Способ получения лигатуры "алюминий - гадолиний"

Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и представляет собой способ получения лигатуры алюминий-гадолиний. Способ включает восстановление фторида гадолиния расплавленным алюминием из шихты, содержащей фторид гадолиния, хлорид калия, хлорид и фторид натрия. Обменный процесс производят при температуре 750°С в контейнерах из стеклоуглерода в атмосфере инертного газа. Полученный расплав выдерживают в течение не менее 6 часов. Изобретение позволяет сократить количество проводимых операций, уменьшить энергетические затраты и удобно отделять конечный продукт от шлака. 2 пр.

 

Настоящее изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов, в частности к получению сплавов алюминия с гадолинием, пригодных для легирования сплавов на основе титана. Применение редкоземельных металлов (РЗМ) в качестве микродобавок в конструкционные и жаропрочные сплавы на основе титана способствует повышению их жаростойкости и термической стабильности. В качестве вводимого элемента весьма эффективно использование металлического гадолиния, причем количество вводимого элемента не должно превышать 0.2 мас. %, и поэтому возникают технические сложности в организации металлургического процесса. В связи с этим более целесообразно использовать в качестве добавок к титановым сплавам лигатуры Al-Gd, основой которых служит металлический алюминий, одновременно являющийся одним из основных компонентов титановых сплавов.

Известен способ получения алюминий-гадолиниевых лигатур прямым сплавлением компонентов с использованием высокоэнергетического ультразвука мощностью 0.6-0.8 кВт/см2 (Заявка CN 201210246432 от 17.07.2012, публ. CN 102776400 A от 14.11.2012, С22С 1/03, С22С 21/00, С22С 1/02). Металлический гадолиний высокой чистоты оборачивают алюминиевой фольгой и после расплавления металлического алюминия при 745-765°С осуществляют выдержку в течение 8-15 мин, в ходе которой чередуют циклы продолжительностью 30-50 с ультразвуковым воздействием и без него. Основным недостатком этого способа является необходимость использования металлического гадолиния, технология производства которого представляет собой отдельный, затратный по энергии и реагентам металлургический передел.

Также существует метод получения сплавов Al-Gd в ходе электрохимического восстановления на алюминиевом электроде гадолинийсодержащих хлоридных расплавов на основе эвтектической смеси 3LiCl-2KCl при 450°С (С. Caravaca and G. De Corrdoba «Formation of Gd-Al Alloy Films by a Molten Salt Electrochemical Process», Z. Naturforsch. 63a (2008), 98). Электролиз ведут в потенциостатическом режиме при -1.8 В, -2.0 В или-2.2 В относительно хлоридсеребряного электрода сравнения с получением интерметаллида Al3Gd, смеси Al3Gd и Al2Gd, сплава Al-Gd-Li соответственно. Минусы данного процесса связаны с низким процентом перевода гадолиния в катодный продукт, непостоянством его состава, сложностью промышленного синтеза безводного гигроскопичного GdCl3, выделением на аноде газообразного хлора.

Указанные недостатки преодолены в другом электролитическом способе получения лигатур методом электрохимической экстракции оксида гадолиния из расплава LiCl-KCl-AlCl3 при 500°С (K. Liu, Y.-L. Liu, L.-Y. Yuan, X.-L. Zhao, Z.-F. Chai, and W.-Q. Shi «Electroextraction of gadolinium from Gd2O3 in LiCl-KCl-AlCl3 molten salts», Electrochim. Acta 109 (2013), 732). В ходе потенциостатического электролиза при потенциалах -2.2 В и -1.5 В относительно электрода сравнения Ag⎮(Li-K)Clэвт - 1 мас. % AgCl образуется только одно интерметаллическое соединение (GdAl3), причем выход гадолиния в конечный продукт составляет 89.7%. Однако использование данной технологии не исключает проблем, связанных со сложностью работы с солевым расплавом, в состав которого входят склонные к гидролизу хлориды лития и алюминия, а также получением катодных осадков в виде порошков, распределенных в солевом электролите, что, в свою очередь, обуславливает введение в технологическую схему операций гидрометаллургической переработки катодного продукта и получения конечной лигатуры в компактном виде.

Наиболее близким техническим решением является способ получения лигатуры алюминий-гадолиний с содержанием гадолиния от 5 до 20 мас. % (Емекеев С.В., Мельник Ю.И. и Петров А.А. «Алюмотермическое восстановление фторидов гадолиния и тербия в вакууме», Цветная металлургия, №3 (1989), 68). Технологическая схема производства лигатуры включает в себя: механическое смешение порошков алюминия и фторида гадолиния, прессование таблеток и алюмотермическое восстановление GdF3 в вакууме (остаточное давление - 10-3÷10-4 мм рт.ст.) при 900-1100°С при молярном соотношении Al:GdF3 от 26 до 113. На начальном этапе имеет место гетерогенная реакция на поверхности раздела жидкий алюминий и твердый фторид, в результате которого появляется металлический гадолиний. Образующийся металлический гадолиний взаимодействует с жидким алюминием с образованием интерметаллидов, которые затем растворяются в жидкой фазе. При высоких температурах (например, при 1080°С) продукт реакции формируется в виде слитка, а удовлетворительный выход гадолиния в конечный продукт (около 97%) достигается за относительно короткое время (около 20 мин). При температуре 900°С и мольном соотношении Al:GdF3=55 за то же время выход гадолиния в лигатуру не превышает 70%.

Основные недостатки указанного способа, выбранного в качестве прототипа, следующие. Высокие температуры и глубокий вакуум, необходимые для достижения высокой степени восстановления гадолиния, обуславливают необходимость использования сложной аппаратуры при существенных затратах электроэнергии. Микроструктура получаемой лигатуры «алюминий-гадолиний» свидетельствует о значительной ликвационной неоднородности материала. Кроме того, в начальный период реакция протекает на границе твердых фаз, что требует дополнительных операций тонкого помола шихты и ее брикетирования.

Заявляемый способ представляет собой новую технологию получения лигатуры «алюминий-гадолиний». При реализации способа достигается сокращение количества технологических операций, уменьшение энергетических затрат и удобство отделения конечного продукта от шлака. То есть технология в сравнении с прототипом упрощается без снижения качества готового продукта. При этом выход гадолиния в конечный продукт не уменьшается, а несколько увеличивается по сравнению с прототипом при проведении процесса в аналогичных условиях. Кроме того, можно говорить о существенном снижении затрат на получение готового продукта.

Таким образом, заявляемый способ решает техническую проблему расширения арсенала технических средств и технический результат, достигаемый при реализации способа, заключается в реализации назначения способа - получение лигатуры «алюминий-гадолиний» должного качества.

Заявляемый способ получения лигатуры Al-Gd в виде слитка включает:

- восстановление фторида гадолиния расплавленным алюминием,

- из шихты, содержащей фторид гадолиния, хлорид калия, хлорид и фторид натрия,

- с выдержкой полученного расплава в течение не менее 6 часов для установления состояния, близкого к равновесному,

- причем обменный процесс производят при температуре 750°С, что позволяет получить оптимальный выход продукта и не допустить его ликвационную неоднородность,

- в контейнерах из стеклоуглерода под атмосферой инертного газа.

Предлагаемый способ получения лигатуры алюминий-гадолиний представляет собой высокотемпературную обменную реакцию между расплавленным алюминием и фторидно-хлоридным расплавом на основе галогенидов щелочных металлом, содержащим фторид гадолиния. Процесс реализуется за счет эффекта сплавообразования между алюминием и гадолинием, а также понижения активности гадолиния в результате его комплексообразования с фторидными лигандами.

В результате обеспечивается получение лигатуры с требуемыми характеристиками при высоком выходе гадолиния в конечный продукт и сокращении материально-энергетических затрат.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Готовят шихту следующего состава (г): хлорид калия - 7.46; хлорид натрия - 5.85; фторид натрия - 6.05; фторид гадолиния - 1.51; алюминий металлический - 10.45. Алюминий и фторид гадолиния, как и в прототипе настоящего изобретения, являются восстановителем и восстанавливаемым соединением соответственно. Эквимольная смесь хлоридов натрия и калия обеспечивает снижение температуры плавкости солевого флюса и, тем самым, обеспечивает протекание обменной реакции в жидкой фазе. Фторид натрия вводится для того, чтобы связать во фторидные комплексы образующиеся в ходе обменного процесса ионы алюминия. Шихту помещают в тигель из стеклоуглерода, выполняющий роль инертного контейнера. Тигель устанавливают в герметичную реторту из нержавеющей стали, вакуумируют и заполняют аргоном, тем самым обеспечивая инертную атмосферу. Процесс ведут при 750°С в течение 10 ч. Выдержка более 6 часов позволяет достичь состояния, близкого к равновесию. При более низких температурах возможно образование твердых фаз, а увеличение температуры приводит к росту остаточной концентрации гадолиния в солевом электролите. В результате получен сплав Al-Gd массой 11.03 г, который легко механически отделялся от шлака. Массовая доля гадолиния 8.8 мас. %, что соответствует требованиям. Выход гадолиния в конечный продукт составил 90.3%. Таким образом, технологические параметры процесса превосходят прототип при существенном сокращении затрат за счет уменьшения количества технологических операций, снижения температуры, отказа от использования вакуума и удобства отделения получаемой лигатуры от шлака.

Пример 2. Готовят шихту следующего состава (г): хлорид калия - 7.46; хлорид натрия - 5.85; фторид натрия - 4.93; фторид гадолиния - 0.81; алюминий металлический - 11.9. Шихту помещают в тигель из стеклоуглерода, который устанавливают в реторту из нержавеющей стали, вакуумируют и заполняют аргоном. Процесс ведут при 750°С в течение 10 ч. В результате получен сплав Al-Gd массой 11.03 г с массовой долей гадолиния 4.7 мас. %. Выход гадолиния в конечный продукт составил 98.0%.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет значительно упростить (при одновременном улучшении качества) синтез лигатуры «алюминий-гадолиний» и получить продукт высокого качества.

Способ получения лигатуры алюминий-гадолиний в виде слитка, заключающийся в том, что осуществляют восстановление фторида гадолиния расплавленным алюминием из шихты, содержащей фторид гадолиния, хлорид калия, хлорид и фторид натрия, путем обменной реакции между расплавленным алюминием и фторидно-хлоридным расплавом при температуре 750°C в тигле из стеклоуглерода в атмосфере инертного газа и с выдержкой полученного расплава в течение не менее 6 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к производству алюминия, в частности к получению титансодержащих алюминиевых сплавов и лигатур, и может быть использовано в алюминиевой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих модифицированные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы и изделия из них.

Изобретение относится к алюминиевому сплаву для изготовления полуфабрикатов или деталей автомобилей, в котором легирующие компоненты алюминиевого сплава имеют следующее содержание в мас.%: Fe≤0,80, Si≤0,50, 0,90≤Mn≤1,50, Mg≤0,25, Cu≤0,125, Cr≤0,05, Ti≤0,05, V≤0,05, Zr≤0,05, остальное - алюминий и неизбежные примесные элементы, отдельно взятые <0,05, в сумме <0,15, и общее содержание Mg и Cu удовлетворяет соотношению в мас.%: 0,15≤Mg+Cu≤0,25, при этом содержание Mg в алюминиевом сплаве больше, чем содержание Cu.

Изобретение относится к области металлургии проводниковых алюминиевых сплавов и может быть использовано для изготовления изделий электротехнического назначения, в частности проводов высоковольтных ЛЭП и кабелей погружных нефтенасосов, работающих при температуре до 230°C, когда требуется сочетание высокой прочности при повышенных температурах, высокой коррозионностойкости, повышенной электропроводности, пониженной ползучести и пониженной массы.

Изобретение относится к получению AlMn-ленты или листа для производства компонентов высокотемпературной пайкой, а также к изделиям, полученным упомянутым способом, и может быт использовано, в частности, для получения материалов тонкой толщины с оребрением, используемых в теплообменниках.

Группа изобретений относится к получению суперсплава, состоящего из титана, алюминия, железа, хрома, меди и кремния, из водной суспензии частиц руд, содержащих соединения титана, алюминия, железа, хрома, меди и кремния.

Изобретение откосится к стальному листу с покрытием для горячего прессования, способу горячего прессования, а также к детали автомобиля, сделанной способом горячего прессования.

Изобретение относится к получению материала на основе алюминида никеля. Способ включает приготовление экзотермической шихты путем смешивания порошков алюминия, оксида никеля и по крайней мере одной легирующей добавки и инициирование в экзотермической шихте металлотермической реакции с обеспечением восстановления оксидов и образования алюминида никеля.

Изобретение относится к способу термической обработки алюминиевой заготовки и может быть использовано для изготовления конструкционных компонентов. Способ термической обработки алюминиевой заготовки (304, 404, 504, 604, 710, 802) в структурном состоянии Т4 включает проведение на первом участке (328, 422, 522, 626, 720) заготовки (304, 404, 504, 604, 710, 802) первого процесса дисперсионного твердения посредством искусственного старения для изменения структурного состояния первого участка (328, 422, 522, 626, 720) заготовки, причем в течение первого процесса дисперсионного твердения осуществляют активное охлаждение таким образом, что температура второго участка (330, 424, 524, 628, 722) заготовки, отделенного от первого участка заготовки охлаждаемой частью, поддерживается ниже температуры искусственного старения для сохранения неизменным структурного состояния второго участка заготовки.
Изобретение относится к получению дисперсно-упрочненного нанокомпозитного материала на основе алюминия. Способ включает введение лигатуры в расплав матрицы на основе алюминия при одновременном воздействии на расплав ультразвукового поля.

Изобретение относится к способу получения алюминиевой лигатуры с 2 мас.% скандия. Способ включает электролиз расплава, содержащего фториды калия, натрия, алюминия, загрузку в расплав оксида скандия и проведение электролиза расплавленной смеси с оксидом скандия в электролизере при температуре 800-850°С и катодной плотности тока не выше 1А/см2 с периодической выгрузкой алюминиевой лигатуры из электролизера и загрузкой оксида скандия и металлического алюминия в электролизер с расплавленной смесью, при этом оксид скандия в расплавленную смесь загружают в количестве 3-6 мас.% от расплавленной смеси, а металлический алюминий – в количестве, обеспечивающем соотношение масс алюминия и расплавленной смеси в электролизере, составляющее 1:1-4.

Изобретение относится к области металлургии алюминия, в частности к технологии внепечного модифицирования, и может быть использовано для получения слитков из алюминиевых сплавов повышенного качества для изготовления изделий авиакосмической и автомобильной промышленности.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к плавке и литью сплавов цветных металлов, и предназначено для изготовления композиционных материалов на основе алюминиевого сплава с низким коэффициентом термического расширения для деталей автомобилестроения.

Изобретение относится к получению гранул пенометалла. Способ включает смешивание порошка металла с водорастворимой, не смачиваемой металлом солью, имеющей температуру плавления, большую температуры плавления металла.

Изобретение относится к изготовлению распыляемой композитной мишени, содержащей фазу сплава Гейслера Co2FeSi, которая может быть использована при производстве микроэлектроники.

Изобретение относится к производству алюминия, в частности к получению титансодержащих алюминиевых сплавов и лигатур, и может быть использовано в алюминиевой, авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности, изготавливающих модифицированные деформируемые и литейные алюминиевые сплавы и изделия из них.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способам получения листов из алюминиевых сплавов на основе системы алюминий-магний-марганец, применяемых для изготовления ряда ответственных конструкций в судостроении, авиационной и ракетной промышленности, в вагоностроении для скоростных поездов, а также для изготовления корпусов автомобилей.
Изобретение относится к изготовлению твердосплавных гранул, включающий смешивание порошков карбида вольфрама и кобальта, пластифицирование полученной смеси с использованием растворенного в бензине каучука, прессование, размол, ситовое разделение на фракции с отсевом гранул размером до 400 мкм и не менее 130 мкм, смешивание отсеянных гранул с порошком более мелкодисперсной инертной не спекаемой засыпки, отжиг, выделение спеченных гранул путем ситового отсева инертной порошковой засыпки.
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве лигатур на основе меди, никеля, магния и алюминия. При производстве лигатуры шихтовые материалы в виде гранул чистых металлов размером от 1 до 10 мм, таких как никель, медь и магний смешивают в требуемых пропорциях и подвергают брикетированию, при этом размер гранул каждого компонента уменьшается пропорционально увеличению температуры его плавления.

Изобретение относится к получению композиционного металломатричного материала, армированного сверхупругими сверхтвердыми углеродными частицами. Способ включает приготовление смеси порошков металла и фуллеритов и ее прессование при давлении 5-8 ГПа и температурах 800-1000°С с обеспечением образования сверхтвердых углеродных частиц.

Изобретение относится к получению интерметаллидного ортосплава на основе титана. Способ включает перемешивание порошков титана и ниобия с обеспечением механического легирования порошка титана порошком ниобия в течение 8-24 ч, затем проводят механическое перемешивание легированного ниобием порошка титана с порошком алюминия.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированию металлических расплавов, и предназначено для создания изделий из металла с заранее созданными свойствами. В способе осуществляют ввод легирующих металлов путем установки над металлическим расплавом высоковольтного электрода-стержня, выполненного из легирующих металлов и обращенного к расплаву острым концом, и формирования электроискровых разрядов между расплавом и упомянутым стержнем с равномерным распределением легирующих металлов на поверхности расплава в виде спиральных вихревых структур, образованных ионизированными микрокаплями от электроискровых разрядов. Изобретение позволяет равномерно распределять легирующие элементы на поверхности металлического расплава. 1 ил.

Изобретение относится к металлургическим технологиям в области редких и цветных металлов и представляет собой способ получения лигатуры алюминий-гадолиний. Способ включает восстановление фторида гадолиния расплавленным алюминием из шихты, содержащей фторид гадолиния, хлорид калия, хлорид и фторид натрия. Обменный процесс производят при температуре 750°С в контейнерах из стеклоуглерода в атмосфере инертного газа. Полученный расплав выдерживают в течение не менее 6 часов. Изобретение позволяет сократить количество проводимых операций, уменьшить энергетические затраты и удобно отделять конечный продукт от шлака. 2 пр.

Наверх