专利名称：用阿姆斯特朗方法制备合金的制作方法
相关申请根据37C.F.R.1.78(c)的规定，本发明要求2002年9月7日提交的美国临时申请序列号为60/408934的临时申请的优先权。
背景技术：
本发明涉及如美国专利5779761、5958106和6409797中所描述的阿姆斯特朗方法(Armstrong process)，在此引入其中每一篇的公开内容作为参考。如上述三篇专利中所公开那样，合金或者陶瓷可以通过建立气体混合物来制备，其中如上述参考专利中所披露的，该气体被注入还原金属的表面之下，从而启动该气体混合物对相应合金或者陶瓷的还原反应。一般来说，提供气体混合物最明显的方法是将构成蒸汽以所需的原子比引入歧管中，并将该混合材料注入还原金属。
本发明涉及另一种装置，用于在混合蒸汽引入还原金属之前混合合金或者陶瓷的成分。在本发明中，首先将合金或者陶瓷的各种成分混合成液体，之后使之沸腾。在液体沸腾并达到平衡态后，从该液体中逸出的蒸汽具有与注入锅炉(boiler)的进料液体相同的原子比，其可以与锅炉中的液体相同或者不同。在稳定的状态下，以与三篇参考专利中所示同样的方式，可将来自锅炉的蒸汽进料到阿姆斯特朗处理过程，以生产具有恒定原子比的合金或者陶瓷。
本发明简化了材料的处理过程，尤其是那些像氯化铝这样不沸腾而升华的材料。对于这些材料，在加压的情况下在容器中加热其固体，使得形成液体并接着将该液体输送到锅炉中，如后所示。例如，锅炉中含有原子比为6％Al，4％V和余量Ti的氯化铝、氯化钒和氯化钛的进料流，其将在平衡点生成原子比为6％Al，4％V和90％Ti的蒸汽，即便锅炉中的液体成分原子比改变。在参考专利中所公开的过程中，将平衡态的蒸汽用作进料产生了6％Al，4％V的钛合金。
本发明提供了广泛种类的合金和陶瓷，并简化了阿姆斯特朗过程中生产每种合金的组成部分的材料处理过程。
发明简述因此，本发明的一个目的是提供一种生产合金或者陶瓷的方法和设备，其中将其液体成分进料到锅炉中，随后将由此产生的平衡蒸汽用于与液态碱金属或碱土金属进行的表面下还原反应(subsurfacereduction)，以形成合金或者陶瓷。
本发明的另一个目的在于提供一种方法，通过合金或者陶瓷成分的混合卤化物蒸汽与液体碱金属或碱土金属或其混合物之间的放热的表面下还原反应来生产合金或者陶瓷，该方法包括以预先选择的原子比提供合金或者陶瓷成分的卤化物液体混合物，使该液体沸腾直到达到与蒸汽的平衡，以及之后将平衡蒸汽引入液态还原剂金属，使得以预先选择的原子比形成平衡蒸汽成分的合金或者陶瓷粉末。
本发明的另一个目的在于提供一种方法，通过合金成分的混合卤化物蒸汽与液体碱金属或碱土金属或其混合物之间的放热的表面下还原反应来生产合金，该方法包括以预先选择的原子比提供合金成分的卤化物液体混合物，使该液体沸腾直到达到与蒸汽的平衡，以及之后将平衡蒸汽以大于音速的速度注入液态还原剂金属，使得以预先选择的原子比形成平衡蒸汽成分的合金粉末。
本发明的另一个目的是提供一种用于实施上文所述方法的设备。
本发明由一些新颖的特征以及部分的组合而构成，其将详细描述于下文中，如附图所示，并尤其在所附权利要求中提出，应当明白，在不偏离本发明实质精神或者舍去其任何优点的情况下，细节上可以做出各种改变。
附图简述为了帮助理解本发明，附图中表示了其中的优选实施方案，通过对其的检验，并同时结合考虑以下说明，本发明的构成和实施方式，以及其许多优点将更易于理解和领会。
图1是实施本发明方法的设备和系统的示意图。
优选实施方案详述图1表示了系统10，具有与液态还原剂金属的源20相连通的反应器15，源20通过管线21与反应器相连。
锅炉25中含有液体26，当其沸腾时在平衡态产生蒸汽27，蒸气通过管30被引入管21，优选但非必须地携带着来自其源20的液态金属的流体流，从而产生同种类型的浆料40，由过量的液体金属，陶瓷或者金属粉末，以及反应过程中生成的盐所组成，见上面所讨论的阿姆斯特朗等人的专利。
锅炉25具有诸如线圈28之类的热源，并与合金或者陶瓷终产品的多个成分的提供源相连接或者连通。图中示出了三个这样的源35，36和37。
本发明的优点在于在用阿姆斯特朗方法生产陶瓷或者合金的过程中，对液体的处理通常比对蒸气的处理更加容易和有效。为此，每个代表性成分的源35，36和37可以是保存着液态单一成分卤化物的容器(加压的或不加压的)，并且之后该液态卤化物以适当的预定原子比转移至锅炉25中。来自每个源35，36和37的成分的原子比决定了与液体26处于平衡态下的蒸汽27中成分的原子比。之后，预先选择和预定原子比的平衡态蒸汽27以大于音速的速度被注入液态金属流的表面下，正如上述参考的阿姆斯特朗专利中所指导的那样。
尽管还原剂金属可以为任何适当的碱金属或碱土金属或其混合物，但优选的还原剂金属是钠或者镁，最优选的还原剂金属是钠。尽管可以使用各种卤化物，但出于实用性和价格考虑优选的卤化物为氯化物。尽管通常所描述的都是针对钛合金，但本发明实际上对广泛种类的合金和陶瓷都适用，尤其是包含氮化物、碳化物、硼化物或其混合物的陶瓷。此外，本发明的方法和设备可以生产多种合金，尤其是那些包含了Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一种或多种的合金或者陶瓷。更优选的是，生产包含Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一种或多种的合金或者陶瓷。
而且，通过本发明的方法和设备生产的粉末陶瓷或者合金在制造不同产品的多种过程中十分有用。例如，各种粉末冶金技术中可以用通过本发明的方法和设备生产的粉末来生产产品。此外，用本发明的粉末，可使得广泛种类的合金和陶瓷粉末熔化或者压制而形成固体。目前尤为重要的一种合金是6∶4的钛合金。此合金被广泛地用于航天和防御上，其主要由6％的铝，4％的钒以及余量钛构成。
正如所引用的阿姆斯特朗等人的专利中所指导那样，还原剂金属通常以超过还原混合卤化物蒸汽所需的化学计量的量存在，其中卤化物蒸汽被注入该还原剂金属的表面下。特别是还原剂金属以化学计量的约20倍到约50倍存在，使得整个稳定状态的反应保持在有利而且最优选的温度，约400℃或其附近。保持稳态反应的确切温度部分取决于卤化物与还原剂金属的比，以及被还原的单一蒸汽和用于还原其的还原剂金属。本领域技术人员可以计算出为本发明的方法和设备生产广泛种类陶瓷或者合金的过程提供预定的稳态操作温度的确切比。
如前面所述，尽管在此讨论的是有关钛或钛合金的实例，但通过本发明可以制造出广泛种类的合金和陶瓷，并且打算在所附的权利要求中包括所有这样的合金和陶瓷，特别但并非排他性的包括氮化物、硼化物或者碳化物陶瓷。本发明具代表性的合金有那些包含了Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一种或多种的合金，更优选包含了Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一种或多种的合金。
尽管公开了本发明的优选实施方案，应当明白的是在不偏离本发明实质精神或者舍去其任何优点的情况下，细节上可以做出各种改变。
权利要求
1.一种通过合金或者陶瓷成分的混合卤化物蒸汽与液体碱金属或碱土金属或其混合物之间的放热的表面下还原反应来生产合金或者陶瓷的方法，包括以预先选择的原子比提供合金或者陶瓷成分的卤化物液体混合物，使该液体沸腾直到达到与蒸汽的平衡，以及之后将平衡蒸汽引入液态还原剂金属，使得以预先选择的原子比形成平衡蒸汽成分的合金或者陶瓷粉末。
2.权利要求1所述的方法，其中所述还原剂金属是Na或者Mg。
3.权利要求2所述的方法，其中所述卤化物是氯化物。
4.权利要求3所述的方法，其中所述合金主要为Ti。
5.权利要求4所述的方法，其中所述合金主要为Ti，并包含Al和V。
6.权利要求5所述的方法，其中所述合金主要为6％的Al，4％的V以及余量基本为Ti。
7.权利要求1所述的方法，其中所述还原剂金属以超过于化学计量的量存在。
8.权利要求7所述的方法，其中所述还原剂金属以约20倍到约50倍化学计量的量存在。
9.权利要求7所述的方法，其中所述还原剂金属以流体流的方式存在。
10.权利要求1所述的方法，其中所述蒸汽以大于音速的速度被注入液态金属的表面下。
11.权利要求1所述的方法，其中所述陶瓷为氮化物或碳化物或硼化物或其混合物的一种或多种。
12.权利要求1所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一种或多种。
13.权利要求12所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一种或多种。
14.权利要求1所述的方法，其中至少一些液体卤化物在形成卤化物的液体混合物之前处于压力下。
15.通过权利要求1所述方法生产的粉末。
16.由权利要求15的粉末制成的固体。
17.一种通过合金成分的混合卤化物蒸汽与液体碱金属或碱土金属或其混合物之间的放热的表面下还原反应来生产合金的方法，包括以预先选择的原子比提供合金成分的卤化物液体混合物，使该液体沸腾直到达到与蒸汽的平衡，以及之后将平衡蒸汽以大于音速的速度注入液态还原剂金属，使得以预先选择的原子比形成平衡蒸汽成分的合金粉末。
18.权利要求17所述的方法，其中所述还原剂金属是Na或者Mg。
19.权利要求18所述的方法，其中所述卤化物是氯化物。
20.权利要求19所述的方法，其中所述合金主要为Ti。
21.权利要求20所述的方法，其中所述合金主要为Ti，并包含Al和V。
22.权利要求21所述的方法，其中所述合金主要为6％的Al，4％的V以及余量基本为Ti。
23.权利要求22所述的方法，其中所述还原剂金属以超过于化学计量的量存在。
24.权利要求23所述的方法，其中所述还原剂金属以约20倍到约50倍化学计量的量存在。
25.权利要求24所述的方法，其中所述还原剂金属以流体流的方式存在。
26.权利要求17所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Sb、Be、B、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、U、Re或Si中的一种或多种。
27.权利要求26所述的方法，其中所述合金包括Ti、Al、Ta、Zr、V、Nb、Mo、Ga、Re或Si中的一种或多种。
28.权利要求17所述的方法，其中至少一些液体卤化物在形成卤化物的液体混合物之前处于压力下。
29.通过权利要求17所述方法生产的粉末。
30.由权利要求29的粉末制成的固体。
31.一种用于通过合金或者陶瓷成分的混合卤化物蒸汽与液体碱金属或碱土金属或其混合物之间的表面下还原反应来生产合金或者陶瓷的设备，包括用于储存呈液态形式的每种成分的容器，用于液态碱金属或者碱土金属或其混合物的储存容器，与每个所述用于储存呈液态形式的每种成分的容器连通的锅炉，与所述锅炉构成热交换关系的加热机构，与所述锅炉和所述液态金属储存容器相连通的反应器，用于将预定原子比的每种液态成分转移到所述锅炉中的泵机构，以及用于将液态金属从所述储存容器转移到所述反应器中的泵机构，这样使来自于所述锅炉的平衡蒸汽传到所述反应器中的所述液态金属的表面下，以预定的原子比形成所述成分的合金或者陶瓷粉末。
全文摘要
本发明涉及一种用于制造合金或者陶瓷方法和设备，其通过将陶瓷或者合金成分的沸腾液体的平衡态混合卤化物蒸汽注入到液体碱金属或者碱土金属或其混合物的表面下。并公开了多种粉末和产品。
文档编号C22B5/04GK1688731SQ03821246
公开日2005年10月26日 申请日期2003年9月3日 优先权日2002年9月7日
发明者R·安德森, D·阿姆斯特朗, 兰斯·雅各布森 申请人:国际钛金属粉末公司