專利名稱：制備低鋁的鈦鋁合金的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于制備鋁含量低(即含有少于約15重量％的鋁)的鈦鋁合金的方法。
背景技術(shù)：
鈦鋁(Ti-Al)基合金以及基于鈦鋁(Ti-Al)金屬間化合物的合金是非常有價值的材料。然而，它們的制備可能是困難并且昂貴的，特別是以一種粉末形式。這種制備費用限制了這些材料的廣泛使用，即使它們具有用于航空航天、汽車及其他行業(yè)中的非常可取的性能。已經(jīng)披露了用于形成鈦鋁基合金和金屬間化合物的反應器和方法。例如，WO2007/109847披露了一種制備鈦鋁基合金和金屬間化合物的分步方法。WO 2007/109847描 述了基于用鋁還原四氯化鈦而通過一個兩階段還原過程來制備鈦鋁基合金和金屬間化合物。在第I階段，TiCl4被Al (任選地在AlCl3的存在下)還原而根據(jù)以下反應生成了次氯化鈦TiCl4+ (I. 333+x) Al — TiCl3+(1+x) Al+0. 333A1C13TiCl4+ (I. 333+x) Al — TiCl2+ (0. 666+x) Al+0. 666A1C13在第2階段，根據(jù)以下(簡化的)反應圖式，將來自第I階段的產(chǎn)物在200° C和1300° C之間的溫度下處理而生成粉末形式的鈦鋁基合金或金屬間化合物TiCl3+(1+x) Al — Ti-Alx+AlCl3 TiCl2+ (0. 666+x) Al — Ti_Alx+0. 666A1C13雖然WO 2007/109847中披露的反應器和方法可用于制備鋁化鈦如Y-TiAl和Ti3Al (它們含有較高比例的鋁)，但是這些反應器和方法不能可靠地、始終如一地制備低鋁的鈦鋁基合金(即，含有少于約12-15重量％ (12-15wt%)的鋁的鈦鋁基合金)。WO 2009/129570披露了在形成低鋁的鈦鋁基合金所需的條件下使用WO2007/109847中披露的反應器和方法時一種適合于解決與這些反應器和方法有關(guān)的問題之一的反應器。特別是，當依照形成低鋁的鈦鋁基合金所需的條件來運行時，反應材料趨向于在一個特定溫度下附著，這可以阻塞該反應器并阻止該反應器連續(xù)不斷地運行。WO2009/129570的反應器包括一個去除裝置，該去除裝置可操作來去除來自該反應器中間區(qū)段的任何附著材料，該反應器被保持在可能出現(xiàn)附著的溫度下。也可以將該中間區(qū)段進行適配，使得材料被快速轉(zhuǎn)移通過該中間區(qū)段，從而將該材料在可能出現(xiàn)附著(accretion)的溫度下消耗的時間最小化。上述提到的背景技術(shù)并不構(gòu)成是承認這種技術(shù)形成了本領域普通技術(shù)人員的公知常識的一部分。發(fā)明概述本發(fā)明人已經(jīng)努力開發(fā)了用于制備更純形式的低鋁的鈦鋁合金的新方法?；谄胶饣瘜W的數(shù)值模擬以及物理觀察，本領域中普遍認為，鋁不是一種用于制備含有少于約10-15重量％鋁的鈦鋁合金的合適還原劑，因為氯化鈦和鋁會通過一種直接反應而反應形成鋁化鈦(即含有較高比例的鋁的鈦鋁合金)。一旦形成鋁化鈦，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所述鋁化鈦通常不會進一步反應，因此不可能降低它們的鋁含量來獲得一種低鋁合金。然而，本發(fā)明人的研究已經(jīng)導致意外的發(fā)現(xiàn)，即鋁化鈦并非通過以前認為在氯化鈦和鋁之間發(fā)生的直接反應機制而形成，但是當元素鈦和由還原反應生成的氯化鋁一起反應時主要形成鋁化鈦。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn) ，通過嚴格控制在形成低鋁的鈦鋁合金期間發(fā)生的反應的反應動力學而將反應物暴露于非平衡條件下，有可能將鋁化鈦的形成最小化。因此，在第一方面，本發(fā)明提供了一種用于制備含有少于約15重量％鋁的鈦鋁合金的方法。該方法包括一個第一步驟，其中等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量的次氯化鈦用鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物，然后是一個第二步驟，其中加熱該包含元素鈦的反應混合物形成該鈦鋁合金。控制反應動力學，使得導致鋁化鈦形成的反應被最小化。如上文所討論的，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當元素鈦和由還原反應生成的氯化鋁一起反應時，主要形成鋁化鈦。因此，典型地控制反應動力學，使得在該方法過程中形成的氯化鋁(主要是氣態(tài)氯化鋁)與元素鈦之間的反應被最小化。在本發(fā)明的方法中，控制反應動力學，使得將導致鋁化鈦形成的反應(例如在該方法過程中形成的氣態(tài)氯化鋁和元素鈦之間)最小化。本領域的技術(shù)人員應該理解，一個反應的動力學控制了該反應將何時進行并且是以什么速率進行。例如，直到提供所需的活化能才會發(fā)生反應。一些反應可以是放熱的，并且一旦它們開始了便不再需要加熱，或者甚至可以需要對溫度條件進行控制，以免反應產(chǎn)生太多熱量從而形成無法控制的產(chǎn)物。一些反應可以在低溫下非常緩慢地進行，但是在略高的溫度下快速進行，反之亦然。應該理解，存在許多可以用來控制一個反應的動力學的技術(shù)。例如，可以通過控制反應物所暴露的溫度和/或壓力而控制反應動力學。可以通過控制反應在那些條件下暴露的時間長度而控制反應動力學。也可以通過控制反應物和/或產(chǎn)物的相對濃度而控制反應動力學。如在此使用的，術(shù)語“鈦鋁合金”或類似術(shù)語應該理解為涵蓋了一種基于鈦鋁的合金或者一種基于鈦鋁金屬間化合物的合金。如在此使用的，術(shù)語“低鋁的鈦鋁合金”或類似術(shù)語應該理解為是指一種含有少于約15重量％、例如少于約10-15重量％鋁的鈦鋁合金。在一些實施方案中，一種低鋁的鈦鋁合金可以包含約0. I重量％至7重量％的Al。如在此使用的，術(shù)語“氯化鋁”應該理解為是指在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁種類。這些種類在該方法中使用的溫度下典型地是氣態(tài)的，并且包括AlCl3或者任何其他氣態(tài)Al-Cl化合物如AlCl、Al2Cl6和A12C14。如在此使用的，術(shù)語“次氯化鈦”應該理解為是指三氯化鈦TiCl3和/或二氯化鈦TiCl2，或者鈦和氯的其他組合，但是不是TiCl4，它在本申請中被稱為四氯化鈦。在本說明書的一些部分中，可以使用更概括性的術(shù)語“氯化鈦”，其應該理解為是指氣態(tài)的四氯化鈦(TiCl4)、三氯化鈦(TiCl3)、二氯化鈦(TiCl2)或者鈦和氯的其他組合。在一些實施方案中，通過導致在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁在該加熱后的反應混合物周圍氣氛中的濃度下降而控制反應動力學。例如，可以導致在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁被夾帶在一種惰性氣體(如He或Ar)流中并且被其稀釋。替代地或者另外地，在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁可以被也在該方法的過程中在相對較高溫度下形成的氣態(tài)氯化鈦所稀釋。由于該加熱過的反應混合物周圍的氣氛中氣態(tài)氯化鋁的濃度下降，因此在氣態(tài)氯化鋁和元素鈦(或者實際上是在反應混合物中的其他含鈦種類)之間的“逆反應”的可能性被最小化，從而實質(zhì)性地降低了可以通過這個反應路徑形成的鋁化鈦的量。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，以這種方式降低氣態(tài)氯化鋁的濃度有助于在正向上驅(qū)動第一步驟的反應并且生成更多的元素鈦。本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，即使在加熱后的反應混合物周圍氣氛中存在的氣態(tài)氯化鋁的量被降至甚至非常小的量，存在于反應混合物中的種類仍然可以反應(至少在某種程度上)形成鋁化鈦。然而，本發(fā)明人的實驗已經(jīng)表明，如果反應混合物周圍的氣氛中的氣態(tài)氯化鋁的濃度已經(jīng)下降，則在某一溫度以上這些反應是不利的。因此，在一些實施方案中，也可以控制反應動力學，使得通過不涉及氯化鋁的反應導致的鋁化鈦的形成被最小化。例如，通過將該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個在其以上則形成鋁化鈦不再是有利的溫度，可以將通過不涉及氯化鋁的反應而造成的鋁化鈦的形狀最小化。通過這樣做，平衡轉(zhuǎn)向了抑制鋁化鈦形成并且轉(zhuǎn)向了形成一種僅包含小比例的Al的產(chǎn)物。在一個實施方案中，本發(fā)明的方法包括以下步驟(a)將一種包含次氯化鈦(量值是等于或超過了制備該鈦鋁合金所需的化學計算量)和鋁(如鋁粉或者鋁片)的前體混合物加熱至一個第一溫度并持續(xù)一段時間，這段時間是足以使次氯化鈦被鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物；(b)將該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個第二溫度，在該第二溫度以上鋁化鈦的形成不再是有利的；并且(C)將該加熱后的反應混合物暴露于制備該鈦鋁合金的條件下。在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中的一種或多種氣體導致在該方法的過程中形成的任何氣態(tài)氯化鋁被稀釋。由于這種稀釋，反應區(qū)的氣氛中氯化鋁的分壓下降。在一些實施方案中，在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁被夾帶在一種惰性氣體(如He或Ar)流中并且被其稀釋。在一些實施方案中，在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鋁被也是在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鈦所稀釋(氯化鈦可以在相對較高的溫度下從該反應混合物中蒸發(fā))。典型地，致使在該方法的過程中形成的任何氣態(tài)氯化鈦冷凝并返回到反應混合物中。例如，該氣態(tài)氯化鈦可以被夾帶在流動穿過在其中進行該方法的裝置的一種惰性氣體中，并且當它們經(jīng)過該裝置中的一部分反應混合物時冷凝，該裝置在處于低于氯化鈦冷凝溫度的一個溫度下。一旦被冷凝，它們可以與移動穿過該裝置的中間體材料的新鮮流混合。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，氯化鈦的這種“再循環(huán)”可以使得所生成的鈦鋁合金具有甚至更低的鋁濃度。本領域的技術(shù)人員應該理解，該第一溫度取決于該前體混合物的組成。然而，在一些實施方案中，該第一溫度可以在約400° C至約600° C的范圍內(nèi)，例如約500° C，并且該前體混合物可以在這個溫度下暴露約I秒至約3小時的一段時間(如約I秒至約30分鐘)。此外，雖然該第二溫度取決于該前體以及反應混合物的組成，但在一些實施方案 中，該第二溫度可以在約750° C至約900° C的范圍內(nèi)，例如約800° C或者約850° C。在一些實施方案中，將該包含元素鈦的反應混合物在超過約I秒至約10分鐘的一段時間(如10秒至約I分鐘)內(nèi)加熱至該第二溫度。
典型地，步驟(C)包括將該反應混合物從該第二溫度加熱至一個最終溫度并且持續(xù)足以生成該鈦鋁合金的一段時間。該最終溫度可以是例如約900° C至約1100° C (如約1000° C)，或者在一些實施方案中可以甚至更高。將該反應混合物從該第二溫度加熱至該最終溫度所用的時間可以是約10秒至約5小時(如約I小時至約3小時)。在一些實施方案中，也可以在該最終溫度下將該反應混合物加熱一段時間(如約I至2小時)。在一些實施方案中，通過用鋁還原四氯化鈦來形成次氯化鈦(如在上述前體混合物中的次氯化鈦)。有利地，在這些實施方案中，隨后不必從該反應混合物中去除其他還原齊U(如鈉或鎂)，以免它們污染最終產(chǎn)物。在這些實施方案中，可以通過將四氯化鈦與鋁一起加熱到小于約200° C(如小于約136° C，這是TiCl4的沸點)的溫度持續(xù)足以形成次氯化鈦的一段時間，來還原該四氯化 鈦。通過以這種方式控制這種反應的反應動力學，有可能控制四氯化鈦的還原(這是一種可以較容易地變得不可控并且導致形成鋁粉塊和/或含有往往低品質(zhì)的多相鋁化鈦的產(chǎn)物的高度放熱反應)，使得可以獲得產(chǎn)物的一種可重現(xiàn)的混合物。在一些實施方案中，四氯化鈦可以在AlCl3的存在下用鋁還原，由本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這提高了反應的效率。在一些實施方案中，當還原四氯化鈦時提供過量的鋁。然后未反應的鋁可以用于通過本發(fā)明的方法來還原次氯化鈦(例如，來自TiCl4還原的未反應的鋁就是用于還原次氯化鈦的前體混合物中的鋁)。另外，在一些實施方案中，可以將鋁加入到次氯化鈦中以形成該前體混合物。在一些實施方案中，制備一種摻有另外一種或多種元素的低鋁的鈦鋁合金可能是所希望的。在這些實施方案中，在第一步驟中(例如在前體混合物中)也提供了用于摻入該合金中的另外一種或多種元素的一種來源。在一些實施方案中，也可以通過將反應區(qū)中的壓力保持在2個大氣壓或以下而控制反應動力學。在第二方面，本發(fā)明提供了一種由該第一方面的方法制備的、含有少于約15重量％鋁的鈦鋁合金。在第三方面，本發(fā)明提供了一種用于制備含有少于約15重量％鋁的鈦鋁合金的方法。該方法包括使用鋁將次氯化鈦可控性地還原成元素鈦(即生成一種包含元素鈦的混合物)、并且將所得的混合物加熱至一個溫度(同時基本上防止元素鈦與氯化鋁反應)，在該溫度下當基本上不存在氯化鋁時，元素鈦會與剩余鋁反應而形成含有少于約15重量％鋁合金的鈦鋁合金、并且不會反應形成鋁化鈦。在第四方面，本發(fā)明提供了一種用于制備含有少于約15重量％鋁的鈦鋁合金的方法。該方法包括用鋁來分步還原一種四鹵化鈦而形成元素鈦、然后進行加熱以形成該鈦鋁合金，其中控制了反應動力學，使得在該方法的過程中形成的任何鹵化鈦和元素鈦之間的反應被最小化。附圖
簡要說明現(xiàn)在參考附圖僅通過舉例來描述本發(fā)明的實施方案，在附圖中圖I顯示了一個圖表，該圖表展示了當以分批模式進行W02007/109847中披露的方法時，隨起始材料中的[Al]/[TiCl4]比率而不變的不同Ti-Al合金的Ti濃度(wt. %);并且圖2顯示了在0° C至1000° C溫度下一種比率為I. 5:1. 333摩爾的TiCl4-Al混合物的平衡組成的數(shù)值模擬結(jié)果。發(fā)明的詳細說明如上文所討論的，本發(fā)明提供了一種用于制備含有少于約10重量％至15重量％(例如從約0. lwt%至約7wt%) d鋁的鈦鋁合金的方法。本發(fā)明的方法包括用鋁來分步還原次氯化鈦而形成元素鈦、然后進行加熱以形成該鈦鋁合金?？刂屏朔磻獎恿W，使得導致鋁化鈦形成的反應被最小化。由于這些鋁化鈦主要是通過氣態(tài)氯化鋁和元素鈦之間的反應形成的，因此典型地控制反應動力學來將這些反應最小化。典型地，也將反應動力學控制為使得通過其他反應路徑(即，通過不涉及氣態(tài) 氯化鋁的反應)形成的鋁化鈦被最小化。雖然許多技術(shù)都可以用于控制一個反應的動力學，但最簡單的技術(shù)包括控制反應物所暴露的溫度和/或壓力、它們在這些條件下暴露的時間、以及反應物和/或產(chǎn)物的相對濃度。本領域技術(shù)人員應該理解，一些反應直到已經(jīng)達到某一溫度才會發(fā)生，而一些反應在更低溫度下與其他反應相比是更不利的。一些反應在低溫下也可以緩慢地發(fā)生，但是一旦已經(jīng)達到某一溫度便會快速發(fā)生，反之亦然。此外，控制反應物/產(chǎn)物的相對濃度可以影響反應的動力學(例如，控制反應物之間的接觸表面積和/或控制主導反應物)。本發(fā)明使用了以下意外發(fā)現(xiàn)，即，當次氯化鈦與鋁在制備低鋁合金所需的條件下反應時，這實際上是在元素鈦和氯化鋁之間的反應，這些反應導致形成了大部分的鋁化鈦。隨后本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，通過嚴格控制反應動力學而使得非平衡條件占主導，有可能使鋁化鈦的形成最小化，反而形成低鋁的鈦鋁合金。0}本發(fā)明方法的第一步驟中存在的次氯化鈦的量必須等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量。如果次氯化鈦的量低于制備該鈦鋁合金所需的化學計算量，那么鋁的比例對于制備所需的低鋁的鈦鋁合金來說則太高了。下面進一步詳細描述了本發(fā)明方法的實施方案，其中通過在每個反應步驟中控制反應物所暴露的溫度(以及任選地壓力)以及這些步驟中反應物的停留時間和相對濃度而控制反應動力學。在這些實施方案中，該方法包括以下步驟(a)將一種包含次氯化鈦(量值是等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量)和鋁(如鋁粉或者鋁片)的前體混合物加熱至一個第一溫度并持續(xù)一段時間，這段時間是足以使次氯化鈦被鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物；(b)該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個第二溫度，在該第二溫度以上鋁化鈦的形成不再是有利的；并且(C)將該加熱后的反應混合物暴露于制備該鈦鋁合金的條件下。在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中的一種或多種氣體導致在該方法的過程中形成的任何氣態(tài)氯化鋁被稀釋。由于這種稀釋，相對于如果不提供一種或多種氣體時氣態(tài)氯化鋁的分壓，在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中的氯化鋁的分壓優(yōu)選地被降低了超過2x，更優(yōu)選超過10x，并且還更優(yōu)選地超過100x。可以將這些氣體中的一種或多種由外部提供至該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中，當致使一種惰性氣體流動穿過包含該加熱后的反應混合物的裝置時就是這種情況。替代地(或者另外地)，這些氣體中的一種或多種可以由該反應混合物本身產(chǎn)生，當通過加熱該反應混合物而造成該反應混合物中的氯化鈦升華時就是這種情況?，F(xiàn)在依次描述這些步驟中的每一個。步驟(a)在步驟(a)中，將一種包含次氯化鈦的前體混合物與鋁一起加熱至一個第一溫度并且持續(xù)一段時間，這段時間是足以使次氯化鈦被鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物；可以通過在一個初步反應中用鋁還原四氯化鈦以形成次氯化鈦而提供該前體混合物中的次氯化鈦，如下面更詳細地描述的。有利地，如果鋁在這個步驟中用作還原劑，就不需要純化步驟，因為鋁不會污染最終產(chǎn)物。此外，可以使用過量的鋁來將四氯化鈦還原成次氯化鈦，剩余鋁提供了該前體混合物中的鋁，并且在實施步驟(a)之前將任何更多的鋁 加入該前體混合物中或許是不必要的。然而要理解的是，可以用來還原四氯化鈦而形成次氯化鈦的任何方法(例如，使用氫、鈉或鎂作為還原劑)都可以用于提供該前體混合物中的次氯化鈦。得到的鈦鋁合金的鋁含量由該前體混合物中鋁的量所決定。因此，為了提供一種低鋁的鈦鋁合金，在該前體混合物中以等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量的一個量來提供次氯化鈦。圖I顯示了所得合金(使用WO 2007/109847中披露的方法制備的)中的鈦含量對比起始材料中的[Al]/[TiCl4]的摩爾比?？梢钥闯觯煤辖鹬械匿X含量(Al含量等于100減去Ti含量)可以從幾個百分點(如對于低鋁的Ti-Al合金)變化到含有約60%A1的鋁化鈦，如 Y-TiAl (即 TiAl3X這些結(jié)果表明，只有當在前體混合物中以等于或超過制備合金所需的化學計算量的一個量來提供次氯化鈦時才會因此制備出Al含量少于約10被％至15wt%的鈦鋁合金(即，起始材料中的Al含量必須低于次氯化鈦和鋁之間的反應所需的正常的化學計算量)。通過將可以在相對較高的溫度下從該反應混合物中蒸發(fā)的氣態(tài)氯化鈦進行“再循環(huán)”，可以進一步降低所得鈦鋁合金中鋁的比例。在這種再循環(huán)過程中，由于該反應混合物被加熱(例如，由于它向WO 2007/109847中披露的反應器的高溫區(qū)前進)，則留在該反應混合物中的氯化鈦在較低溫度下升華并且可以被吹向(典型地通過被一個惰性氣體流攜帶)該反應區(qū)的一個部分，在此它們可以再次冷凝并與一個新鮮材料流進行混合。由于次氯化鈦的這種“再循環(huán)”，進入高溫區(qū)的材料的[Al]/[TiClx]比率進一步下降。圖I表明，[Al]/[TiClJ的這種下降會導致所得的鈦鋁合金中鋁濃度更低。該前體混合物中(和/或上述涉及TiCl4的初步反應中，在本發(fā)明的實施方案中該反應涉及這樣一種初步反應)的鋁可以按任何形式提供，例如以一種粉末或片的形式。如果鋁以一種細粉形式提供，在這些顆粒的近似粒度通常是直徑小于50微米。然而，這些顆粒的制備相當昂貴，并且會增加工藝成本。因此，優(yōu)選是使用更粗的鋁粉，其中該粉末的近似最大粒度是直徑大于50微米。在這些實例中，可以機械研磨該粉末以便在至少一個維度上降低鋁粉的尺寸。這可以導致生成了在至少一個維度上的尺寸小于50微米并且足以促進次氯化鈦(或四氯化鈦)和鋁之間令人滿意的反應的鋁“片”。事實上，鋁片提供了一個更高的反應表面積，并且這些片的小厚度可以導致產(chǎn)物組成更均勻。本領域的技術(shù)人員應該理解，該第一溫度取決于該前體混合物的組成(該第一溫度會例如根據(jù)所希望的低鋁的鈦鋁合金的組成以及除了鈦和鋁之外是否還存在其他合金添加劑而發(fā)生變化)。在一些實施方案中(例如，當在該反應混合物中只是存在鈦和鋁的種類時)，該第一溫度可以在約400° C至約600° C的范圍內(nèi)(如約500° C)，并且該前體混合物可以在這個溫度下暴露約I秒至約3小時的一段時間(如約I分鐘至約30分鐘或者約10分鐘至約2小時)。在替代實施方案中，該第一溫度可以是約525° C。在存在合金添加劑的實施方案中，由于合金添加劑可以促進氯化鈦和鋁之間的反應，該第一溫度可以在約300° C至約500° C的范圍內(nèi)。然而在其他實施方案中，這些合金添加劑可能起到延遲氯化鈦和鋁之間反應的作用，則該第一溫度可能是在約500° C至約650° C之間的范圍內(nèi)。確定對于包含了有待摻入所得低鋁的鈦鋁合金中的另一種元素來源的這些前體混合物而言的該第一溫度是在本領域技術(shù)人員的能力之內(nèi)。當達到該第一溫度時，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，次氯化鈦被鋁還原而形成元素鈦和氯化鋁的這個反應變得有利，并且因此在很大程度上發(fā)生。如上文所討論，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)觀念相反，當在制備低鋁的合金所需的條件下用鋁還原次氯化鈦時，是元素鈦和氯化鋁之間的反應導致了大部分鋁化鈦的形成。因此，一旦元素鈦在顯著程度上存在于該反應混合物中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，必須小心地控制反應動力學，以將元素鈦和氯化鋁之間的反應最小化。在這個實施方案中，通過用一種或多種氣體來稀釋存在于該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中的任何氣態(tài)氯化鋁(步驟(C))而控制反應動力學。這樣，發(fā)生氣態(tài)氯化鋁和元素鈦之間的反應的可能性更小。盡管如此，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，由于本發(fā)明認為的可以引發(fā)氣態(tài)鋁和鈦之間的反應以及不涉及氣態(tài)氯化鋁的其他反應的多種原因，鋁化鈦的形成仍然可以在某些溫度下發(fā)生。為了將鋁化鈦的這種形成最小化，也通過快速加熱該反應混合物來控制反應動力學，使得不涉及氣態(tài)氯化鋁的、形成鋁化鈦的反應不再是有利的(步驟(b))。下面會進一步詳細地討論這點。用一種或多種氣體來稀釋在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中所形成的氣態(tài)氯化鋁降低了氣態(tài)氯化鋁在該氣氛中的分壓，這使它們能夠與元素鈦發(fā)生反應的可能性降低。該氣體可以是例如一種流動穿過在其中進行該方法的裝置的氣體，因此當氣態(tài)氯化鋁形成時，它們快速地從反應區(qū)中被去除，并且它們與元素鈦反應的可能性被進一步顯著地降低。在一些實施方案中，通過致使氣態(tài)氯化鈦從該反應混合物中升華可以降低該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中氯化鋁的分壓(如果還提供一種惰性氣體流，在是甚至進一步的)。步驟(b)在步驟(b)中，將該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個第二溫度，高于該第二溫度則鋁化鈦的形成不再是有利的。
如上文所討論的，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在基本上不存在氯化鋁時，留在該反應混合物中的種類之間形成鋁化鈦的反應在某一溫度以上不再是有利的。這個方面，圖2顯示了在0° C至1000° C溫度下用于TiCl4和Al的一種混合物(比率為1.5比I. 333摩爾)的平衡條件的數(shù)值模擬結(jié)果。在這個數(shù)值模擬中，AlCl3 (g)的活度系數(shù)降低到0.01，以反映氣氛中AlCl3 (g)的減小的蒸汽密度。在圖2中可以辨別出三個區(qū)域。在第一個區(qū)域中，在小于約300° C的溫度下，優(yōu)勢金屬種類是TiAl3。在第二個區(qū)域中，在約300° C和800° C之間的溫度下，優(yōu)勢金屬種類是TiAl。因此，如果在低于約800° C下(以所描繪的數(shù)值模擬的具體條件)允許在存在于該反應混合物中的種類之間發(fā)生反應，這些反應會導致主要形成鋁化鈦。然而，在第三個區(qū)域中，在高于約800° C至850° C的溫度下，元素鈦是優(yōu)勢金屬種類。因此，為了減少(或者甚至避免)在一旦已經(jīng)形成元素鈦時便形成鋁化鈦(以所描繪的數(shù)值模擬的具體條件)，有必要將該反應混合物快速加熱至一個溫度，在該溫度下鋁化鈦的形成不再是有利的(即，在圖2中模擬的具體條件下高于800° C)。將該反應混合物快速加熱至該第二溫度減少了導致鋁化鈦的反應可以發(fā)生的時間。一旦高于這個第二溫度并且在基本上不存在氯化鋁時，非平衡條件占優(yōu)勢，并且不再顯著地形成鋁化鈦。圖2中可以看出，在1000° C下，存在少量的TiAl。這將溶解到主要Ti基質(zhì)中，從而產(chǎn)生一種Al含量低的Ti-Al固體溶液。一旦被冷卻，這種材料會變成低鋁的鈦鋁合金。此外，本領域的技術(shù)人員應該理解，高于它則鋁化鈦的形成不再是有利的這個溫度將會根據(jù)存在于該反應混合物中的材料性質(zhì)、所希望的合金的組成、以及其他已知的或者技術(shù)人員容易確定的因素而變壞。例如，在一些實施方案中，該第二溫度可以在約700° C和約900° C之間，約750° C和約850° C之間或者約800° C和約850° C之間。在一些實施方案中，該第二溫度可以是約750° C、約800° C或者約850° C。對于使用常規(guī)技術(shù)的一個具體系統(tǒng)，這個溫度可以很容易由本領域技術(shù)人員來技術(shù)確定。步驟(C)在步驟(C)中，將步驟(b)的反應混合物暴露于制備該鈦鋁合金的條件下。典型地，步驟(C)包括將該反應混合物加熱至一個最終溫度并且持續(xù)一段足以制備該鈦鋁合金的時間。如上所述，在此時間段內(nèi)，該少量TiAl會溶于主要Ti基質(zhì)中，從而產(chǎn)生一種Al含量低的Ti-Al固體溶液。最終溫度可以是例如約1000° C，或者在一些實施方案中甚至更聞。當在步驟(C)中加熱該反應混合物時，存在于該反應混合物中的氯化鈦可以升華或者蒸發(fā)并且形成氣態(tài)種類。在一些實施方案中，這些氣態(tài)氯化鈦可以被夾帶在一種流動穿過該反應區(qū)的氣體中，使得它們被攜帶到在其中實施該方法的裝置的一個冷卻器區(qū)段，在這里它們可以再次冷凝并且與在裝置的這個區(qū)段中的反應混合物混合。以這種方式使鈦有效地再循環(huán)，這有助于進一步降低該反應混合物中(因此在所得的合金中)鋁的含量。如上文所討論，這些氣態(tài)氯化鈦也進一步稀釋了所形成的這些氣態(tài)氯化鋁，這進一步降低了在氯化鋁和元素鈦之間發(fā)生反應的可能性。也可以通過將該反應區(qū)中的壓力保持在2個大氣壓或以下、典型地為約I個大氣壓，從而控制本發(fā)明的方法的過程中的反應動力學。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，提高實施本發(fā)明的方法的壓力導致這些氣態(tài)氯化鋁的密度增大，這增加了在氯化鋁和元素鈦之間不希望的反應的可能性。
形成次氯化鈦的初步反應
雖然不一定以其最廣泛的形式形成了本發(fā)明方法的一部分，但是簡要描述可以怎樣形成一種含有次氯化鈦和鋁的混合物以便用于本發(fā)明的方法中(例如，如上所述的用于步驟(a)中的該前體混合物)是有用的。這種反應本質(zhì)上與WO 2007/109847中披露的反應一樣。在一個初步反應中，將鋁和適量的TiCl4 一起引入一個容器中。在一些實施方案中，鋁也可以在即將加入TiCl4中之前與無水AlCl3充分混合。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用AlCl3可以提高反應的效率，尤其是在較低溫度下。加熱TiCl4和Al以及任選的AlCl3的混合物，以便獲得一種TiClx_Al_AlCl3的中間固體粉末。在一些實施方案中，加熱溫度可以低于200° C,例如,低于150° 0。41(313具有在160° C左右的升華點，并且由于希望將氯化鋁保持在溶液中，在一些實施方案中是在約160° C下進行反應。在一些實施方案中，加熱溫度甚至可以低于136° C(S卩，低于TiCl4 的沸點)，這樣TiCl4和Al之間的固-液反應占優(yōu)勢?？梢栽诩訜岬耐瑫r在一個初步反應區(qū)中攪拌該TiClx-Al-AlCl3混合物，這樣TiClx-Al-AlCl3的所得產(chǎn)物是粉狀的并且均勻的。通過加入超過了將TiCl4還原成TiCl3或打(12(“11(12，3”)所需的化學計算量的鋁，所有11(14都可以被還原而形成11(12，34141(13的所得產(chǎn)物，并且加入任何另外的鋁以生成用于本發(fā)明的步驟(I)的前體混合物或許不是必要的。替代地，可以將另外的Al加入該初步反應的產(chǎn)物中。在一些實施方案中，將TiCl4和/或固體反應物Al以及任選的AlCl3逐步加入到反應容器中。在所有實施方案中，可以將另外元素的來源加入起始的TiCl4-Al-AlCl3混合物中。在這個還原步驟結(jié)束時，在實施本發(fā)明方法的步驟(I)之前，任何未反應的TiCl4可以分別從所得的固體前體材料TiCl2，3-Al-AlCl3中收集以便再循環(huán)。其他合金添加劑在本發(fā)明的方法中也有可能包括另外一種或多種元素(S卩，除了鈦和鋁之外的又一種或多種元素)的一種來源，以獲得摻有該另外一種或多種元素的低鋁的鈦鋁合金。在一些實施方案中，這另外的一種或多種元素的一種或多種來源可以在用鋁還原之前與次氯化鈦混合。另外，可以在一個不同的處理階段引入這另外的一種或多種元素的一種或多種來源。例如，在一些實施方案中，這另外的一種或多種元素的一種或多種來源可以與鋁一起研磨并且加入到以上所述的前體混合物中或者在包括這個初步步驟的本發(fā)明的實施方案中加入到用于還原四氯化鈦的鋁中。在一些實施方案中，甚至可以在形成低鋁的鈦鋁合金的反應已經(jīng)開始之后將這另外的一種或多種元素的一種或多種來源加入到該反應混合物中。在希望形成含有釩的低鋁的鈦鋁合金的實施方案中，可以例如將氯化釩(VCl4)和/或次氯化釩(如三氯化釩(VCl3)和/或二氯化釩(VCl2))加入(例如，到該前體混合物中)，并且所得合金會包含釩。例如，能以這種方式制備出合金Ti-6Al-4V(g卩，一種具有6被％鋁和4wt% f凡的鈦合金,該鈦合金具有改善的金屬性能，如更好的抗螺變性、疲勞強度以及承受較高工作溫度的能力)。另一種元素的來源可以是例如一種金屬鹵化物、一種金屬次鹵化物、一種純元素或者包含該元素的另一種化合物(優(yōu)選金屬鹵化物，更優(yōu)選金屬氯化物)。取決于所需的最終產(chǎn)物，該來源也可以包括含有一種所需的合金添加劑的其他前體的一種來源。該另外的元素的來源可以是一種固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的形式。當該另外元素的來源是一種具有類似于氯化鈦的特性的基于鹵化物的化學物質(zhì)時，對于這些另外元素的來源，以上關(guān)于該反應區(qū)內(nèi)的次氯化鈦所說明的再循環(huán)過程也可以出現(xiàn)。例如，為了制備Ti-6A1-4V，其中三氯化釩是釩的來源，VCl3和VCl2可以表現(xiàn)得類似于TiCl3和TiCl2,并且在該反應區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的再循環(huán)可以包括次氯化鈦和次氯化釩?？梢允褂帽景l(fā)明的方法制備的合金可以包含鈦、鋁以及本領域技術(shù)人員所了解的可以摻入合金中的任何一種或幾種其他附加元素，例如金屬或非金屬元素。典型的元素包括鉻、銀、銀、鑰、錯、娃、硼、鉭、碳、錫、鉿、乾、鐵、銅、鎳、氧、氮、鋰、秘、猛或鑭。其他元素包括鈹、硫、鉀、鈷、鋅、釕、銠、銀、鎘、鎢、鉬或金。本領域的技術(shù)人員應該理解，以上列出的元素是合適元素的實例，并且許多其他元素也可以包含在本發(fā)明的方法中。例如，該鈦鋁基合金可以基于一種Ti-Al-V合金、一種Ti-Al-Nb-C合金、一種Ti-Al-Fe合金或者一種Ti-Al-Xn合金的系統(tǒng)(其中n是這些附加元素X的數(shù)目并且小于20，并且X是一種附加元素，如鉻、銀、銀、鑰、錯、娃、硼、鉭、碳、錫、鉿、乾、鐵、銅、鎳、氧、氮、 鋰、鉍、錳和鑭)?？梢允褂帽景l(fā)明的方法制備的低鋁的鈦鋁合金的具體實例是Ti-6A1-4V、Ti-10V-2Fe-3Al、Ti_13VllCr_3Al、Ti-2. 25-A1-1 lSn-5Zr-lMo_0. 2Si、Ti-3Al-2. 5V、Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr, Ti-5AI-2Sn-2Zr-4Mo_4Cr、Ti_5Al_2. 5Sn、Ti-5Al-5Sn-2Zr-2Mo-0. 25Si、Ti-6Al-2Nb-lTa_lMo、Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0. 25Si、Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo、Ti-6Al-2Sn-4Zr_6Mo、Ti-6Al-2Sn_l. 5Zr-lMo-0. 35Bi-0. ISi、Ti-6Al-6V-2Sn-0. 75Cu、Ti-7AI_4Mo、Ti-8Al-lMo_lV 或者 Ti-8Mo-8V-2Fe_3Al。使用本發(fā)明的方法制備的低鋁的鈦鋁合金可以是例如一種細粉、一種附聚粉末、一種部分燒結(jié)的粉末或者一種海綿狀材料的形式。
該產(chǎn)品可以進一步處理(例如，用于制備其他材料)。另外，可以將一種粉末加熱以便制造一種更粗粒的粉末，或者壓實和/或加熱然后熔化以制備鑄錠。優(yōu)選地，低鋁的鈦鋁合金是以粉末形式來制備的，這對于制造鈦鋁合金產(chǎn)品更通用，例如，可以用于航空工業(yè)的成形的風扇葉片。可以使用本發(fā)明的方法制備的低鋁的鈦鋁合金中鋁的量是小于約15wt%，并且可以例如在該合金的0. lwt%和15wt%之間。在一些實施方案中，該合金可以包含0. lwt%和10wt%之間的Al、0. lwt%和9wt%之間的Al、0. 5wt%和9wt%之間的Al、或者lwt%和8wt%之間的Al。在一些實施方案中，該合金可以包含0. 5wt%、lwt%、2wt%、3wt%、4wt%、5wt%、5wt%、6wt%、7wt%、8wt% 或者 10wt% 的 Al。反應容器可以在已經(jīng)被適配成提供對反應動力學(如溫度和壓力條件)的必要控制的任何合適的反應容器中實施本發(fā)明的方法。例如，WO 2007/109847和WO 2009/129570中披露的反應器可以被適配成實施本發(fā)明的方法。下面將詳細地描述具體的示例性實施方案。在一個包含次氯化鈦和鋁(以及任選其他合金添加劑)的反應容器中，將一個反應區(qū)加熱到一個第一溫度(如500° C或者525° C)，在該溫度下發(fā)生了次氯化鈦(尤其是三氯化鈦)和鋁之間的顯著反應。一段足夠的時間后，一些次氯化鈦已經(jīng)被鋁還原而在該反應區(qū)(根據(jù)最終產(chǎn)物所需，也包含一定比例的鋁)中產(chǎn)生元素鈦的一種粉末和氣態(tài)氯化鋁。這些氣態(tài)氯化鋁被一種氣體(典型地是一種惰性氣體如Ar和氯化鈦,如下文所討論,氯化鈦已經(jīng)在一個更高溫度區(qū)從該反應混合物中升華)所稀釋，如下所述，可以致使該氣體流動穿過該反應區(qū)。如上文所討論的，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)觀念相反，當次氯化鈦與鋁反應而生成低鋁的合金時，是元素鈦和氯化鋁之間的反應主要造成了鋁化鈦的形成(這阻止了低鋁的鈦鋁合金的形成)。因此，一旦生成元素鈦的反應在很大程度上發(fā)生，則稀釋在反應混合物的周圍氣氛中的氣態(tài)氯化鋁大大減少鋁化鈦的形成。然而，即使該反應區(qū)的周圍氣氛中氣態(tài)氯化鋁的分壓下降了，但典型地有必要將該反應混合物快速加熱至一個溫度，在該溫度下鋁化鈦的形成不再是動力學上有利的，因為存在于該反應混合物中的其他種類也可以發(fā)生反應而形成鋁化鈦。情況可能就是這樣，例如，如果希望一種鋁含量非常低的合金的話。因此，在相同的反應區(qū)或者一個不同的反應 區(qū)將該反應混合物快速加熱至一個第二溫度。在一些實施方案中，這可以通過將該反應混合物從該容器的一個區(qū)段快速移動到另一個區(qū)段而實現(xiàn)(例如使用一種耙子裝置)。在其他實施方案中，這可以通過快速加熱該反應區(qū)本身而實現(xiàn)。然后將該反應混合物從該第二溫度加熱至發(fā)生了形成該低鋁的鈦鋁合金的反應的一個溫度。該第二溫度可以取決于該反應混合物中材料的性質(zhì)以及期望的鈦鋁合金，但是典型地是高于800° C (如850° C)，如上文所討論的，本發(fā)明人的實驗表明，在該第二溫度下形成鋁化鈦的反應變得動力學上較為不利。在第二溫度以上發(fā)生的反應主要是基于次氯化鈦和鋁化合物之間的固-固反應。然而，在高于該第二溫度的溫度下，氯化鈦可以分解并升華，從而導致在該反應區(qū)中存在TiCl4 (g)、TiCl3 (g)和TiCl2 (g)的氣態(tài)種類。在這些種類和該反應混合物中的鋁基化合物之間可以發(fā)生氣-固反應。第二區(qū)段中的這些反應通常是在高達約1000° C (或者甚至更高，取決于所制備的合金的性質(zhì))的溫度下進行，以便制備一致的產(chǎn)品。氣態(tài)氯化鈦也有助于稀釋這些氯化鋁并且顯著地減少元素鈦和氯化鋁之間的反應。可以使一種氣體流動穿過該容器，以便稀釋并且優(yōu)選地去除該反應器中的氣氛中的氣態(tài)氯化鋁，并且優(yōu)選地造成以上討論的氯化鈦的再循環(huán)。由于該反應器中的材料通常是自燃的并且處理起來有危險，因此該反應器典型地包括一種惰性氣體(如氦氣或氬氣)的來源并且被適配成致使該惰性氣體在與該反應混合物相反的方向上流動穿過該反應區(qū)，直到該它最終經(jīng)由一個氣體出口離開該反應區(qū)。典型地，該氣體流是由一個吹動該氣體通過該反應器的吹風機驅(qū)動。然而，應該理解，可以使用造成該氣體被驅(qū)動通過該反應器的其他機制(例如，溫和的壓力、吸入或?qū)α?。在該反應器的對應區(qū)段中反應混合物的停留時間可以由本領域技術(shù)人員已知的因素確定，并且是取決于反應物和所期望的最終產(chǎn)物的組成和特性。例如，對于Al含量低的粉狀產(chǎn)物，如Ti-6A1，需要在向該反應器的出口前進之前將過量的次氯化鈦從該反應混合物中去除。因此，需要更多的熱量，并且這些材料需要在1000° C下保持更長時間，以使得所得合金中的氯含量最小化。實施例下面描述了一個實施例，在該實施例中，使用本發(fā)明的方法來制備Ti-6wt%Al-4wt%V，通常稱為Ti64。這種合金廣泛用于航空工業(yè)中。使用起始材料液體TiCl4、VCl3粉末和Al細粉制備Ti-6wt%Al-4wt%V。生成Ti64的化學計量反應是TiCl4+l. 494A1+0. 042VC13 — Ti-0. 112at%Al_4. 2at%V+AlCl3首先將Al粉(200g)和VCl3 (32. 6g)與AlCl3 (IOOg)混合，并且在氬氣下裝入一個容器中。如果需要釩的更加均勻的分布，可以研磨該混合物。然后將該容器在I個大氣壓下加熱至100° C左右的溫度，并且將650ml的TiCl4逐步加入到該混合物中。將所得混合物在低于137° C的溫度下保持幾個小時，然后干燥這些材料以去除未反應的TiCl4。將中間產(chǎn)物的混合物(一種980g左右的紫色粉末，由TiCl3、 Al、VC13、AlCl3和TiCl2 (少量)組成)從該容器中排出。如下所述，然后在一個第二反應容器中在200° C至1000° C的溫度下加熱這種混合物。將氣態(tài)氯化鋁副產(chǎn)物用存在于該反應容器中的氬氣以及從較高溫度的反應區(qū)中揮發(fā)的氣態(tài)氯化鈦稀釋，并且使用流動的氬氣從該反應容器中去除。中間產(chǎn)物的粉末首先在該容器中從約200° C至約500° C的溫度緩慢地移動，這造成TiCl3與Al粉反應并且導致顯著量的元素鈦的形成。然后將這種元素鈦與該粉末中的其他種類(包括次氯化鈦)一起快速加熱到大于800° C的溫度。然后，將溫度再次逐漸升高至約1000° C。然后所得產(chǎn)物從該容器中倒出并加入一個收集容器中。當反應物的溫度升高至高于800° C時，由于存在僅僅少量的Al反應物，出現(xiàn)了氯化鈦種類的明顯升華，這導致了所形成的氣態(tài)氯化鋁副產(chǎn)物的較多稀釋。當朝著該反應容器的入口(具有更低的溫度)驅(qū)動這些氣態(tài)氯化鈦和氯化鋁時，氣態(tài)氯化鈦冷凝并與正朝向該高溫區(qū)域移動的新鮮反應材料混合。以這種方式，使得反應材料中鈦的量增加，從而使得有可能形成該低鋁的鈦鋁合金。每隔幾分鐘以小樣本收集產(chǎn)物并分析。發(fā)現(xiàn)運行開始時收集的材料富含Al，為約10重量％。然而，當系統(tǒng)運行達到一個穩(wěn)定狀態(tài)時，Al濃度下降，導致生成一種具有約6wt%Al和4wt%V的組成的鈦招鑰；合金。本發(fā)明所屬領域的技術(shù)人員應該理解，可以進行許多修改而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。例如，本發(fā)明的方可以按除了控制反應溫度外的方式來控制分步反應的反應動力學，從而還原次氯化鈦，例如通過控制該反應器中這些氯化鋁的路徑，以根據(jù)所期望的最終產(chǎn)物而將與元素鈦的反應最小化或最大化。在下面的權(quán)利要求書和本發(fā)明的前述說明書中，除了上下文由于表達語言或者必要的暗示而另外要求之外，詞語“包含(comprise)”或者其變形形式如“包含了(comprises)”或“包含有(comprising)”是以一種包含的意義使用的，即,用于指明定所述特征的存在但是不排除在本發(fā)明的不同實施方案中另外的特征的存在或增加。
權(quán)利要求
1.一種用于制備含有少于約15重量％鋁的鈦鋁合金的方法，該方法包括 一個第一步驟，其中將等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量的一個量值的次氯化鈦用鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物，然后 一個第二步驟，其中將該包含元素鈦的反應混合物加熱以形成該鈦鋁合金， 其中控制該反應動力學，使得導致鋁化鈦形成的反應被最小化。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中控制該反應動力學，使得在該方法的過程中形成的氯化鋁與該元素鈦之間的反應被最小化。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的方法，其中通過致使在該方法的過程中在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中形成的氣態(tài)氯化鋁的濃度下降而控制該反應動力學。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中在該方法的過程中形成的這些氣態(tài)氯化鋁被夾帶在一種惰性氣體流中并被該惰性氣體流稀釋。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或權(quán)利要求4所述的方法，其中在該方法的過程中形成的這些氣態(tài)氯化鋁被也是在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鈦所稀釋。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5中任何一項所述的方法，其中還控制該反應動力學使得通過不涉及氯化鋁的反應而造成的鋁化鈦的形成被最小化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中通過將該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個溫度而使得通過不涉及氯化鋁的反應所造成的鋁化鈦的形成被最小化，高于該溫度時鋁化鈦的形成不再是有利的。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的方法，其中，在該第一步驟中 (a)將一種包含次氯化鈦和鋁的前體混合物加熱至一個第一溫度并持續(xù)一段時間，這段時間是足以使次氯化鈦被鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物； 然后，在該第二步驟中 (b)將該包含元素鈦的反應混合物快速加熱至一個第二溫度，高于該第二溫度時鋁化鈦的形成不再是有利的；并且 (c)將該加熱后的反應混合物暴露于制備該鈦鋁合金的條件下； 其中在該加熱后的反應混合物的周圍氣氛中的一種或多種氣體致使在該方法的過程中形成的任何氣態(tài)氯化鋁都被稀釋；并且 其中該前體混合物中的這些次氯化鈦的量是等于或超過了制備該鈦鋁合金所需的化學計算量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中在該方法的過程中形成的這些氣態(tài)氯化鋁被夾帶在一種惰性氣體流中并被該惰性氣體流稀釋。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，其中在該方法的過程中形成的這些氣態(tài)氯化鋁被也是在該方法的過程中形成的氣態(tài)氯化鈦所稀釋。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10中任何一項所述的方法，其中致使在該方法的過程中形成的任何氣態(tài)氯化鈦被冷凝并返回到該反應混合物中。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中這些氣態(tài)氯化鈦夾帶在一種惰性氣體流中，并且當它們穿過該反應混合物的一部分時被冷凝，該部分是處于低于這些氯化鈦的冷凝溫度的一個溫度下。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12中任何一項所述的方法，其中該第一溫度在約400°C至約600° C之間的范圍內(nèi)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8至13中任何一項所述的方法，其中這些次氯化鈦在從約I秒至約3小時的一段時間被鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求8至14中任何一項所述的方法，其中該第二溫度是在約750°C至約900° C的范圍內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求8至15中任何一項所述的方法，其中在約I秒至約10分鐘的一段時間內(nèi)將該包含元素鈦的反應混合物加熱至該第二溫度。
17.根據(jù)權(quán)利要求8至16中任何一項所述的方法，其中步驟(c)包括將該反應混合物從該第二溫度加熱至一個最終溫度并且持續(xù)足以生成該鈦鋁合金的一段時間。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中該最終溫度是在約900°C至約1100° C的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求I至18中任何一項所述的方法，其中這些次氯化鈦是通過用鋁還原四氯化鈦而形成的。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中通過將該四氯化鈦和鋁加熱到一個小于約200° C的溫度并持續(xù)足以形成這些次氯化鈦的一段時間來還原該四氯化鈦。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或權(quán)利要求20所述的方法，其中提供了過量的鋁來還原該四氯化鈦，并且未反應的鋁能夠還原這些次氯化鈦。
22.根據(jù)權(quán)利要求I至21中任何一項所述的方法，其中在該第一步驟中也提供了用于摻入該合金中的另外一種或多種元素的一種來源。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，其中該一種或多種元素是選自下組，該組由以下各項組成銀、銀、鉻、鑰、錯、娃、硼、鉭、碳、錫、鉿、乾、鐵、銅、鎳、氧、氮、鋰、秘、猛和鑭。
24.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其中該合金的鋁含量為約0.1被％至約7wt%。
25.根據(jù)以上權(quán)利要求中任何一項所述的方法，其中該壓力是保持為或低于2個大氣壓。
26.一種含有少于約15wt%鋁的鈦鋁合金，該鈦鋁合金是通過如權(quán)利要求I至25中任何一項所述的方法制備的。
27.一種用于制備含有少于約15wt%鋁的鈦鋁合金的方法，該方法包括使用鋁來將次氯化鈦可控性地還原成元素鈦，并且在基本上防止該元素鈦與氯化鋁反應的同時將所得的混合物加熱至一個溫度，在該溫度下當基本上不存在氯化鋁時，該元素鈦將與剩余鋁反應而形成該含有少于約15wt%鋁合金的鈦鋁合金、并且不反應形成鋁化鈦。
28.一種用于制備含有少于約15wt%鋁的鈦鋁合金的方法，該方法包括用鋁來分步還原一種四鹵化鈦而形成元素鈦、然后進行加熱以形成該鈦鋁合金，其中控制了該反應動力學使得在該方法的過程中形成的任何鹵化鈦和該元素鈦之間的反應被最小化。
全文摘要
在此披露了一種用于制備含有少于約15wt%鋁的鈦鋁合金的方法。該方法包括一個第一步驟，其中將等于或超過制備該鈦鋁合金所需的化學計算量的一個量值的次氯化鈦由鋁還原而形成一種包含元素鈦的反應混合物，然后是一個第二步驟，其中加熱該包含元素鈦的反應混合物以形成該鈦鋁合金?？刂圃摲磻獎恿W使得導致鋁化鈦的形成的反應被最小化。
文檔編號C22C14/00GK102712966SQ201080057610
公開日2012年10月3日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月18日
發(fā)明者賈瓦德·海德爾 申請人:聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織