專利名稱：一種分離方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分離方法。
具體而言，本發(fā)明涉及從包括金屬的復(fù)合材料中分離該金屬組分的方法。
背景技術(shù)：
鈦合金已經(jīng)被廣泛用于制造飛機(jī)部件，醫(yī)用植入物和化學(xué)加工機(jī)械和結(jié)構(gòu)中。
還能用鈦合金代替鋼制造汽車(chē)部件，但是這種應(yīng)用受到成本因素的嚴(yán)重局限。高成本的原因主要是從精礦回收鈦所用的間歇處理方法的成本高，以及涉及鈦的熔化和合金化的技術(shù)困難。
傳統(tǒng)的鈦制造方法，即Kroll方法，涉及TiO2和焦碳形式的碳在氯氣中于800℃的溫度反應(yīng)，形成TiCl4和一氧化碳。
反應(yīng)中生成的氯化鈦(TiCl4)以液態(tài)存在，必須通過(guò)蒸餾提純。將液體引入裝有680℃到750℃鎂熔體的熔爐中，形成氯化鎂(MgCl2)和純鈦。MgCl2是氣體，而鈦是海綿狀固體。通過(guò)蒸餾或用鹽酸瀝浸提來(lái)純化該海綿體?？梢酝ㄟ^(guò)電解方法再循環(huán)氯化鎂。由該方法形成的鈦海綿能通過(guò)真空電弧熔融或其他這類熔融方法，被進(jìn)一步加工成商用純度的鈦或鈦合金。
如果需要鈦或鈦合金粉末，則要將鈦或鈦合金加熱到超過(guò)鈦/合金熔體的制造溫度(1650℃)。使其霧化成液滴，然后固化成粉末。
該方法的局限性包括其復(fù)雜性以及使用了氯和鎂。該方法涉及若干高溫步驟，需要大量能量。這導(dǎo)致鈦和鈦合金的高成本。使用氯導(dǎo)致該方法不利于環(huán)境。鎂金屬很昂貴，因此該方法中使用鎂也導(dǎo)致了鈦的高成本。該方法的結(jié)果是，鈦合金粉末的成本在每公斤40美圓左右。
美國(guó)專利6264719(Zhang等人)公開(kāi)了鈦合金基分散強(qiáng)化的復(fù)合物及其制造方法。該專利公開(kāi)了干法高能強(qiáng)化機(jī)械研磨在鈦基金屬基質(zhì)復(fù)合物(MMC)制造方法中的應(yīng)用。
MMC是傳統(tǒng)硬質(zhì)工程合金與高強(qiáng)度第二相材料的復(fù)合物，可以是氧化物，氮化物，碳化物或金屬互化物。氧化物分散強(qiáng)化(ODS)合金是MMC的一種。它們是硬質(zhì)工程合金與氧化物細(xì)分散體的復(fù)合物。通常，為了獲得要求的分散性，必須含有不超過(guò)10％體積分?jǐn)?shù)的氧化物第二相，其粒度度是數(shù)10納米。
美國(guó)專利6264719公開(kāi)了以降低的成本制造鈦基MMC的方法，但是沒(méi)有公開(kāi)分離MMC中不需要的組分，從而將復(fù)合物中某些組分的含量調(diào)節(jié)到要求濃度的方法。使用這種方法能回收包括除Ti之外的其他金屬組分也是其優(yōu)點(diǎn)。
所有文件，包括說(shuō)明書(shū)中引用的所有專利或?qū)＠暾?qǐng)，都參考結(jié)合于此。并不認(rèn)為這些參考文獻(xiàn)構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。參考文獻(xiàn)的討論說(shuō)明了其作者的主張，申請(qǐng)人保留質(zhì)疑引用文件準(zhǔn)確性和相關(guān)性的權(quán)利。能很清楚地認(rèn)識(shí)到，雖然存在大量相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文件，但是并不認(rèn)為這些參考文獻(xiàn)成為新西蘭或任何國(guó)家中現(xiàn)有技術(shù)的公知常識(shí)部分。
術(shù)語(yǔ)“包括”在各種權(quán)限內(nèi)被用于排除或包含的含義。在本說(shuō)明書(shū)中，除非另有說(shuō)明，否則術(shù)語(yǔ)“包括”具有包含的含義，即表示不僅包含所列出的直接引用部分，還包含其他未明示的部分或要素。在方法或過(guò)程的一個(gè)或多個(gè)步驟中使用術(shù)語(yǔ)“構(gòu)成”或“包括”時(shí)也要應(yīng)用該原則。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，或者至少為公眾提供有用的選擇。
由僅以舉例的方式進(jìn)行的描述，本發(fā)明的其他方面和優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的。
發(fā)明概述本發(fā)明一方面提供了一種從金屬基復(fù)合物中分離組分的方法，該方法包括增大一種組分粒度和從復(fù)合物的其他組分中分離該粒度增大組分的步驟。
優(yōu)選將金屬基復(fù)合物加熱到大約1500℃和1650℃之間的溫度。
優(yōu)選將金屬基復(fù)合物在大約1500℃和1650℃之間的溫度下保持大約0.5小時(shí)到10小時(shí)。
優(yōu)選使該組分的粒度增大到約15微米到100微米。
優(yōu)選金屬基復(fù)合物是一種由至少兩種組分構(gòu)成的金屬基質(zhì)復(fù)合物，其中的一種組分是金屬。
優(yōu)選金屬是鈦，釔或銅。更優(yōu)選該金屬是鈦。
優(yōu)選金屬基復(fù)合物是金屬基質(zhì)和非金屬增強(qiáng)組分的組合。
優(yōu)選非金屬組分是一種陶瓷材料。
優(yōu)選金屬基復(fù)合物是一種金屬陶瓷復(fù)合物，其主要組分超過(guò)該復(fù)合物的大約50％。
優(yōu)選構(gòu)成金屬基復(fù)合物的材料或物相包括金屬相，金屬互化相，氧化物，氮化物，碳化物或硅酸鹽。
優(yōu)選金屬相，金屬互化相和氧化物包括Ti(Al，O)，Ti3Al(O)和TiAl(O)和Al2O3。為了易于參考說(shuō)明書(shū)，將Ti(Al，O)，Ti3Al(O)和TiAl(O)統(tǒng)稱為T(mén)ixAly(O)。不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為該術(shù)語(yǔ)是限制性的。
優(yōu)選金屬基復(fù)合物中的粒度增大組分是Al2O3。
優(yōu)選通過(guò)熱處理使Al2O3顆粒粗化，增大Al2O3的平均粒度。
優(yōu)選在處理之后粉碎和/或研磨復(fù)合物，使某一組分的粒度小于其他組分。
優(yōu)選在惰性環(huán)境中進(jìn)行研磨，例如在氬氣或真空條件下。
優(yōu)選對(duì)研磨時(shí)間進(jìn)行限制，從而使該粒度增大組分的縮小程度最小。
優(yōu)選將粉末與表面活性劑和水混合，形成懸浮液。
優(yōu)選通過(guò)篩分，沉降，電泳，靜電方法，化學(xué)浸提，或類似方法分離組分。
本發(fā)明另一方面通過(guò)上述方法提供了富鈦粉末。
優(yōu)選富鈦粉末中Al2O3的含量小于30％，更優(yōu)選小于15％。
優(yōu)選鈦相中的氧含量小于1.5原子％。
優(yōu)選重復(fù)分離過(guò)程，使粉末中的Al2O3體積分?jǐn)?shù)小于約30％。
優(yōu)選將粉末與還原劑反應(yīng)，使金屬相中的氧含量低于約1.5原子％。
優(yōu)選使粉末中的Al2O3體積分?jǐn)?shù)減小至低于約10％，并使粉末與稀土金屬反應(yīng)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明通過(guò)以下僅作為舉例的說(shuō)明并參考附圖，本發(fā)明的其他方面是顯而見(jiàn)的，其中附

圖1所示是Ti(Al，O)/Al2O3復(fù)合物的微觀結(jié)構(gòu)，該復(fù)合物是在(a)1550℃下3小時(shí)和(b)1650℃下4小時(shí)的不同溫度條件下低壓燒結(jié)Al/TiO2復(fù)合粉末而制得的。淺色相是Ti(Al，O)，深色相是Al2O3。
發(fā)明具體說(shuō)明本申請(qǐng)廣義涉及從復(fù)合材料中分離金屬。雖然有已知方法能達(dá)到這個(gè)目的，但是這些方法都存在一些缺點(diǎn)，需要替代的方法。
例如，美國(guó)專利6264719中所述從鋁和二氧化鈦粉末制備TixAly/Al2O3復(fù)合物的燃燒反應(yīng)導(dǎo)致形成Al2O3顆粒和富鈦金屬或金屬互化相。
鈦金屬或金屬互化相是Ti(Al，O)，即Al和氧在鈦中的固溶體，或者是Ti3Al(O)或TiAl(O)，即含有溶解氧的鈦鋁互化物，或這些相的混合。
美國(guó)專利6264719中所公開(kāi)方法的缺點(diǎn)是，TixAly/Al2O3復(fù)合物中Al2O3組分的體積分?jǐn)?shù)太高，大于約45％。雖然Al2O3是金屬陶瓷復(fù)合物的要求組分，但是通常要求使其體積分?jǐn)?shù)降低到小于約30％，更優(yōu)選是15％。
降低復(fù)合物中的Al2O3體積分?jǐn)?shù)，能提高金屬陶瓷復(fù)合物的機(jī)械性能，例如延展性和斷裂韌性。
更重要的是，使Al2O3的體積分?jǐn)?shù)降低至小于15％或更優(yōu)選至10％，能利用鈣，氫化鈣或其他適用還原劑，將TixAly/Al2O3粉末進(jìn)一步還原成鈦鋁互化物中的鈦合金，從而提供另一種制備高值鈦基金屬材料的途徑。該方法還能被用于從包括其他金屬氧化物(例如Cu2O；Y2O3)的復(fù)合物中分離銅或釔等金屬。
發(fā)現(xiàn)通過(guò)加熱處理使Al2O3顆粒粗化，Al2O3的平均粒度有所增加。如圖1中所示。
具體參考鈦復(fù)合物和圖1，將TixAly/Al2O3復(fù)合物物塊加熱到大約1500℃到1650℃之間的溫度，并在該溫度下保持大約0.5到10小時(shí)，使Al2O3顆粒顯著粗化。Al2O3的粒度增加到大約15-100微米的范圍。顯然能采用超過(guò)1650℃的溫度，但是該溫度事實(shí)上是不實(shí)用的。通過(guò)試驗(yàn)?zāi)芎苋菀状_定上限和下限。
本發(fā)明中術(shù)語(yǔ)“顆粒”應(yīng)該理解為構(gòu)成材料的各嵌入顆粒，這是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的術(shù)語(yǔ)。固體中顆粒的形狀通常受到周?chē)|(zhì)存在的控制，對(duì)材料施加熱量會(huì)使顆粒粗化，或者使其粒度增大。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是能夠增大Al2O3的平均粒度。通過(guò)粗化復(fù)合物中的Al2O3顆粒，使材料更適合于以后的分離步驟。這與傳統(tǒng)看法相左，復(fù)合物因?yàn)榇只w粒會(huì)降低最終產(chǎn)物的整體強(qiáng)度，而認(rèn)為復(fù)合物中嵌入顆粒的粗化通常被認(rèn)為是不利的。
為了方便從TixAly(O)中分離粒度增大的Al2O3，要將具有粗化Al2O3顆粒的復(fù)合物粉碎并研磨，制得TixAly(O)/Al2O3粉末。大部分粉末顆粒(大于85體積％)是富Ti金屬顆?；駻l2O3顆粒。最好能調(diào)整研磨步驟來(lái)減小富Ti金屬顆粒的粒度，同時(shí)使其他組分(Al2O3)的粒度縮小趨勢(shì)最小。
在一些實(shí)施方案中，在惰性環(huán)境中研磨復(fù)合物。包括惰性氣氛，例如氬氣或真空條件。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，惰性氣氛是氬氣。
應(yīng)當(dāng)對(duì)研磨條件進(jìn)行控制，使復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)破裂成Al2O3和TixAly(O)粉末顆粒。
在優(yōu)選實(shí)施方案中要限制研磨時(shí)間，從而防止對(duì)Al2O3(或其他不利組分)的研磨超出優(yōu)選粒度范圍。
Al2O3的優(yōu)選粒度大致是晶粒粗化之后獲得的Al2O3粒度。換言之，研磨和粉碎過(guò)程對(duì)Al2O3的粒度產(chǎn)生最小影響。粗化之后顆粒的結(jié)構(gòu)通常是單晶，是Al2O3顆粒的特征。單晶材料缺少或沒(méi)有微觀結(jié)構(gòu)，包括晶界。單晶的特征是，沒(méi)有缺陷會(huì)增加整體強(qiáng)度，因而單晶Al2O3很難粉碎。另一方面，與Al2O3相比，金屬或金屬互化相容易研磨，因此研磨之后每種組分的平均粒度明顯不同。
在一些實(shí)施方案中，可以采用篩分或類似方法，在研磨金屬陶瓷復(fù)合物之后分離Al2O3，但這僅是舉例而不是限定，還能采用電泳，靜電技術(shù)(例如電吸著)或化學(xué)浸提方法分離Al2O3富Ti組分。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，采用在液體中沉降組分的方法，將Al2O3與TixAly(O)/Al2O3粉碎粉末的其他組分分離。
為了制備用于沉降的懸浮液，將TixAly(O)/Al2O3粉碎粉末與水(溶劑)和表面活性劑的混合物一起進(jìn)行研磨，保證水/表面活性劑分子在每個(gè)粉末顆粒上形成良好的涂層，制成漿料。還可以在與水(或其他適用液體/溶劑)混合之前，將粉末與表面活性劑混合，制成漿料。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，水/表面活性劑混合物具有4-10的pH值。但是這個(gè)范圍僅是舉例而不構(gòu)成限定。
在一些實(shí)施方案中，表面活性劑是十二烷基硫酸鈉(SDS)(C12H26SO4-Na+)或聚丙烯酸([-CH2CH(CO2H)-]n)，不過(guò)這些物質(zhì)僅是舉例而不構(gòu)成限定。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，表面活性劑是十二烷基硫酸鈉(SDS)(C12H26SO4-Na+)。
在其他優(yōu)選實(shí)施方案中，表面活性劑對(duì)粉末的比例通常是1∶10重量比。
在粉末顆粒上涂覆表面活性劑具有若干優(yōu)點(diǎn)。雖然晶粒粗化過(guò)程和進(jìn)一步的研磨過(guò)程使復(fù)合物中的不同組分具有不同的粒度，但是如果簡(jiǎn)單地將其懸浮于水(或類似溶劑)中，則沉降速率過(guò)快，而無(wú)法區(qū)分兩種粉末顆粒的沉降時(shí)間。加入表面活性劑有助于使小顆粒在液體中懸浮更長(zhǎng)時(shí)間，保證附聚體破裂和顆粒分離，從而使較大較重的富含Al2O3顆粒在富含TixAly(O)的較小顆粒之前很早時(shí)間就沉降下來(lái)。
充分涂覆經(jīng)過(guò)研磨的復(fù)合物之后，將漿料與一定量液體混合，形成具有優(yōu)選粉末濃度的懸浮液。
在一些實(shí)施方案中，懸浮液中的粉末濃度是5-20克/升。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，懸浮液中的粉末濃度是10-15克/升。
用于懸浮粉末的水也可以是水基溶液，不過(guò)這些列出的物質(zhì)僅是舉例而不構(gòu)成限定。但是優(yōu)選懸浮劑是水。
可以將懸浮液傾倒在一柱中，其高度是0.3米到10米，使其沉降。在優(yōu)選實(shí)施方案中，沉降時(shí)間是30分鐘到4小時(shí)。
沉降一段時(shí)間之后，從柱中取出主要富含TixAly(O)顆粒的懸浮液，通過(guò)過(guò)濾，離心分離，或其他典型的液/固分離方法從液體中分離固體粉末，獲得富含TixAly(O)的粉末。沉降物主要包含富含Al2O3的粉末。
雖然沉降物中包含Al2O3，在僅富含這種組分時(shí)，但還可以存在其他組分。研磨過(guò)程能產(chǎn)生平均粒度不同的組分，所以懸浮液中仍然存在一些Al2O3。
通過(guò)第一次柱沉降所獲得的富含TixAly(O)粉末中通常含有20-40體積％的Al2O3。為了進(jìn)一步降低粉末中的Al2O3體積分?jǐn)?shù)，可以對(duì)粉末進(jìn)行壓實(shí)燒結(jié)并再次粗化成TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物，并進(jìn)行粉碎，濕法研磨，與液體混合并重復(fù)柱沉降過(guò)程。
這個(gè)過(guò)程循環(huán)可以重復(fù)多次，從而使Al2O3的體積分?jǐn)?shù)降低到10-20％的范圍。
還可以通過(guò)其他分離方法，例如電泳或磁分離或類似方法，降低富含TixAly(O)粉末中的Al2O3含量，但是所列出的方法僅是舉例而不構(gòu)成限定。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，可以通過(guò)與鈣，氫化鈣或其他還原劑混合，并加熱促使Al2O3與還原劑反應(yīng)，消耗掉大部分Al2O3，和促使TixAly(O)與還原劑反應(yīng)，降低TixAly(O)相中的溶解氧含量，從而進(jìn)一步還原Al2O3體積分?jǐn)?shù)較好小于約15％的富含TixAly(O)粉末。
例如，作為這些反應(yīng)的產(chǎn)物，氧化鈣相可以通過(guò)使用甲酸，乙酸或類似物等弱酸而被浸提，但是以上酸只是舉例而不構(gòu)成限定。通過(guò)這種方法，能制得含有小于1.5原子％溶解氧的Ti-Al合金或TixAly化合物。
制得鈦基合金或金屬互化物中的氧含量低于1.5原子％是很有利的，因?yàn)槿芙庋鯇?duì)這些材料的機(jī)械性能會(huì)產(chǎn)生不利影響，從而降低其機(jī)械性能值。
或者，可以將含有小于10體積％Al2O3的富含TixAly(O)粉末與一些稀土金屬，例如釔和鈰進(jìn)一步混合并燒結(jié)，使稀土金屬與Al2O3和TixAly(O)反應(yīng)，形成包括具有低溶解氧含量(小于1.5原子％)的TixAly和稀土氧化物顆粒的復(fù)合物。
向富含TixAly(O)的粉末中加入稀土金屬，根據(jù)所添加的稀土金屬，能制得具有某些要求特征的高值專用材料。
術(shù)語(yǔ)“稀土金屬”是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，是指元素周期表中的鑭系金屬。
雖然要求制造最終富含TixAly(O)復(fù)合物的原料，即TiO2粉末，Al粉末和其他金屬或金屬氧化物粉末具有至少98.5％的純度，從而保證制得的鈦合金的純度，但是在某些情況下，也可以使用低純度的原料，例如含鈦熔渣。熔渣中通常含有33摩爾％的氧化鈦。
較低純度的原料可能會(huì)影響所形成的鈦基合金或復(fù)合物的質(zhì)量。使用低純度的原料時(shí)，該方法需要修改，以適合低純度的原料。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，能夠以較低成本，不損害環(huán)境的方法制造含有限和受控量Al2O3的高純TixAly(O)。該方法還適合于分離如上所述的其他金屬。采用上述研磨和分離過(guò)程，用氧化銅和鋁，以及氧化釔和鋁進(jìn)行試驗(yàn)，表明也能夠采用這些方法分離其他金屬基復(fù)合物。對(duì)這些過(guò)程的分離結(jié)果進(jìn)行光學(xué)分析證明，在組分之間存在粒度差異。因此以鈦為例具體說(shuō)明的方法的基本原理也適用于分離這些金屬。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于，分離技術(shù)中不需要使用對(duì)環(huán)境有害的物質(zhì)，例如氯和類似物。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于，與現(xiàn)有方法相比，能明顯降低制備高純Ti3Al的成本。
應(yīng)理解，本發(fā)明中的術(shù)語(yǔ)“組分”指構(gòu)成金屬基復(fù)合物部分的物相。應(yīng)理解，金屬基復(fù)合物中應(yīng)存在至少兩種組分，因而在理論上對(duì)構(gòu)成金屬基復(fù)合物的組分?jǐn)?shù)目沒(méi)有限制。
實(shí)施例以下具體步驟中使用按照美國(guó)專利6264719中所述方法制備的Al/TiO2復(fù)合粉末作為原料，公開(kāi)了制造具有較低和受控濃度Al2O3的高純TiAl合金或TixAly金屬互化物的方法。
該方法中所用原料是TiO2粉，Al粉和其他金屬氧化物或金屬氧化物粉，要求純度至少是98.5％，保證所制得的鈦合金具有要求的質(zhì)量。
步驟1TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物物塊的反應(yīng)燒結(jié)將按照美國(guó)專利6264719中所述方法制得的Al/TiO2復(fù)合粉壓制成致密體?？梢园凑找韵乱环N反應(yīng)表達(dá)式控制Al和TiO2的摩爾比(1)(2)(3)將致密體加熱到足夠高的溫度，點(diǎn)燃組合物中Al和TiO2之間的反應(yīng)，形成包含Ti(Al，O)和Al2O3的TixAly(O)。加熱和燃燒反應(yīng)也會(huì)將粉末致密體燒結(jié)成TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物物塊。燃燒需要的溫度是700℃。
或者，可以將Al/TiO2復(fù)合粉末加熱到超過(guò)700℃的溫度，使Al和TiO2之間發(fā)生燃燒反應(yīng)，形成TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物粉末。
可以將TixAly(O)/Al2O3復(fù)合粉末壓制成致密體，并將致密體溫度在1550℃保持2小時(shí)，將其燒結(jié)成TixAly(O)/Al2O3塊。
步驟2粗化Al2O3粒度的方法將TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物塊加熱到1650℃，并在該溫度下保持4小時(shí)，使TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物中的Al2O3顆粒顯著粗化，如圖1中所示。Al2O3顆粒的粒度在15-100微米范圍內(nèi)。升溫速率是5℃/分。
有時(shí)候優(yōu)選將步驟1和步驟2組合在一起。
步驟3制備用于分離的復(fù)合物采用機(jī)械研磨，在氬氣或其他惰性氣氛包括真空條件下，對(duì)具有粗化微觀結(jié)構(gòu)的TixAly(O)/Al2O3復(fù)合物進(jìn)行粉碎和研磨。研磨時(shí)間大約是20分鐘。需控制研磨條件，使復(fù)合物微觀結(jié)構(gòu)破碎成離散的Al2O3和TixAly(O)粉末顆粒。研磨時(shí)間不能太長(zhǎng)，應(yīng)防止Al2O3粒度縮小。粉末顆粒的粒度在0.5-100微米范圍內(nèi)。根據(jù)原料粉末中Al/TiO2的摩爾比，粉末中含有40-60％的Al2O3。
步驟4向粉末中加入表面活性劑和制備漿料將步驟3制得的TixAly(O)/Al2O3粉末進(jìn)一步與水和表面活性劑以1克粉末相對(duì)10毫升水和0.1克表面活性劑的比例在機(jī)械研磨機(jī)中進(jìn)行混合。表面活性劑是十二烷基硫酸鈉。研磨時(shí)間是30分鐘，或足夠長(zhǎng)，用水和表面活性劑分子涂覆粉末顆粒表面。在該步驟結(jié)束時(shí)制得漿料。
步驟5分離漿料將步驟4制得的漿料與大量水混合，形成粉末濃度大約是10克/升的懸浮液。然后將懸浮液傾倒在一高度為5米的柱中。1小時(shí)之后，采用典型的固-液分離方法，例如過(guò)濾或離心分離，從液體中分離出懸浮物。所制得的粉末稱為B1粉末。同時(shí)，從柱底部取出沉降物并過(guò)濾。從沉降物中制得的粉末稱為B2粉末。B1粉末通常占總原料的30-50％，含有20-40％的Al2O3。B2分鐘通常占總原料的50-70％，含有70-85％的Al2O3。B1粉末的粒度通常在0.5-10微米范圍內(nèi)，而B(niǎo)2粉末的粒度通常在5-100微米范圍內(nèi)。
步驟6進(jìn)一步分離低Al2O3含量的粉末采用機(jī)械壓機(jī)壓實(shí)B1粉末，將該材料再次通過(guò)步驟1到步驟5，制得B3和B4粉末。與B1粉末相比，從懸浮液制得的B3粉末中含有較低體積分?jǐn)?shù)的Al2O3。B3粉末中Al2O3顆粒的體積分?jǐn)?shù)在15-25％的范圍內(nèi)。B4是該過(guò)程的副產(chǎn)物。B1到B4粉末都各有其價(jià)值。
可以重復(fù)步驟1到5超過(guò)一次，制得B5和B6或更細(xì)的粉末。
步驟6a從懸浮液中提取富鈦粉末將步驟5制得的B1或B3粉末與表面活性劑和水混合，制得固體濃度大約為10克/升的懸浮液。然后采用電泳或磁分離方法從懸浮液中提取富鈦粉末。
步騾7加入氫化鈣，降低富鈦粉末中的氧含量當(dāng)富含TixAly(O)粉末中的Al2O3體積分?jǐn)?shù)降低到小于30％時(shí)，將該粉末與氫化鈣混合，并加熱至800℃，使Al2O3和氫化鈣之間發(fā)生反應(yīng)，除去Al2O3，并使TixAly(O)和氫化鈣之間發(fā)生反應(yīng)，使TixAly(O)相中的氧含量降低到小于1.5原子％。然后用甲酸和乙酸等弱酸，將反應(yīng)副產(chǎn)物CaO和3CaO·Al2O3相浸提除去。
步驟7a向富鈦粉末中加入Y和Ce或者，當(dāng)富含TixAly(O)粉末中Al2O3的體積分?jǐn)?shù)低于10％時(shí)，將該粉末與稀土金屬，例如釔(Y)和鈰(Ce)混合，使Al2O3和TixAly(O)反應(yīng)，形成包括具有低溶解氧含量(小于1原子％)的TixAly和稀土金屬顆粒的復(fù)合物。
加工方法中的時(shí)間(根據(jù)放大基礎(chǔ)研究工作)如下1.對(duì)于250克Al/TiO2，高能機(jī)械研磨(Discus研磨機(jī))時(shí)間是2小時(shí)。
2.在如1500-1600℃高溫加熱經(jīng)過(guò)壓制和研磨的粉末產(chǎn)物的時(shí)間是3小時(shí)。加熱處理之后，金屬互化產(chǎn)物粉末是具有高體積分?jǐn)?shù)Al2O3的Ti3Al(O)/Al2O3。
3.顆粒粉碎時(shí)間是10分鐘(在discus研磨機(jī)中)。
4.對(duì)具有高體積分?jǐn)?shù)Al2O3的Ti3Al(O)/Al2O3進(jìn)行30分鐘的濕法研磨，使Ti3Al(O)和Al2O3顆粒解聚并防止其再次附聚。
5.將經(jīng)過(guò)濕法研磨的粉末置于大規(guī)模沉降柱中，沉降時(shí)間為2小時(shí)。潷析之后，沉降柱上部是具有低體積分?jǐn)?shù)Al2O3的Ti3Al(O)。該物質(zhì)含量占第一階段總粉末的大約50％。
6.在高溫下用金屬氫化物對(duì)具有低體積分?jǐn)?shù)Al2O3的Ti3Al(O)/Al2O3進(jìn)行4小時(shí)的還原，形成不同種類的鈦合金。控制這一化學(xué)過(guò)程，根據(jù)不同的原料組成能獲得Ti3Al/TiAl或TiAl/Ti3Al或其他鈦合金。
7.洗滌4小時(shí)，除去副產(chǎn)物。
所開(kāi)發(fā)的分離技術(shù)是分離具有一些顆粒附聚障礙的不同材料顆粒的唯一方法。不論它們具有接近還是不同的密度。密度不同時(shí)，濕法研磨有助于解聚顆粒，然后用沉降柱分離漿料中的顆粒。密度幾乎沒(méi)有區(qū)別時(shí)，熱處理能粗化顆粒，然后進(jìn)行粉碎，在不同相顆粒之間產(chǎn)生區(qū)別。這就是在Ti3Al(O)，和Al2O3顆粒之間所發(fā)生的情況。
制備1千克純鈦合金時(shí)，需要3.3千克具有高體積分?jǐn)?shù)Al2O3的Ti3Al(O)/Al2O3(熱處理Al/TiO2的產(chǎn)物)，這時(shí)也可以說(shuō)需要2.24千克TiO2和1.06千克Al粉末，對(duì)其進(jìn)行研磨，然后熱處理。
最終的TiAl/Ti3Al產(chǎn)物是幾乎沒(méi)有或不含Al2O3相的鈦鋁合金?？梢杂貌煌姆治黾夹g(shù)，例如X射線衍射，SEM(掃描電鏡)，EDX分析和X射線測(cè)繪進(jìn)行驗(yàn)證。利用Leco儀器進(jìn)行粉末燃燒分析證明，這種鈦合金具有低氧含量(低至大約0.8重量％)。
在以上說(shuō)明中，參考了特定組分或具有已知等價(jià)物的本發(fā)明組合，這些等價(jià)物是以獨(dú)立方式進(jìn)行組合的。
雖然已經(jīng)只采用舉例方式和參考可能實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了說(shuō)明，但仍然能在不超出由權(quán)利要求所限定的發(fā)明范圍或原理的情況下，作出變化或改進(jìn)。
權(quán)利要求
1.一種從金屬基復(fù)合物中分離組分的方法，該方法包括增大金屬基復(fù)合物中某組分的粒度，和使該粒度增大組分與復(fù)合物的其他組分分離的步驟。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該金屬基復(fù)合物被加熱到大約1500℃到1650℃之間的溫度。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于該金屬基復(fù)合物在1500℃和1650℃之間的溫度下保持大約0.5到10小時(shí)。
4.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于組分粒度被增大到約15微米和100微米之間。
5.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該金屬基復(fù)合物是由至少兩種組分所構(gòu)成的金屬基質(zhì)復(fù)合物，其中一種組分是金屬。
6.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于金屬是鈦，釔或銅。
7.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該金屬基復(fù)合物是金屬基質(zhì)和非金屬增強(qiáng)組分的組合。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該非金屬組分是陶瓷材料。
9.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該金屬基復(fù)合物是金屬陶瓷復(fù)合物，其中的主要組分超過(guò)該復(fù)合物的大約50％。
10.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于構(gòu)成金屬基復(fù)合物的材料或物相包括金屬相，金屬互化相，氧化物，氮化物，碳化物或硅酸鹽。
11.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于金屬相，金屬互化相和氧化物包括Ti(Al，O)，Ti3Al(O)和TiAl(O)和Al2O3。
12.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于金屬基復(fù)合物中粒度增大的組分是Al2O3。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于通過(guò)熱處理粗化Al2O3顆粒，增大Al2O3的平均粒度。
14.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于在處理之后粉碎和/或研磨該復(fù)合物，形成粉末，并使某組分的粒度小于其他組分。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于研磨是在惰性環(huán)境中發(fā)生，例如在氬氣或真空條件下。
16.如權(quán)利要求14或15所述的方法，其特征在于要限制研磨時(shí)間，使粒度增大組分的縮小程度最小。
17.如權(quán)利要求14到16中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該粉末與表面活性劑和水混合形成懸浮液。
18.如權(quán)利要求14到17中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于通過(guò)篩選，沉降，電泳，靜電方法，化學(xué)浸提，或類似方法分離組分。
19.如以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于該方法所制得富含金屬的粉末具有大于約70％的金屬組分體積分?jǐn)?shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于其體積分?jǐn)?shù)大于90％。
21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于該粉末與還原劑或稀土金屬反應(yīng)。
22.如權(quán)利要求19到21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于該金屬相的氧含量小于約1.5原子％。
23.按照以上任意一項(xiàng)權(quán)利要求所述的方法準(zhǔn)備的富鈦粉末。
24.如權(quán)利要求23所述的富鈦粉末，其特征在于該富鈦粉末中的Al2O3含量小于30％，更優(yōu)選小于15％。
25.如權(quán)利要求23所述的富鈦粉末，其特征在于該粉末鈦相中的氧含量小于1.5原子％。
全文摘要
一種從金屬基復(fù)合物中分離組分的方法，包括使待分離組分粒度增大和從復(fù)合物的其他組分中分離該粒度增大組分的步驟。
文檔編號(hào)C22B5/00GK1671871SQ03817576
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2003年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月22日
發(fā)明者D·張, G·阿達(dá)姆, J·梁 申請(qǐng)人:鈦坦諾克斯發(fā)展有限公司