專利名稱：用阿姆斯特朗方法制備合金的制作方法
相關申請根據37C.F.R.1.78(c)的規(guī)定，本發(fā)明要求2002年9月7日提交的美國臨時申請序列號為60/408934的臨時申請的優(yōu)先權。
背景技術：
本發(fā)明涉及如美國專利5779761、5958106和6409797中所描述的阿姆斯特朗方法(Armstrong process)，在此引入其中每一篇的公開內容作為參考。如上述三篇專利中所公開那樣，合金或者陶瓷可以通過建立氣體混合物來制備，其中如上述參考專利中所披露的，該氣體被注入還原金屬的表面之下，從而啟動該氣體混合物對相應合金或者陶瓷的還原反應。一般來說，提供氣體混合物最明顯的方法是將構成蒸汽以所需的原子比引入歧管中，并將該混合材料注入還原金屬。
本發(fā)明涉及另一種裝置，用于在混合蒸汽引入還原金屬之前混合合金或者陶瓷的成分。在本發(fā)明中，首先將合金或者陶瓷的各種成分混合成液體，之后使之沸騰。在液體沸騰并達到平衡態(tài)后，從該液體中逸出的蒸汽具有與注入鍋爐(boiler)的進料液體相同的原子比，其可以與鍋爐中的液體相同或者不同。在穩(wěn)定的狀態(tài)下，以與三篇參考專利中所示同樣的方式，可將來自鍋爐的蒸汽進料到阿姆斯特朗處理過程，以生產具有恒定原子比的合金或者陶瓷。
本發(fā)明簡化了材料的處理過程，尤其是那些像氯化鋁這樣不沸騰而升華的材料。對于這些材料，在加壓的情況下在容器中加熱其固體，使得形成液體并接著將該液體輸送到鍋爐中，如后所示。例如，鍋爐中含有原子比為6％Al，4％V和余量Ti的氯化鋁、氯化釩和氯化鈦的進料流，其將在平衡點生成原子比為6％Al，4％V和90％Ti的蒸汽，即便鍋爐中的液體成分原子比改變。在參考專利中所公開的過程中，將平衡態(tài)的蒸汽用作進料產生了6％Al，4％V的鈦合金。
本發(fā)明提供了廣泛種類的合金和陶瓷，并簡化了阿姆斯特朗過程中生產每種合金的組成部分的材料處理過程。
發(fā)明簡述因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種生產合金或者陶瓷的方法和設備，其中將其液體成分進料到鍋爐中，隨后將由此產生的平衡蒸汽用于與液態(tài)堿金屬或堿土金屬進行的表面下還原反應(subsurfacereduction)，以形成合金或者陶瓷。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種方法，通過合金或者陶瓷成分的混合鹵化物蒸汽與液體堿金屬或堿土金屬或其混合物之間的放熱的表面下還原反應來生產合金或者陶瓷，該方法包括以預先選擇的原子比提供合金或者陶瓷成分的鹵化物液體混合物，使該液體沸騰直到達到與蒸汽的平衡，以及之后將平衡蒸汽引入液態(tài)還原劑金屬，使得以預先選擇的原子比形成平衡蒸汽成分的合金或者陶瓷粉末。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種方法，通過合金成分的混合鹵化物蒸汽與液體堿金屬或堿土金屬或其混合物之間的放熱的表面下還原反應來生產合金，該方法包括以預先選擇的原子比提供合金成分的鹵化物液體混合物，使該液體沸騰直到達到與蒸汽的平衡，以及之后將平衡蒸汽以大于音速的速度注入液態(tài)還原劑金屬，使得以預先選擇的原子比形成平衡蒸汽成分的合金粉末。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于實施上文所述方法的設備。
本發(fā)明由一些新穎的特征以及部分的組合而構成，其將詳細描述于下文中，如附圖所示，并尤其在所附權利要求中提出，應當明白，在不偏離本發(fā)明實質精神或者舍去其任何優(yōu)點的情況下，細節(jié)上可以做出各種改變。
附圖簡述為了幫助理解本發(fā)明，附圖中表示了其中的優(yōu)選實施方案，通過對其的檢驗，并同時結合考慮以下說明，本發(fā)明的構成和實施方式，以及其許多優(yōu)點將更易于理解和領會。


圖1是實施本發(fā)明方法的設備和系統(tǒng)的示意圖。
優(yōu)選實施方案詳述圖1表示了系統(tǒng)10，具有與液態(tài)還原劑金屬的源20相連通的反應器15，源20通過管線21與反應器相連。
鍋爐25中含有液體26，當其沸騰時在平衡態(tài)產生蒸汽27，蒸氣通過管30被引入管21，優(yōu)選但非必須地攜帶著來自其源20的液態(tài)金屬的流體流，從而產生同種類型的漿料40，由過量的液體金屬，陶瓷或者金屬粉末，以及反應過程中生成的鹽所組成，見上面所討論的阿姆斯特朗等人的專利。
鍋爐25具有諸如線圈28之類的熱源，并與合金或者陶瓷終產品的多個成分的提供源相連接或者連通。圖中示出了三個這樣的源35，36和37。
本發(fā)明的優(yōu)點在于在用阿姆斯特朗方法生產陶瓷或者合金的過程中，對液體的處理通常比對蒸氣的處理更加容易和有效。為此，每個代表性成分的源35，36和37可以是保存著液態(tài)單一成分鹵化物的容器(加壓的或不加壓的)，并且之后該液態(tài)鹵化物以適當的預定原子比轉移至鍋爐25中。來自每個源35，36和37的成分的原子比決定了與液體26處于平衡態(tài)下的蒸汽27中成分的原子比。之后，預先選擇和預定原子比的平衡態(tài)蒸汽27以大于音速的速度被注入液態(tài)金屬流的表面下，正如上述參考的阿姆斯特朗專利中所指導的那樣。
盡管還原劑金屬可以為任何適當的堿金屬或堿土金屬或其混合物，但優(yōu)選的還原劑金屬是鈉或者鎂，最優(yōu)選的還原劑金屬是鈉。盡管可以使用各種鹵化物，但出于實用性和價格考慮優(yōu)選的鹵化物為氯化物。盡管通常所描述的都是針對鈦合金，但本發(fā)明實際上對廣泛種類的合金和陶瓷都適用，尤其是包含氮化物、碳化物、硼化物或其混合物的陶瓷。此外，本發(fā)明的方法和設備可以生產多種合金，尤其是那些包含了Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一種或多種的合金或者陶瓷。更優(yōu)選的是，生產包含Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一種或多種的合金或者陶瓷。
而且，通過本發(fā)明的方法和設備生產的粉末陶瓷或者合金在制造不同產品的多種過程中十分有用。例如，各種粉末冶金技術中可以用通過本發(fā)明的方法和設備生產的粉末來生產產品。此外，用本發(fā)明的粉末，可使得廣泛種類的合金和陶瓷粉末熔化或者壓制而形成固體。目前尤為重要的一種合金是6∶4的鈦合金。此合金被廣泛地用于航天和防御上，其主要由6％的鋁，4％的釩以及余量鈦構成。
正如所引用的阿姆斯特朗等人的專利中所指導那樣，還原劑金屬通常以超過還原混合鹵化物蒸汽所需的化學計量的量存在，其中鹵化物蒸汽被注入該還原劑金屬的表面下。特別是還原劑金屬以化學計量的約20倍到約50倍存在，使得整個穩(wěn)定狀態(tài)的反應保持在有利而且最優(yōu)選的溫度，約400℃或其附近。保持穩(wěn)態(tài)反應的確切溫度部分取決于鹵化物與還原劑金屬的比，以及被還原的單一蒸汽和用于還原其的還原劑金屬。本領域技術人員可以計算出為本發(fā)明的方法和設備生產廣泛種類陶瓷或者合金的過程提供預定的穩(wěn)態(tài)操作溫度的確切比。
如前面所述，盡管在此討論的是有關鈦或鈦合金的實例，但通過本發(fā)明可以制造出廣泛種類的合金和陶瓷，并且打算在所附的權利要求中包括所有這樣的合金和陶瓷，特別但并非排他性的包括氮化物、硼化物或者碳化物陶瓷。本發(fā)明具代表性的合金有那些包含了Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一種或多種的合金，更優(yōu)選包含了Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一種或多種的合金。
盡管公開了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，應當明白的是在不偏離本發(fā)明實質精神或者舍去其任何優(yōu)點的情況下，細節(jié)上可以做出各種改變。
權利要求
1.一種通過合金或者陶瓷成分的混合鹵化物蒸汽與液體堿金屬或堿土金屬或其混合物之間的放熱的表面下還原反應來生產合金或者陶瓷的方法，包括以預先選擇的原子比提供合金或者陶瓷成分的鹵化物液體混合物，使該液體沸騰直到達到與蒸汽的平衡，以及之后將平衡蒸汽引入液態(tài)還原劑金屬，使得以預先選擇的原子比形成平衡蒸汽成分的合金或者陶瓷粉末。
2.權利要求1所述的方法，其中所述還原劑金屬是Na或者Mg。
3.權利要求2所述的方法，其中所述鹵化物是氯化物。
4.權利要求3所述的方法，其中所述合金主要為Ti。
5.權利要求4所述的方法，其中所述合金主要為Ti，并包含Al和V。
6.權利要求5所述的方法，其中所述合金主要為6％的Al，4％的V以及余量基本為Ti。
7.權利要求1所述的方法，其中所述還原劑金屬以超過于化學計量的量存在。
8.權利要求7所述的方法，其中所述還原劑金屬以約20倍到約50倍化學計量的量存在。
9.權利要求7所述的方法，其中所述還原劑金屬以流體流的方式存在。
10.權利要求1所述的方法，其中所述蒸汽以大于音速的速度被注入液態(tài)金屬的表面下。
11.權利要求1所述的方法，其中所述陶瓷為氮化物或碳化物或硼化物或其混合物的一種或多種。
12.權利要求1所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一種或多種。
13.權利要求12所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一種或多種。
14.權利要求1所述的方法，其中至少一些液體鹵化物在形成鹵化物的液體混合物之前處于壓力下。
15.通過權利要求1所述方法生產的粉末。
16.由權利要求15的粉末制成的固體。
17.一種通過合金成分的混合鹵化物蒸汽與液體堿金屬或堿土金屬或其混合物之間的放熱的表面下還原反應來生產合金的方法，包括以預先選擇的原子比提供合金成分的鹵化物液體混合物，使該液體沸騰直到達到與蒸汽的平衡，以及之后將平衡蒸汽以大于音速的速度注入液態(tài)還原劑金屬，使得以預先選擇的原子比形成平衡蒸汽成分的合金粉末。
18.權利要求17所述的方法，其中所述還原劑金屬是Na或者Mg。
19.權利要求18所述的方法，其中所述鹵化物是氯化物。
20.權利要求19所述的方法，其中所述合金主要為Ti。
21.權利要求20所述的方法，其中所述合金主要為Ti，并包含Al和V。
22.權利要求21所述的方法，其中所述合金主要為6％的Al，4％的V以及余量基本為Ti。
23.權利要求22所述的方法，其中所述還原劑金屬以超過于化學計量的量存在。
24.權利要求23所述的方法，其中所述還原劑金屬以約20倍到約50倍化學計量的量存在。
25.權利要求24所述的方法，其中所述還原劑金屬以流體流的方式存在。
26.權利要求17所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一種或多種。
27.權利要求26所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一種或多種。
28.權利要求17所述的方法，其中至少一些液體鹵化物在形成鹵化物的液體混合物之前處于壓力下。
29.通過權利要求17所述方法生產的粉末。
30.由權利要求29的粉末制成的固體。
31.一種用于通過合金或者陶瓷成分的混合鹵化物蒸汽與液體堿金屬或堿土金屬或其混合物之間的表面下還原反應來生產合金或者陶瓷的設備，包括用于儲存呈液態(tài)形式的每種成分的容器，用于液態(tài)堿金屬或者堿土金屬或其混合物的儲存容器，與每個所述用于儲存呈液態(tài)形式的每種成分的容器連通的鍋爐，與所述鍋爐構成熱交換關系的加熱機構，與所述鍋爐和所述液態(tài)金屬儲存容器相連通的反應器，用于將預定原子比的每種液態(tài)成分轉移到所述鍋爐中的泵機構，以及用于將液態(tài)金屬從所述儲存容器轉移到所述反應器中的泵機構，這樣使來自于所述鍋爐的平衡蒸汽傳到所述反應器中的所述液態(tài)金屬的表面下，以預定的原子比形成所述成分的合金或者陶瓷粉末。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造合金或者陶瓷方法和設備，其通過將陶瓷或者合金成分的沸騰液體的平衡態(tài)混合鹵化物蒸汽注入到液體堿金屬或者堿土金屬或其混合物的表面下。并公開了多種粉末和產品。
文檔編號C22B5/04GK1688731SQ03821246
公開日2005年10月26日 申請日期2003年9月3日 優(yōu)先權日2002年9月7日
發(fā)明者R·安德森, D·阿姆斯特朗, 蘭斯·雅各布森 申請人:國際鈦金屬粉末公司