Способ очистки порошка титана от примеси кислорода

Авторы патента:

B22F9/00 - Изготовление металлических порошков или их суспензий

Владельцы патента RU 2494837:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)

Изобретение относится к области порошковой металлургии металлов IVB подгруппы, в частности к способам очистки порошков металлов от примеси кислорода. Способ очистки порошка титана от примеси кислорода включает насыщение порошка титана водородом с получением порошкообразного гидрида титана и последующее удаление водорода в вакууме при температуре ниже температуры активного спекания порошка. Уменьшается массовое содержание примеси кислорода в порошке титана до 0,2 масс.% при сохранении порошкообразной формы исходного материала, что значительно снижает трудоемкость и энергозатраты процесса. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Изобретение относится к области порошковой металлургии металлов IVБ подгруппы Периодической системы Д.И. Менделеева (титана, циркония и гафния), а также лантаноидов и актиноидов, в частности, к способам очистки порошков металлов от примесей.

Присутствие примеси кислорода в порошках металлов может оказывать сильное влияние на некоторые физико-химические свойства. Требования по предельно-допустимому содержанию примеси кислорода в порошке делают нередко довольно затруднительным получение необходимого количества порошка даже при соблюдении соответствующих условий, при которых все операции по получению и хранению порошкового материала проводят в атмосфере сухого инертного газа, например, аргона или сухого азота. В тех случаях, когда в полученном порошке содержание примеси кислорода оказалось выше, чем предельно-допустимое содержание этой примеси, то весь полученный порошок подлежит бракованию.

Известным способом очистки порошка титана от примеси кислорода является способ иодидного рафинирования [Химия и технология редких и рассеянных элементов. Под ред. К.А. Большакова. - М.: Высшая школа. 1976. С.277-278]. Он основан на переносе титана в виде летучих иодидов с последующим его осаждением на металлической нити. Кислород при этом не образует летучих соединений с йодом и поэтому происходит очистка титана от примеси кислорода.

Недостатком данного способа является то, что он требует больших энергетических затрат, и готовый продукт получается дороже по сравнению, например, с магнийтермическим титаном в 4 раза [Химия и технология редких и рассеянных элементов. Под ред. К.А. Большакова. - М.: Высшая школа. 1976. С.277-278].

Недостатком способа является также то, что после очистки от кислорода получают металл в виде прутка, который в дальнейшем нужно перевести в порошок, используя, например, способ гидрирования-дегидрирования.

Задачей настоящего изобретения является упрощение и удешевление способа очистки порошка титана от примеси кислорода с одновременным сохранением порошкообразной формы исходного материала.

При использовании заявленного способа достигается следующий технический результат:

- снижается массовое содержание примеси кислорода в порошке титана до значения ≈0,2% масс.;

- сохраняется порошкообразная форма исходного материала, что значительно снижает трудоемкость и энергозатраты.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предложен способ очистки порошка титана от примеси кислорода, заключающийся в насыщении порошка титана водородом с получением порошкообразного гидрида титана, в последующем удалении водорода в вакууме при температуре ниже температуры активного спекания порошка.

Удаление паров воды и водорода из гидрида титана осуществляют при температуре не выше 520°C и вакууме не выше 0,2 мм рт.ст. Удаление водорода осуществляют в той же установке, в которой было проведено гидрирование порошка титана с водородом.

После активации исходного порошка титана перед его гидрированием в результате термической обработки в вакууме, находящийся на поверхности частиц порошка кислород переходит в объем частиц и добавляется к тому кислороду, который в виде твердого раствора кислорода в α-титане уже находился в объеме частиц до начала операции активации. После окончания гидрирования порошка титана и получения порошка гидрида титана следует операция термического разложения гидрида титана в вакууме и удаления водорода из порошка гидрида титана. Температура нагревания порошка должна быть такой, чтобы она могла обеспечить диффузию атомов кислорода к поверхности частицы, переход этих атомов на поверхность, взаимодействие каждого из этих поверхностных атомов кислорода с двумя поверхностными атомами водорода и десорбцию молекул воды в газовую фазу, состоящую из газообразного водорода, выделившегося при термическом разложении гидрида титана. Схему такого процесса можно представить следующими последовательными стадиями:

где O_{(об. TiHx)} - атом кислорода в объеме частицы гидрида титана TiH_x, O_{(пов. TiHx)} - атом кислорода на поверхности частицы гидрида титана TiH_x;

где H_{(пов. TiHx)} - атом водорода на поверхности частицы гидрида титана TiH_x, ОН_{(пов. TiHx)} - радикал ОН на поверхности частицы гидрида титана TiH_x;

где H₂O_{(пов. TiHx)} - молекула воды, адсорбированная на поверхности частицы гидрида титана TiH_x;

где H₂O_(г.ф.) - молекула воды после ее десорбции с поверхности частицы и ее перехода в газовую фазу, содержащую газообразный водород.

Для всех металлов IVБ подгруппы процесс очистки от примеси кислорода может быть представлен в общем виде следующими стадиями:

где O_{(об. MHx)} - атом кислорода в объеме частицы гидрида металла МН_х, O_{(пов. MHx)} - атом кислорода на поверхности частицы гидрида металла МНх;

где Н_{(пов. MHx)} - атом водорода на поверхности частицы гидрида металла МН_х, ОН_{(пов. TiHx)} - радикал ОН на поверхности частицы гидрида металла MH_x;

где H₂O_{(пов. MHx)} - молекула воды, адсорбированная на поверхности частицы гидрида металла MH_x;

Вполне очевидно, что очистка от примеси кислорода может происходить только в тех термодинамических и кинетических условиях, которые благоприятны для протекания всех стадий суммарного процесса.

Можно сделать предположение о том, что скорость суммарного процесса лимитируется либо скоростью стадии диффузионного массопереноса атомов кислорода из объема частиц к поверхности /стадии (1) или 1')/, либо скоростью ассоциативной десорбции воды, оказавшейся на поверхности в результате двух последовательных элементарных реакций /(2) или (2') и (3) или (3')/.

Необходимо подчеркнуть, что с повышением температуры происходит увеличение скорости всех стадий /(1)-(4)/ реакции и ее суммарной скорости. Поэтому целесообразно было бы проводить процесс очистки при максимально допустимой температуре. Но эта температура ограничена температурой начала интенсивного спекания частиц порошка. Вследствие этого, например, для порошка титана и полученного из него гидрида титана температура удаления водорода из него и соответствующая температура процесса очистки порошка от примеси кислорода не должна превышать температуру начала активного процесса спекания частиц порошка, то есть 520-600°C [В.С. Устинов, Ю.Г. Олесов, Л.Н. Антинин, В.А. Дрозденко. Порошковая металлургия титана. - М.: Металлургиздат. 1973, С.65]. В случае незначительного спекания порошка при проведении дегидрирования и удаления из него водорода он может быть подвергнут кратковременному дроблению в измельчителе в атмосфере сухого и чистого инертного газа (например, аргона).

Следует отметить, что предлагаемый способ очистки от примеси кислорода порошка титана по своей физико-химической природе относится к способам химической возгонки.

Процесс химической возгонки вещества - процесс его перехода из твердого в газообразное состояние в результате гетерогенной химической реакции типа газ - твердая фаза, протекающей на поверхности твердой фазы. При этом в отличие от известного процесса обычной физической возгонки вещества, то есть его перехода из твердого в газообразное состояние без стадии плавления в результате нагревания, процесс химической возгонки обычно осуществляется за счет какой-то конкретной химической экзотермической реакции или экзотермической стадии процесса [В.И. Евдокимов. Химическая возгонка. - М.: Знание. 1984, С.4-5]. В данном способе роль такой экзотермической стадии играет поверхностная экзотермическая реакция образования молекулы воды из атомарного водорода и гидроксил-радикала /стадии (3) и (3')/.

Необходимо отметить то обстоятельство, что для смещения термодинамического равновесия суммарной реакции удаления кислорода из твердой фазы в паровую (газовую) фазу, протекающей по следующей схеме: , целесообразно установить в соответствующем аппарате узел, содержащий эффективный геттер водяных паров.

Способ очистки порошка титана от примеси кислорода включает в себя три этапа: активация порошка, его гидрирование и обезгаживание.

Пример 1.

Для проведения активации навеску порошка титана массой 1,5 г помещают в кварцевую пробирку, откачивают с диффузионным насосом до высокого вакуума и нагревают до температуры 350°C, выдерживая при этой температуре 4 часа.

После проведения активации в стеклянную вакуумную установку напускают избыток водорода ~1,2-1,3 л (н.у.), который активно поглощается порошком. Полученный гидрид охлаждают в течение 1 часа до комнатной температуры.

Последним и самым важным этапом настоящего способа является обезгаживание, которое заключается в нагревании порошка гидрида в той же вакуумной установке до температуры не выше 520°C с постоянной откачкой с целью удаления из порошка большей части содержащегося в нем водорода. Именно в выделившийся газообразный водород и перейдет в виде паров воды часть примеси кислорода, содержащегося в исходном порошке титана.

В таблице приведены результаты проведенных экспериментов по очистке порошка титана от примеси кислорода.

Таблица
Результаты опытов по очистке порошка титана от примеси кислорода
Название материала	Тип образца	Содержание H, % масс.	Содержание O, % масс.	Удельная поверхность S_БЭТ, м²/г
Исходный порошок титана	Порошок марки ПТОМ-2	0,66	0,34	0,29
Опытный образец	-	0,86	-
Очищенный порошок титана	Порошок марки ПТОМ-2	0,49	0,18	0,11
Опытный образец	-	0,17	-

Из приведенной таблицы видно, что массовое содержание примеси кислорода в очищенном порошке титана почти в 2-5 раз меньше чем в исходном порошке. Стоит также сказать, что уменьшение удельной поверхности порошка титана говорит о начале процесса спекания частиц.

Следует отметить, что в настоящем способе предложен неизвестный ранее способ очистки порошка титана от примеси кислорода при соблюдении условия сохранения порошкообразного состояния исходного материала. Этот способ может найти применение в порошковой металлургии металлов IVБ подгруппы Периодической системы, а также лантаноидов и актиноидов.

1. Способ очистки порошка титана от примеси кислорода, включающий насыщение порошка титана водородом с получением порошкообразного гидрида титана и последующее удаление водорода в вакууме при температуре ниже температуры активного спекания порошка.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление водорода из гидрида титана осуществляют при температуре не выше 520°C и вакууме не выше 0,2 мм рт.ст.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что удаление водорода осуществляют в той же установке, в которой было проведено насыщение порошка титана водородом.

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано для термообработки и сфероидизации порошков тугоплавких материалов, применяемых для получения твердых сплавов, композиционных материалов, покрытий различного назначения.

Способ получения нанопорошка на основе карбида вольфрама // 2455117

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в качестве высокотвердой фазы при изготовлении и восстановлении деталей машин наплавкой, напылением, при нанесении гальванических покрытий, а также в качестве модификаторов литейных сплавов или добавок при изготовлении пластин спеченных твердых сплавов.

Способ диспергирования металла на частицы, лишенные оксидной пленки // 2424084

Изобретение относится к способам дробления, измельчения твердых тел и может найти применение для повышения фугасного и зажигательного действия. .

Способ получения нанопорошка карбида вольфрама // 2414992

Изобретение относится к области разработки технологии получения нанопорошков металлов и твердых сплавов. .

Способ плавки металлов и сплавов // 2405660

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии производства из расплавов металлов и сплавов гранул или заготовок с заданными геометрическими размерами и весом для последующего их переплава.

Способ получения ультра-нанодисперсного порошка оксида переходного металла или смеси оксидов переходных металлов // 2400428

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к способам получения ультра-нанодисперсных порошков оксидов переходных металлов. .

Способ получения порошка квазикристаллического однофазного сплава al-cu-fe // 2370567

Изобретение относится к способам получения порошка квазикристаллических сплавов системы Al-Cu-Fe и может быть использовано для антифрикционных присадок, антипригарных покрытий, для создания износостойкого инструмента.

Способ получения гранул квазикристаллического материала // 2369660

Изобретение относится к способам получения гранул металлических материалов с квазикристаллической структурой и может быть использовано для наполнителей композиционных материалов.

Способ получения порошка квазикристаллического материала // 2353698

Изобретение относится к способам получения порошка металлических материалов с квазикристаллической структурой. .

Способ получения металлических гранул высокой чистоты, таких как гранулы хрома // 2306349

Изобретение относится к способу получения металлов или металлических сплавов высокой чистоты, в частности металлического хрома. .

Способ получения порошка диборида титана для материала смачиваемого катода алюминиевого электролизера // 2498880

Изобретение относится к материалу смачиваемого анода алюминиевого электролизера. Порошок диборида титана получают при проведении карботермической реакции между мелкодисперсными порошковыми компонентами шихты из безводного диоксида титана, борного ангидрида или борной кислоты и углерода в виде сажи. Борную кислоту или борный ангидрид вводят в порошковую шихту в виде раствора, а синтез проводят при температуре не выше 1473 К в течение 3-4 часов. Изобретение позволяет повысить технологичность, эксплуатационные характеристики производимого из порошка катодного материала, снизить энергетические затраты, улучшить технико-экономические показатели процесса производства смачиваемого материала. 1 табл.

Способ синтеза композиционного металлооксида и композиционный металлооксид, полученный этим способом // 2515430

Изобретение относится к способу синтеза наноразмерного композиционного металлоксида и к композиционному металлооксиду, полученному таким способом. Способ включает добавление диспергатора к коллоиду с наночастицами диоксидцериевого композиционного оксида со средним диаметром наночастиц 10 нм или менее, добавление диспергатора к коллоиду с наночастицами оксида алюминия со средним диаметром наночастиц 10 нм или менее, раздельную подачу коллоида с наночастицами диоксидцериевого композиционного оксида, к которому добавлен диспергатор, и коллоида с наночастицами оксида алюминия, к которому добавлен диспергатор, в высокоскоростную мешалку, синтез наночастиц алюминийоксидно-диоксидцериевого композиционного оксида путем обеспечения взаимодействия в микропространстве наночастиц диоксидцериевого композиционного оксида и наночастиц оксида алюминия и приложение усилия сдвига при степени сдвига 17000 сек-1 или более к наночастицам алюминийоксидно-диоксидцериевого композиционного оксида. Изобретение обеспечивает синтез более однородных наноразмерных композиционных металлооксидов с высокими характеристиками. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл., 8 пр.

Электролитический способ получения наноразмерного порошка дисилицида церия // 2539523

Изобретение относится к получению нанопорошков дисилицида церия и может быть использовано для изготовления токопроводящих и резистивных элементов интегральных схем. Способ электролитического получения наноразмерного порошка дисилицида церия включает синтез дисилицида церия из расплавленных сред в атмосфере очищенного и осушенного аргона. Синтез проводят из галогенидного расплава. В качества источника церия используют безводный хлорид церия, в качестве источника кремния - фторсиликат натрия, а в качестве растворителя - эквимольную смесь хлоридов калия и натрия при следующем соотношении компонентов, мас.%: хлорид церия 1,0÷5,0, фторсиликат натрия 1,0÷4,0, остальное - эквимольная смесь хлоридов калия и натрия. Процесс ведут при температуре 700°С, плотности тока 0,2 А/см2 и потенциалах электролиза относительно стеклоуглеродного электрода сравнения от -2,2 до -2,6 B. Повышается скорость синтеза целевого продукта из расплавленного электролита. Получают целевой продукт в чистом виде за счет хорошей растворимости эквимольного расплава хлорида калия и хлорида натрия в воде и растворимости образующегося фторида церия фторидом калия. 6 ил., 1 пр.

Способ получения однофазного нанопорошка феррита висмута // 2556181

Изобретение относится к способу получения нанопорошков на основе феррита висмута для создания магнитоэлектрических материалов - мультиферроиков и компонентов электронной техники, которые могут найти широкое применение в микроэлектронике, в частности спиновой электронике (спинтронике); в сенсорной и СВЧ-технике; в устройствах для записи, считывания и хранения информации и др. Задача предлагаемого изобретения - получение чистых однородных по дисперсности нанокристаллических порошков на основе феррита висмута, со строгой стехиометрией в один этап - для изготовления материалов и компонентов электронной техники. Техническим результатом изобретения является то, что он позволяет повысить эффективность и снизить энергозатраты при изготовлении чистых однородных по дисперсности нанокристаллических порошков на основе феррита висмута, со строгой стехиометрией, путем нагревания, с различными скоростями, содержащего глицин раствора нитратов соответствующих металлов разной насыщенности. Преимуществами предложенного способа являются: получение непосредственно однофазного феррита висмута; чистота и однородность; низкие температуры синтеза; экспрессность за счет получения продукта за один этап синтеза. 8 ил.

Магнитный наноструктурированный порошок частиц системы железо-кобальт-никель // 2566140

Изобретение относится к области металлургии, а именно к магнитному порошку системы Fe-Co-Ni. Магнитный наноструктурированный порошок частиц системы железо-кобальт-никель характеризуется тем, что каждая частица порошка содержит, мас.%: никель 10-20, кобальт 10-50, железо остальное, при этом состоит из нанокристаллитов размерами менее 20 нм, компактно сложенных в агрегаты размерами от 40 до 80 нм с образованием агломератов сферической формы с размерами от 100 до 200 нм. Порошок характеризуется высокими магнитными свойствами. 7 ил., 1 табл., 1 пр.

Устройство для нанесения покрытий на алмазные порошки // 2586170

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для нанесения покрытий на абразивные зерна, и может быть применено в инструментальном производстве. Устройство состоит из вакуумной камеры с системой откачки. В вакуумной камере размещен роторный загрузочный дозатор. Магнетронная система для распыления материала покрытия размещена в барабане. Барабан собран из дугообразных пластин в виде наклонного цилиндра. Пластины частично перекрывают друг друга в одном направлении. На участках перекрытия между пластинами выдержаны зазоры, образующие перепады между поверхностями дугообразных пластин. Перепады интенсифицируют процесс перемешивания порошка при его металлизации и упрощают выгрузку металлизированного порошка через зазоры при изменении направления вращения барабана. Устройство позволяет интенсифицировать процесс перемешивания алмазных порошков, что повышает качество металлизации, а также исключает агрегацию частиц порошка и технологические потери дорогостоящих алмазных частиц. 2 ил.

Способ получения квазикристаллического материала // 2588957

Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения порошка квазикристаллического материала системы Al-Cu-Fe включает перемешивание порошков алюминия, меди и железа при соотношении компонентов, соответствующем области существования квазикристаллической фазы сплава системы Al-Cu-Fe, нагрев полученной смеси в камере в бескислородной атмосфере с последующим измельчением спека до получения порошка заданной дисперсности. Нагрев смеси производят до температуры 600-700°С, обеспечивающей инициализацию экзотермического процесса самопроизвольного формирования квазикристаллической фазы сплава, при этом измеряют текущую температуру нагрева в камере и температуру нагрева смеси порошков. При превышении температуры смеси порошков над текущей температурой нагрева в камере проводят отжиг при температуре 800-1300°С с обеспечением стабилизации квазикристаллической фазы сплава по всему объему смеси порошков. Обеспечивается получение качественного порошка квазикристаллического материала. 5 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл, 4 пр.

Способ получения наноразмерного порошка диборида циркония // 2601340

Изобретение относится к технологии производства высокотвердых жаростойких материалов на основе циркония, а именно к способам получения диборида циркония. Способ получения наноразмерного порошка диборида циркония включает приготовление шихты из порошков диоксида циркония, борной кислоты и углерода в соотношении компонентов, вес. %: диоксид циркония 10-40, борная кислота 40-80, углерод 10-20, механическую обработку полученной смеси, формование прессовки и термическую обработку-синтез по трехступенчатому температурному режиму нагрева. Изобретение обеспечивает получение наноразмерного порошка диборида циркония с высокой селективностью. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 4 пр.

Способ получения порошка железа из отработанного смазочного масла // 2623946

Изобретение относится к порошковой металлургии железа и его сплавов и может быть использовано для извлечения железа в виде дисперсных частиц порошка из отработанного смазочного масла при эксплуатации автотракторного парка. Способ включает подогрев смазочного масла, содержащего дисперсные частицы порошка железа, до температуры 65-90°С и последующее проведение магнитной сепарации путем подачи подогретого смазочного масла на магнитный сепаратор в противоположную вращению магнита сторону с последующим отделением и сбором дисперсных частиц порошка железа, покрытых масляной пленкой. Дисперсные частицы промывают подогретым до температуры 80-90°С 3-8% водным раствором технического моющего средства в течение 15-20 мин при постоянном перемешивании, отстаивают его в течение 30-40 мин, промывают горячей водой с температурой 80-90°С и сушат при температуре 90-110°С с получением порошка железа в виде дисперсных частиц. Предлагаемый способ обеспечивает снижение в 1,5-2 раза энергоемкости процесса, на 20-30% снижается трудоемкость процесса получения порошка железа. 2 пр.

Порошковый материал для газотермического напыления покрытий // 2634864

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к порошковым материалам для газотермического напыления покрытий, и может быть использовано для защиты деталей горячего тракта авиационных газотурбинных двигателей (ГТД), наземных газотурбинных установок (ГТУ) и ракетных двигателей (РД) от воздействия высоких температур, эрозионного износа и коррозии. Порошковый материал имеет общую формулу AXBYCZ (А=Nd, Sm, Gd, Dy, Y или их смеси; В=Zr, Hf или их смеси; С=О; 1,5⋅Х+2⋅Y=6,0…8,0; X:Y=0,80…1,25, размер частиц порошка составляет 5…150 мкм, насыпная плотность порошка находится в диапазоне 0,5…3,5 г/см3, а размер кристаллитов (областей когерентного рассеяния) составляет 1…300 нм. Порошковый материал также может содержать оксиды элементов: SiO2 - до 0,05% мас., CaO - до 0,1% мас., MgO - до 0,1% мас., Fe2O3 - до 0,1% мас., Al2O3 - до 0,1% мас. и TiO2 - до 0,8% мас. или их смесь. Технический результат заключается в повышении стойкости теплозащитных покрытий к воздействию высоких температур, а также в достижении теплозащитного эффекта на поверхности детали. 9 з.п. ф-лы, 1 табл.