Совместное металлотермическое восстановление титана и редких тугоплавких металлов V группы

Изучены особенности фазообразования при совместном алюминотермическом восстановлении титана, ниобия, тантала, ванадия из их оксидов с использованием методов термодинамического моделирования, дифференциально-термичес- кого и рентгенофазового анализов. Применение компьютерного термодинамического моделирования позволило прогнозировать в металлотермическом процессе оптимальные температурные условия, состав и соотношение реагентов в шихтах, поведение элементов и последовательность формирования фаз. Для выявления кинетической и термохимической составляющих процесса термодинамические расчеты были дополнены дифференциально-термическими исследованиями с помощью метода совмещенной сканирующей калориметрии. Анализ теоретических и экспериментальных данных позволил установить, что взаимодействие алюминия с диоксидом титана протекает через стадию образования монооксида титана и характеризуется, в зависимости от соотношения в шихтах Al и TiO2, формированием интерметаллических соединений TixAly различного состава (TiAl3, TiAl, Ti2Al). При частичной замене диоксида титана на оксиды ниобия, тантала и ванадия металлотермический процесс при взаимодействиях в системах Al–TiO2–Nb2O5, Al–TiO2–Ta2O5 и Al–TiO2–V2O5 имеет аналогичный характер, вступает в активную фазу после появления жидкого алюминия, сопровождается экзотермическими эффектами и характеризуется приоритетным образованием алюминидов титана и двойных и тройных интерметаллических соединений алюминия с редкими тугоплавкими металлами V группы – AlNb3, Al3Nb, Al3Ta, Al3(Ti1–х,Taх), Al3(Ti0,8,V0,2). Совместное превращение диоксида титана и пентаоксидов редких тугоплавких металлов в процессе восстановления осуществляется через последовательные и параллельные стадии образования простых и сложных оксидов элементов с низкими степенями окисления.

1. Чуфаров Г.И., Татиевская Е.П. Адсорбционно-каталитическая теория восстановления окислов металлов. В сб.: Проблемы металлургии. Под ред. А.Н. Самарина. М.: АН СССР, 1953. C. 15—32.

2. Чуфаров Г.И., Татиевская Е.П. Механизм и кинетика восстановления окислов металлов. В сб.: Физико-химические основы доменного процесса и современная практика производства чугуна. Под ред. В.В. Михайлова. Свердловск: ГНТИ по черной и цветной металлургии, 1956. C. 21—64.

3. Крутилин А.Н., Кухарчук М.Н., Сычева О.А. Твердофазное восстановление оксидов железа углеродом. Литье и металлургия. 2012. No. 2. С. 11—16.

4. Egry I., Brooks R., Holland-Moritz D., Novakovich R., Matsushita T., Ricci E., Seetharaman S., Wunderlich R., Jarvis D. Thermophysical properties of γ-titanium aluminide: The European IMPRESS Project. Int. J. Thermophys. 2007. No. 28. P. 1026—1036.

5. Mahdouk K., Gachon J.-C., Boirden L. Enthalpies of formation of the Al—Nb intermetallic compounds. J. Alloys Compd. 1998. No. 268. P. 118—121.

6. Novakovic R., Giuranno D., Ricci E., Tuissi A., Wunderlich R., Fecht H.-J., Egry I. Surface, dynamic and structural properties of liquid Al—Ti alloys. Appl. Surf. Sci. 2012. No. 258. P. 3269—3275.

7. Asta M. de Fontaine D., Van Schilfgaarde M. First-principles study of phase stability of Ti—Al intermetallic compounds. J. Mater. Res. 1993. Vol. 8. P. 2554.

8. Boehlert C.J. Part III. The tensile behavior of Ti—Al— NbO + Bcc orthorhombic alloys. Metal. Trans. A. 2001. Vol. 32A. P. 1977—1988.

9. Popil F., Douin J. The dislocation microstructure in orthorhombic O Ti2AlNb deformed between room temperature and 800 °C. Phil. Mag. A. 1996. Vol. 73. No. 5. P. 1401—1418.

10. Chungen Zhou, Huibin Xu, Kyoo Young Kim. The influence of additions of Nb and Cr on the aluminizing behavior of TiAl alloy. Met. Mater. Trans. A. 2000. Vol. 31A. No. 10. P. 2391—2394.

11. Chen W., Li J.W., Xu L., Lu B. Development of Ti2AlNb alloys: opportunities and challenges. Adv. Mater. Process. 2014. Vol. 175. No. 5. P. 23—27.

12. Jihua Peng, Shiqiong Li, Yong Mao, Xunfang Sun. Phase transformation and microstructures in Ti—Al—Nb—Ta system. Mater. Lett. 2002. No. 53. P. 57—62.

13. Li-Hua Ye, Hao Wang, Gang Zhou, Qing-Miao Hu, Rui Yang. Phase stability of TiAl—X (X = V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, and Mn) alloys. J. Alloys Compd. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.153291.

14. Andreev D.E., Sanin V.N., Yukhvid V.I. SVS metallurgy of titanium aluminides. Int. J. SHS. 2005. Vol. 14. No. 3. P. 219—234.

15. Напалков В.И., Махов С.В. Легирование и модифицирование алюминия и магния. М.: МИСиС, 2002.

16. Мурач Н.Н. Алюминотермия титана. М.: ЦНИИцветмет, 1958.

17. Гасик М.И., Лякишев И.Л., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988.

18. Красиков С.А., Надольский А.Л., Пономаренко А.А., Ситникова О.А., Жидовинова С.В. Металлотермическое получение сплавов титан—алюминий в контролируемых температурных условиях. Цвет. металлы. 2012. No. 6. С. 68—71.

19. Vedmid' L.B., Krasikov S.A., Zhilina E.M., Nikitina E.V., Evdokimova I.V., Merkushev A.G. Evolution of phase formation during the aluminothermic reduction of titanium and zirconium from oxides. Russ. Metallurgy (Metally). 2018. No. 8. P. 733—736.

20. Krasikov S.A., Zhilina E.M., Pichkaleva O.A., Ponomarenko A.A., Zhidovinova S.V., Chentsov V.P. Effect of the intermetallic compound composition of the character of interphase interactions during aluminothermic reduction of titanium, nickel, and molybdenum from their oxides. Russ. Metallurgy (Metally). 2016. No. 8. P. 771—775.

21. Жилина Е.М., Красиков С.А., Агафонов С.Н., Ведмидь Л.Б., Жидовинова С.В. Термодинамические и кинетические особенности совместного алюминотермического восстановления титана и циркония из оксидов. Бутлеровские сообщения. 2016. Т. 45. No. 1. С. 130—135.

22. Nunes C.A., Pinatti D.G., Robin A. Nb—Ta alloys by aluminothermic reduction of Nb2O5/Ta2O5 mixtures and electron beam melting. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 1999. No. 17. P. 305—314.

23. Roine A. Outokumpu HSC chemistry for windows. Chemical reaction and equilibrium software with extensive thermochemical database. Pori: Outokumpu Research OY, 2006.

24. Feng W., Wang Q., Kong Q., Zhu X., Wu J., Sun Ch. Influence of high-temperature water vapor on titanium film surface. Oxidat. Met. 2016. Vol. 86. P. 179—192.