждают и подвергают вакуумно-термической обработке в расплаве в вакууме не менее 10 Па и температуре 1300 – 1350°С в течение 10-20 минут в водоохлаждаемом медном тигле специальной конструкции (патент CN 110408806; МПК C22B 5/04, C22C 1/03, C22C 14/00, C22C 21/00; 2020 год).
Недостатком известного способа являются использование вакуум-термической обработки  при высоких температурах с проведением обработки в специализированном оригинальном оборудовании.
3
2
7
Известен способ получения сплава алюминий-тантал-углерод, содержащего 1,0-4,0 масс.% тантала, который распределен в матрице алюминия в виде интерметаллида TaAl в количестве около 1,0%, путем предварительного получения расплава алюминия с последующем введением в расплав гептафтортанталата калия (KTaF) и выдержкой при перемешивании (заявка CN 109468479; МПК C22C 1/02, C22C 1/03, C22C 21/00; 2019 год)(прототип).
Недостатком известного способа является использование в качестве исходного соединения гептафтортанталата калия, который относится к труднодоступным соединениям, поскольку его получение является самостоятельным технологическим процессом, предполагающим несколько стадий (С.М. Маслобоева, Г.Н. Дубошин, Л.Г. Арутюнян “Исследования получения гептафтортанталата калия из фторидно-сернокислых растворов” Вестник МГЕУ, т.12, №2, 2009 г., с.279-285).
Таким образом, перед авторами была поставлена задача – разработать простой способ легирования алюминия танталом, предполагающий использования в качестве исходных компонентов доступного, коммерчески используемого сырья.
3
2
5
о
Поставленная задача решена в предлагаемом способе легирования алюминия танталом, включающем предварительное получение расплава алюминия с введением в расплав активного реагента с последующей выдержкой при перемешивании, в котором в качестве активного реагента используют смесь, состоящую из хлорида калия, фторида натрия, фторида алюминия и пентоксида тантала при следующем соотношении (масс.%): 40÷45% KCl, 35÷40% NaF, 10÷15% AlF; 5÷10% TaO, которую перед введением в расплав  измельчают с одновременным перемешиванием и сушат при температуре 150-160С.
В настоящее время не известен способ легирования алюминия танталом с использованием в качестве активного реагента смеси, состоящей из хлорида калия, фторида натрия, фторида алюминия и пентоксида тантала в предлагаемых пределах содержания.
3
2
5
2
5
Предлагаемый способ позволяет осуществить легирование алюминия танталом c использованием пентоксида тантала и солевого состава из смеси хлорида калия, фторида натрия и фторида алюминия, путем введения в расплавленный алюминий. Предварительное высушивание и измельчение смеси этих солей и пентоксида тантала при плавлении повышает растворимость оксидов, образуя сложные комплексные соединения, которые взаимодействуют с расплавленным алюминием легируют его малыми добавками тантала, образующего с алюминием интерметаллид AlTa. Кроме того, применение солевой смеси хлорида и фторида щелочных металлов дополнительно ведет к рафинированию алюминия, поскольку процесс легирования алюминия попутно сопровождается очищением от таких примесей как мышьяк, медь и других тяжелых металлов, кислорода, водорода, кремния и пр. Это позволяет не проводить дополнительную стадию рафинирования. Выбранные соотношения компонентов обусловлены следующим. При содержании более 10 масс.% TaO его растворимость снижается и взаимодействие пентоксида тантала с алюминием ухудшается, а при содержании менее 5 масс.% TaO резко увеличивается расход реагентов (солей); если снижать содержание хлорида калия менее 40 масс.%, возрастает температура плавления солевой смеси и некоторая часть остается нерасплавленной и, соответственно, не участвующей в высокотемпературной обменной реакции, при повышении содержания хлорида калия более 45 масс.% наблюдается образование легколетучего (температура кипения 236°С) соединения хлорида тантала (V)). Снижение содержания фторида натрия менее 35 масс.% и фторида алюминия менее 10 масс.% ведет к снижению количества прореагировавшего с алюминием пентоксида тантала. Повышение содержания фторида натрия более 40 масс.% и фторида алюминия более 15 масс.% ведет к уменьшению доли хлорида калия и из-за этого к повышению температуры плавления активного реагента в целом. Температурный интервал выбран с учетом плавкости солей и снижения их потерь на испарение. Временной интервал обусловлен кинетикой высокотемпературной обменной реакции, но при увеличении времени более 30 мин испарение солей превышает критический порог и начинается реакция интенсивного окисления алюминия.
3
2
5
Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Предварительно готовят активный реагент, смешивая, масс.%: 40÷45 KCl, 35÷40 NaF, 10÷15 AlF, и 5÷10 TaO. Полученную смесь измельчают с одновременным перемешиванием и сушат при температуре 150-160°С в течение 1 часа. Получают расплав алюминия путем расплавления алюминия (гранул или слитка) в печи при температуре 800±20°С. Активный реагент подают на алюминиевый расплав при постоянном перемешивании, после расплавления компонентов активного реагента перемешивание продолжают в течение 20-30 мин. После чего, выдерживают в течение 3-5 мин и удаляют образовавшейся шлак, после этого сливают алюминиевый сплав. Фазовый состав полученного сплава контролировался рентгенофазовым анализом. Концентрация тантала в сплаве контролировались рентгенофлуоресцентным экспресс-анализом с периодическим контролем полученных сплавов методом масс-спектроскопии.
3
На фиг. 1 представлены данные рентгенофазового анализа, подтверждающие образование в сплаве интерметаллид AlTa.
На фиг. 2 представлены концентрации тантала в сплаве, контролируемые рентгенофлуоресцентным экспресс-анализом  с периодическим контролем полученных сплавов методом масс-спектроскопии.
На фиг.3 представлена микрофотография образца (содержание тантала 1,1%) сплава.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами конкретного исполнения:
3
2
5
Пример 1. Готовят активный реагент из смеси простых соединений, г.: 5.49 KCl, 4.27 NaF, 1.83 AlF, 0.61 ТаO (мас.%: 45, 35, 15, 5), измельчают в агатовой ступке и перемешивают до полной однородности, затем сушат при температуре 150°С в течение 1 часа. 100 грамм алюминиевых гранул марки А85 помещают в шахтную печь и нагревают до температуры плавления алюминия 780°С, выдерживают при этой температуре до получения расплава алюминия. Подготовленный активный реагент подают на расплавленный алюминий при постоянном перемешивании. Затем выдерживают в течение 30 мин при перемешивании расплава, затем выдерживают расплав в течение 3 мин без перемешивания и удаляют шлак, а полученный сплав сливают в изложницу. Полученный сплав отмывают, просушивают и анализируют. По данным рентгенофазового анализа и  рентгенофлуоресцентного экспресс-анализа полученный сплав имел состав: алюминий с содержанием 0.47 масс.% тантала.
3
2
5
Пример 2. Готовят активный реагент из смеси простых соединений, г.: 5.49 KCl, 4.27 NaF, 1.22 AlF, 1.22 ТаO (мас.%: 45, 35, 10, 10), измельчают в агатовой ступке и перемешивают до полной однородности. Затем сушат при температуре 150°С в течение 1 часа. 100 грамм алюминиевых гранул марки А85 помещают в шахтную печь и нагревают до температуры плавления алюминия 800°С, выдерживают при этой температуре до получения расплава алюминия. Подготовленный активный реагент подают на расплавленный алюминий при постоянном перемешивании. Затем выдерживают в течение 20 мин при  перемешивании расплава, затем выдерживают расплав в течение 4 мин без перемешивания и удаляют шлак, а полученный сплав сливают в изложницу. Полученный сплав отмывают, просушивают и анализируют. По данным рентгенофазового анализа и  рентгенофлуоресцентного экспресс-анализа полученный сплав имел состав: алюминий с содержанием 0.8 масс.% тантала.
3
2
5
Пример 3. Готовят активный реагент из смеси простых соединений, г.: 7.32 KCl, 7.32 NaF, 1.83 AlF, 1.83 ТаO (мас.%: 40, 40, 10, 10), измельчают в агатовой ступке и перемешивают до полной однородности. Затем сушат при температуре 160°С в течение 1 часа. 100 грамм алюминиевых гранул марки А85 помещают в шахтную печь и нагревают до температуры плавления алюминия 820°С, выдерживают при этой температуре до получения расплава алюминия. Подготовленный активный реагент подают на расплавленный алюминий при постоянном перемешивании. Затем выдерживают в течение  30 мин при  перемешивании расплава, затем выдерживают расплав в течение  5 мин без перемешивания и удаляют шлак, а полученный сплав сливают в изложницу. Полученный сплав отмывают, просушивают и анализируют. По данным рентгенофазового анализа и  рентгенофлуоресцентного экспресс-анализа полученный сплав имел состав: алюминий с содержанием 1.1 масс.% тантала.
Таким образом, авторами предлагается простой способ легирования алюминия танталом, предполагающий использования в качестве исходных компонентов доступного, коммерчески используемого сырья.