用于由前体卤化物制备钛产物的空化方法技术

卤化钛和任选地其它前体卤化物化合物适合地在环境条件或接近环境条件下被还原成预定的钛产物。例如，四氯化钛被添加到含有作为还原剂的一或多种碱金属或碱土金属的无水液体反应介质中。所述金属还原剂被通过所述液体反应介质的空化，如通过向反应容器施加高强度的超声波振动或高剪切混合，作为极小的球分散在所述液体中。对液体介质的持续空化实现了所述前体卤化物的较低温还原，以制造含钛产物如钛金属、钛合金或化合物、或钛基质陶瓷复合材料等等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及采用空化处理在大致环境温度下由无水液体介质中的氢化物前体制备钛金属、钛合金和钛化合物、以及钛基质陶瓷复合 材料。通过空化可将适合的碱金属或碱土金属分散在液体介质中以还原 前体卣化物。在示例性实例中，实践涉及将氯化钛或将四氯化钛与其它 前体面化物的混合物添加到空化的含还原剂材料的液体中，以制备金属 钛或其它含钛材料。
技术介绍
钛及其金属合金是目前制备起来相对昂贵的材料。钛合金能 以诸如铸件、锻件和板材的形式用于制备制品。可以配制钛基材料来提 供良好强度性能与较轻重量的结合。例如，钛合金被用于制造飞机。但 是，由于与具有可竟争的性能的铁合金和铝合金相比钛的成本，所以钛 合金在机动车辆中的使用受到限制。对含钛矿石进行选矿以获得适合浓度的Ti02。在氯化工艺中， 二氧化钛(往往是金红石晶形的)被在流化床反应器中在有焦炭(碳)的情 况下氯化以制造四氯化钛(TiCU),在室温易挥发的液体。传统上，钛金 属是以分批工艺用钠或镁金属高温还原四氯化钛(TiCl4)制造的。纯的钛 金属(99.9%)最先是由Matthew A. Hunter在1910年通过在钢瓶中于 700-800°C加热钠和TiCl4而制备的。用于工业规模制造金属钛的第 一种 且仍最广泛采用的工艺为Kroll法。在Kroll法中，800°C-900°C的镁被用 作TiCU蒸气的还原剂，并作为副产物产生氯化镁。这两种工艺都生成海 绵钛且都需要反复的非常耗能的真空电弧再熔步骤来提纯钛。当合金化 组分能以承受与四氯化钛蒸气进行的钠或镁还原反应的适合氯化物盐 (或其它适合的卣化物盐)形式引入时，这些工艺可被用于同时生产钛和 一或多种另外的金属(合金)。这些高温且耗能的工艺产出优质的钛金属 和金属合金，但如上所述，对于许多应用例如在机动车零件中的应用来 说，这些钛材料过于昂贵。Armstrong/ITP工艺同样在金属的制造中使用碱金属或碱土金。Armstrong工艺可以在较低的温度下运行，且可以 作为连续工艺用于制造金属或金属合金(如钛或钛合金)粉末。但是，金 属的预计成本仍然很高，对于许多机动车应用来说仍然过高。因此需要更低成本的工艺来制造钛和其它含钛材料如钛与其 它金属的混合物或合金、钛化合物、含钛作为成分或金属基质材料的陶 瓷材料等等。
技术实现思路
金属钛可以通过在液体反应介质中用还原剂金属还原卣化钛 (例如四氯化钛)来制备。所述反应可以在接近环境温度和接近大气压力 下进行。采用适当的空化操作(cativation)，例如声化学处理，来辅助 前体卣化物在反应介质中的还原。所述工艺还可用于同时还原卣化钛和 其它前体卣化物以制造钛的混合物、合金或化合物、或者钛金属基质复 合材料等等。所述反应介质为无水的、适当地^氐蒸气压的液体，且其与所 述前体卣化物或所述还原剂金属没有反应性。适合的反应介质材料的例 子有无水液态烃如萘烷、1,2,3,4-四氢化萘、癸烷、十二烷和十六烷。适 合的反应介质材料的例子还有包含含硅分子如聚二甲基硅烷的液体，和 室温离子液体。所述液体介质可用干燥且基本上无氧无水的惰性气体如 氦气或氩气灌注或覆盖以在处理过程中提供惰性气氛。用于所述前体卣化物的所述还原剂适合地为 一或多种石咸金属或碱土金属如锂、钠、钾、铷、铯、镁、4丐和钡。优选的还原剂是能在接近环境温度通过向所述液体施加超声波振动而作为胶体分散在所述 液体介质中的反应物的低熔点混合物。例如，钠和钾的^f氐共熔混合物如Nao.22K。.78和Na。.44Ko.56在大约室温为液体，且是前体卤化物的有效还原 剂。然后将卣化钛和任选地一或多种其它前体卣化物添加到所述具有分 散的还原剂的反应介质中，还原成预定的产物。产物可以为金属钛或钛 与其它金属的混合物、含钛合金或钛化合物等等。该工艺采用空化处理(优选地声化学操作)来将还原剂材料分 散在液体介质中和促进前体卣化物的还原。使用在液体中产生频率通常 大于约20千赫的声波的能量转换器，对含有所述液体介质的适合容器施 以超声波振动。声能导致在所述液体之内微小气泡反复形成、生长和破6裂，从而产生极高温度和压力的局部中心，对主体液体带来极快的冷却 速率。优选地所述液体介质在处理温度具有较低的蒸气压，由此所述介 质几乎不向空化气泡中的高温区提供蒸气。同时，惰性气体向液体中的 引入促进了由在气泡内在高温下不具有反应性的小原子形成空化气泡。此空化处理首先将还原剂金属分散在烃液体中，然后在前体卣化物与所述液体发生接触时促进还原金属与前体卣4匕物的反应。如前 所述，根据卣化物原材料的组成，被还原的卣化物产生钛或钛合金等的 颗粒。还原介质中的金属内含物被氧化成相应的碱金属或碱土金属卣化 物盐。反应通常进行数分钟到数个小时，且通常提供基本定量产量的所 述被处理的卣化物的组分。由此，举例来说，四氯化钛液体被通入含细分散的Nao.22Ko.78的十六烷中时，产物为钛金属、氯化钠和氯化钾。从所述反应介质中分离所述固体，并从所述含钛产物中分离 所述盐。液体介质的温度从环境起始温度多少升高了一些，但典型地只 升高到约60°C到约100 °C的温度。所述反应可以分批或连续地进行。所述含钛产物最初往往是作为极小颗粒制造的。产物往往是 非晶态的或者是极小晶体尺寸的。此实践对于制造钛或含钛材料的显著优点在于所述工艺可以 在较低的温度，例如接近环境温度，和以较低的能耗进行。附图说明图l是本专利技术的实施方案在应用于以四氯化钛作为卣化物前 体开始制造钛金属的流程图。图2是用于使用分散在烃液体中的钠与钾的混合物声化学还 原氯化钛的装置示意图。具体实施例方式本专利技术利用空化(例如声化学或高剪切混合)来促进前体卣化 物向有用的含钛产物的还原。在采用声化学时，液体被施以高强度的声 音或超声(声音频率高于二十千赫，超出人类听力范围)。液体被容纳在 适合的容器内，而所述容器被一或多种超声波能量转换器等驱动。每个 能量转换器将高于二十千赫的交流电能转换成大约相同频率的机械振7动。所述能量转换器通常利用磁致伸缩或压电材料来将交流电转换成机 械振动。当施加适合强度的超声波振动时，能量被通过容器壁传递给 液体。超声波能导致在所述液体之内微小的空化气泡反复形成、生长和 破裂，从而形成极高温度和压力的局部中心，对主体液体带来极快的冷 却速率。据估计，气泡内的局部温度和压力可分别达5000K和两千巴。 超声通过在其穿过的液体介质中诱发的一系列压缩和稀疏而传播。在足成空化气泡。随后，在随后的声学循环^气泡将通过被:作i流扩散的 过程长大，所述整流扩散(rectified diffusion)即来自介质的少量蒸气和 气体在气泡的膨胀阶段进入气泡而在压缩过程中并不完全被排出。气泡 一直生长直到达到不稳定的尺寸，然后在接下来的压缩过程(即声学半周 期)中破裂，同时释放能量实现化学和机械效果。球形气泡或蒸气空穴的 直径可以为约0.2到约20(M敛米，瞬间温度可为约5000K。蒸气空穴净皮液 体外壳包围，液体外壳接着又浸在主体液体中。所述液体外壳的厚度可 以为约0.02到约2微米，瞬间温度可为约2000K。主体液体可通过所述声 化学活动而被逐渐加热。假定主体液体开始处于低温，例如298K,其在 长时间的声化本文档来自技高网...

【技术保护点】
还原含卤化钛的前体卤化物组合物以生产预定的含钛产物的方法，该方法包括：　将干燥的惰性气体循环通过无水的液体反应介质并在所述液体反应介质中诱发空化；和　在所述空化期间在所述液体反应介质中将所述前体卤化物组合物与还原剂组合物混合以将 所述前体卤化物组合物还原成所述预定的含钛产物，所述还原剂组合物基本由碱金属和／或碱土金属中的至少一种组成，在与所述前体卤化物组合物反应后所述还原剂组合物被转化成所述碱金属和／或碱土金属的卤化物盐。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：IC哈拉莱，MP巴洛，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]