金属粉末的熔融盐脱氧制造技术

本发明专利技术描述了从金属中去除氧的方法。在一个示例中，方法(100)可包括形成包括金属、钙脱氧剂和盐的混合物(110)。混合物可在脱氧温度下被加热(120)一段时间，以降低金属的氧含量，从而形成脱氧金属。脱氧温度可高于盐的熔点并且低于钙脱氧剂的熔点。然后可冷却脱氧金属(130)。接着可用水和酸来浸出脱氧金属，以去除副产物并获得产物(140)。

Molten salt deoxidation of metal powders

The present invention describes methods of removing oxygen from metal. In one example, methods (100) may include forming a mixture comprising a metal, a calcium, a deoxidizer, and a salt (110). The mixture can be heated (120) for a period of time at the deoxidizing temperature to reduce the oxygen content of the metal, thereby forming deoxidizing metal. The deoxidation temperature is higher than the melting point of the salt and lower than the melting point of the calcium deoxidizer. The deoxidizing metal can then be cooled (130). The deoxidizing metal can then be leached with water and acid to remove the by-products and obtain the product (140).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】金属粉末的熔融盐脱氧相关专利申请本专利申请要求2014年12月2日提交的美国临时专利申请62/086,524以及2015年5月13日提交的PCT国际申请PCT/US15/30669的优先权，这两篇申请各自以引用方式并入本文。
技术介绍
粉末冶金常用于生产由纯金属或金属合金构成的产品。粉末状金属或共混在一起的多种粉末状金属被压制成所需形式。然后通过加热粉末状金属来烧结粉末状金属，直至金属颗粒粘结到一起。金属粉末最近已与增材制造技术一起使用，诸如3D打印和激光烧结。金属粉末(尤其反应性金属，诸如钛(Ti))中存在氧通常可损害烧结和最终产物特性诸如强度和韧性。许多脱氧工艺是已知的，并且包括基于钙的脱氧工艺。但是，当前脱氧工艺可能涉及相对高温(通常＞900℃)，并且可能实施起来很复杂。
技术实现思路
从反应性金属中去除氧的方法可包括形成包括金属、钙脱氧剂和盐的混合物。可在脱氧温度下加热该混合物一段时间以降低金属中的氧含量，从而形成脱氧金属。脱氧温度可高于盐的熔点并且低于钙脱氧剂的熔点。然后可冷却脱氧金属，接着用水和酸浸出，以去除副产物并获得最终产物。又如，从反应性金属粉末中去除氧的方法可包括通过将钙脱氧剂与待脱氧的金属粉末根据基于待去除氧的量的特定比率混合来形成粉末混合物。钙脱氧剂可包括固体钙(Ca)和氢化钙(CaH2)中的至少一者。粉末混合物可与熔点低于钙脱氧剂熔点的盐共混，以形成共混的混合物。可在惰性或还原性气氛中加热所共混的混合物至高温以产生熔融盐作为介质一段时间，该时间足以使金属粉末的氧含量降低至低于预定氧阈值，以形成脱氧金属粉末。该高温可高于盐的熔点并且低于钙脱氧剂的熔点。然后可冷却脱氧金属粉末，接着用水和酸浸出，以去除副产物并获得最终产物。因此，已对本专利技术的较重要的特征进行了广义的概述，以更好地理解接下来的本专利技术的具体实施方式，并且更好地认识本专利技术对本领域的贡献。通过本专利技术的以下具体实施方式结合附图和权利要求，本专利技术的其他特征将变得更清晰，或者可通过本专利技术的实践了解到。附图说明图1为概述根据本专利技术的实施方案的从金属中去除氧的方法的流程图。图2示出了根据本专利技术的实施方案的脱氧系统。图3为示出氧化铝(Al2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钙(CaO)和具有不同氧含量的钛(以实线示出，其氧含量写在每条线旁边)的吉布斯能(ΔG)随温度变化关系的埃林汉姆图。图4为TiH的P-C-T图。图5为α钛和β钛中的氧扩散系数与温度的关系图。图6为CaCl2-CaH2的相图。图7为根据本专利技术的一个方面H2对Ca、Ti和CaCl2盐的影响的示意图。红点表示氧，蓝点表示H，灰点表示钛，并且黄点表示钙。图8为根据本专利技术的一个方面的在H2气氛中的钙脱氧机制的示意图。图9为根据本专利技术的一个方面的在氩气气氛中的钙脱氧机制的示意图。提供这些附图以说明本专利技术的各个方面而不是意图在尺寸、材料、构型、布置或比例方面进行范围的限制，除非权利要求另有限制。具体实施方式虽然这些示例性实施方案足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实践本专利技术，但是应当理解，其他实施方案也可以实现并且在不脱离本专利技术的实质和范围的前提下可对本专利技术作出各种改变。因此，如权利要求书所要求的，本专利技术的实施方案的以下更详细的描述并不旨在限制本专利技术的范围，但是仅仅为了说明而非限制的目的而呈现以描述本专利技术的特征和特性，阐述本专利技术的最佳操作模式，并且充分地使本领域的技术人员能够实践本专利技术。因此，本专利技术的范围仅由所附的权利要求书来限定。定义在描述和要求保护本专利技术时，将使用下面的术语。如本文所用，“烧结”一般是指加热压实的金属粉末以将金属粉末颗粒熔合在一起的过程。通常，“烧结”意指按照标准商业规范加热至足够高温并在足够高温下保持足够长时间以实现完全或几乎完全的致密化。而“部分烧结”是指实现部分致密化的加热，从而得到比完全烧结产物致密度低的部分烧结产物。在本专利技术的一些实施方案中，平均值可相对于颗粒的特性给出。除非另外指明，否则此类特性的所有平均值为基于各个颗粒的数字平均值。例如，“平均粒度”是指数字平均粒度。除非上下文另外明确规定，否则单数形式“一种”、“一个”和“该”包括复数指示物。因此，例如，提及“颗粒”包括提及一种或多种此类材料，并且提及“烧结”是指一个或多个此类步骤。如本文相对于标识的特性或环境所用，“基本上”是指足够小的偏差程度，以便不可测量地减损所标识的特性或环境。在一些情况下，容许的精确偏差度取决于具体情况。如本文所用，为方便起见，多个物品、结构元件、组成元件和/或材料可以在相同列表中表示。然而，这些列表应理解为列表的每个构件独立地识别为单独且唯一的构件。因此，在没有相反指示的情况下，不应单独地基于它们在相同组中的表现，将此类列表的任何单个构件理解为相同列表的任何其他构件的实际等同物。本文可能以范围格式表示浓度、含量和其他数值数据。应当理解，此类范围格式的使用仅仅出于方便和简洁目的，并且应灵活解读为不仅包括明确引用为范围限值的数值，还包括涵盖在该范围内的所有单个数值或子范围，如同明确引用每个数值和子范围。例如，约1至约4.5的数值范围应被理解为不仅包括明确叙述的1至约4.5的限制，而且还包括单个数值(诸如2、3、4)和子范围(诸如1至3、2至4)等。相同原理适用于叙述仅一个数值的范围，诸如“小于约4.5，”，这应被理解为包括所有上述值和范围。另外，这样的解释应不管范围的宽度或所描述的特性而应用。如本文所用，术语“…中的至少一个”旨在与“…中的一个或多个”同义。例如，“A、B和C中的至少一个”明确地包括仅A、仅B、仅C，以及每一个的组合(例如A+B、B+C、A+C和A+B+C)。任何方法或工艺权利要求中所引用的任何步骤可以按任何顺序执行并且不限于权利要求中提供的顺序。装置加功能或步骤加功能限制仅仅用在特定的权利要求限制中，在这种限制中满足所有的下列条件：a)明确记载了“用于…的装置”或“用于…的步骤”；以及b)明确引用对应功能。在本文的说明中明确引用了支持装置加功能的结构、材料或行为。因此，本专利技术的范围应仅由所附权利要求及其合法等同条件确定，而非由本文给定的描述和例子确定。金属粉末的熔融盐脱氧粉末冶金可为传统熔融锻造冶金技术的低成本替代技术。但是，粉末冶金同样带来了挑战。使用某些源金属，生产用作源材料的粉末的成本可能非常高，从而极大地降低了粉末冶金方法的优势和竞争力。具体地讲，钛金属是用于粉末冶金的优良候选物，但生产钛金属粉末可能非常昂贵。钛粉末生产成本高的一个原因在于钛对氧的化学亲和力。由于Ti-O键能为2.12eV，相当于2.56eV的Ti-Ti键能，因此这种化学亲和力很明显。另外，氧在固态Ti中具有高溶解度(高达14.3重量％)，这对Ti合金的机械性能不利。氧在Ti中的溶解度可随温度升高而增大，这使得在保持低氧含量时进行Ti粉末的高温处理更加困难。因此，在粉末处理过程中，Ti金属粉末可易于结合氧。出于这些原因，可能很难生产具有低氧含量的Ti金属粉末。因此，本专利技术提供了从金属粉末中去除氧的方法。在一些实施方案中，该方法可涉及相对较低的温度。氧的溶解度以及金属粉末与氧的反应性在本专利技术方法中所采用的温度下可能相对较低。因此，本专利技术方法可实现具有极低氧含量的金属粉末的生产。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种从金属中去除氧的方法，包括：形成包括金属、钙脱氧剂和盐的混合物；在受控气氛中在脱氧温度下加热所述混合物一段时间，以降低所述金属的氧含量，从而形成脱氧金属，其中所述脱氧温度高于所述盐的熔点并且低于所述钙脱氧剂的熔点；以及冷却所述脱氧金属。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.02 US 62/086,524;2015.05.13 US PCT/US2015/1.一种从金属中去除氧的方法，包括：形成包括金属、钙脱氧剂和盐的混合物；在受控气氛中在脱氧温度下加热所述混合物一段时间，以降低所述金属的氧含量，从而形成脱氧金属，其中所述脱氧温度高于所述盐的熔点并且低于所述钙脱氧剂的熔点；以及冷却所述脱氧金属。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属为粉末、研磨制品、成品、碎屑材料、车床刨花、切屑、碎片、块体或它们的组合的形式。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属为金属粉末的形式并且具有约1μm至10mm的平均粒度。4.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属具有约1μm至10cm的平均粒度。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包括钛、锆、铪、钍、钒、铌、钽、铬、钼、钨、它们的氢化物、它们的合金或它们的组合。6.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属包括钛。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述钙脱氧剂包括钙金属、CaH2或它们的组合。8.根据权利要求1所述的方法，其中所述受控气氛包括氩气，并且所述盐包括含卤化钙盐。9.根据权利要求8所述的方法，其中所述含钙盐还包括除钙之外的金属的二元卤化物盐。10.根据权利要求8所述的方法，其中所述含钙盐是熔点为约400℃至约770℃的共晶混合物。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述受控气氛包括氢气，并且所述盐包括碱金属卤化物盐、碱土金属卤化物盐、非碱卤化物盐或它们的组合中的至少一者。12.根据权利要求11所述的方法，其中所述盐为不含卤化钙的盐，包括碱卤化物盐或碱卤化物-碱...

【专利技术属性】
技术研发人员：Z·Z·方，Y·夏，P·孙，Y·张，
申请(专利权)人：犹他大学研究基金会，
类型：发明
国别省市：美国,US