Phase Formation during Aluminothermic Reduction of Titanium from Its Oxides with the Anatase and Rutile Structures

R. I. Gulyaeva; Гуляева Р. И.; K. V. Pikulin; Пикулин К. В.; A. N. Mansurova; Мансурова А. Н.; S. M. Pikalov; Пикалов С. М.; L. I. Leont’ev; Леонтьев Л. И.

doi:10.31857/S0002337X23020069

Фазообразование при алюминотермическом восстановлении титана из его оксидов со структурами анатаза и рутила

Авторы: Гуляева Р.И.¹, Пикулин К.В.¹, Мансурова А.Н.¹, Пикалов С.М.¹, Леонтьев Л.И.¹
Учреждения:
1. Институт металлургии УрО Российской академии наук
Выпуск: Том 59, № 2 (2023)
Страницы: 139-149
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/140122
DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X23020069
EDN: https://elibrary.ru/YDFCSG
ID: 140122

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В условиях непрерывного, а также изотермического нагрева изучены процессы низкотемпературного (до 1270–1450°С) фазообразования при алюминотермическом восстановлении титана из TiO₂ различных модификаций: стабильного рутила и метастабильного анатаза. Методами термического и рентгенографического анализов изучены взаимодействия реагентов при мольных соотношениях TiO₂/Al, равных 0.23 и 0.43. Показано, что при непрерывном нагреве порошков анатаза с алюминием (TiO₂/Al = 0.43) процесс восстановления начинается при температуре 943 и до 1270°С протекает неполно с образованием интерметаллида Al₃Ti и Al₂O₃, а также промежуточных оксидов титана (Ti_0.78O_0.937, (Ti_0.99Al_0.01)₂O₃). Увеличение расхода алюминия в смеси (TiO₂/Al = 0.23) повышает степень восстановления титана, что проявляется в увеличении в продуктах восстановления количества интерметаллидов (Al₃Ti, Al₂Ti, Al_1.1Ti_0.9, AlTi₃) и в снижении промежуточных оксидов титана. Установлена слабая реакционная активность рутила, при нагреве которого до 1450°С в смеси с алюминием образуется, наряду с небольшим количеством Al₃Ti и AlTi₃, множество промежуточных оксидов титана. Полученные результаты подтверждены нагревом смесей анатаза и рутила с алюминием в изотермических условиях (1400°С, 60 мин). Выявлена область (622–913°С) полиморфного превращения анатаза в рутил при нагреве в потоке аргона. Установлено, что в процессе восстановления расплавленный алюминий ингибирует фазовый переход анатаза, сохраняя его повышенную, в сравнении с рутилом, реакционную способность.

Ключевые слова

анатаз, рутил, алюминотермия, восстановление, термический анализ, фазообразование

Список литературы

Yamaguchi M., Inui H., Ito K. High-Temperature Structural Intermetallics // Acta Mater. 2000. V. 48. P. 307–322. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00301-8
Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф., Лаппо С.И. Алюминотермия. М.: Металлург, 1978. 424 с.
Мурач Н.Н., Мусиенко В.Т. Алюминотермия титана. М.: ЦИИНцветмет, 1958. 52. с.
Плинер Ю.Л., Сучильников С.И., Рубинштейн Е.А. Алюминотермическое производство ферросплавов и лигатур. М.: Металлургия, 1963. 174 с.
Bose P., Pradhan S.K., Suchitra Sen. Rietveld Analysis of Polymorphic Transformations of Ball Milled Anatase TiO2 // Mater. Chem. Phys. 2003. V. 80. P. 73–81. https://doi.org/10.1016/S0254-0584(02)00463-7
Hanaor D.A.N., Sorrell Ch.C. Review of the Anatase to Rutile Phase Transformation // J. Mater. Sci. 2011. V. 46. P. 855–874. https://doi.org/10.1007/s10853-010-5113-0
Večera J., Dohnalová Z., Mikulášek P. Anatase-Rutile Transformation at the Synthesis of Rutile Pigments (Ti,Cr,Nb)O2 and Their Color Properties // J. Therm. Anal. Calorim. 2013. V. 113. P. 61–67. https://doi.org/10.1007/s10973-012-2901-6
Подергин В.А. Алюминий–титан диоксид, Al–TiO2 // Металлотермические системы. М.: Металлургия, 1992. С. 87–91.
Kobyakov V.P., Barinova T.V. Combustion of TiO2–Al Thermit Mixtures Containing C and Cs in Air: Phase Composition of Products // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2011. V. 20. № 3. P. 161–165. https://doi.org/10.3103/S1061386211030046
Красиков С.А., Надольский А.Л., Пономаренко А.А., Ситникова О.А., Жидовинова С.В. Металлотермическое получение сплавов титан-алюминий в контролируемых температурных условиях // Цв. металлы. 2012. № 6. С. 68–71.
Fan Run-hua, Liu Bing, Bi Jian-qiang, Yin Yan-sheng. Kinetic Evaluation of Combustion Synthesis 3TiO2 + + 7Al → 3TiAl + 2Al2O3 Using Non-Isothermal DSC Method // Mater. Chem. Phys. 2005. V. 91. P. 140–145. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2004.11.004
Самсонов Г.В., Синельникова В.С. Алюминотермическое восстановление окислов титана // Металлотермические процессы в химии и металлургии. Материалы конф. Новосибирск: Наука, 1971. С. 32–38.
Kamali A.R., Fahim J. Mechanically Activated Aluminothermic Reduction of Titanium Dioxide // Int. J. Self-Propag. High-Temp. Synth. 2009. V. 18. № 1. P. 7–10. https://doi.org/10.3103/S1061386209010026
Hassan-Pour S., Vonderstein C., Achimovičova M., Vogt V., Gock E., Friedrich B. Aluminothermic Production of Titanium Alloys (Part 2): Impact of Activated Rutile on Process Sustainability // Metall. Mater. Eng. 2015. V. 21. № 2. P. 101–114. https://doi.org/10.30544/100
Claussen N., Garcia D.E., Janssen R. Reaction Sintering of Alumina-Aluminide Alloys (3A) // J. Mater. Res. 1996. V. 11. P. 2884–2888. https://doi.org/10.1557/JMR.1996.0364
Maity P.C., Chakraborty P.N., Panigrahi S.C. Processing and Properties of Al–Al2O3 (TiO2) in situ Particle Composite // J. Mater. Process. Technol. 1995. V. 53. P. 857–870. https://doi.org/10.1016/0924-0136(94)01757-R
Powder Diffraction File PDF2+ ICDD. 2018.
Иверонова В.И., Ревкевич Г.П. Теория рассеяния рентгеновских лучей. Изд. 2. М.: Изд-во МГУ, 1978. 278 с.
Пойлов В.З., Лобанов С.А., Казанцев А.Л., Смирнов С.А., Исламов К.Ф. Получение ультрадиспернсного диоксида титана методом термогидролиза // Вестн. Пермского гос. техн. ун-та. Хим. технология и биотехнология. 2010. № 11. С. 5–14.
Reidy D.J., Holmes J.D., Morris M.A. The Critical Size Mechanism for the Anatase to Rutile Transformation in TiO2 and Doped-TiO2 // J. Eur. Ceram. Soc. 2006. V. 26. P. 1527–1534. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.03.246
Локшин Э.П., Седнева Т.А. Особенности перехода анатаза в рутил // Журн. общ. химии. 2011. Т. 81. № 9. С. 1409–1414.
Дорошева И.Б., Валеева А.А., Ремпель А.А., Тресцова М.А., Утепова И.А., Чупахин О.Н. Синтез и физико-химические свойства наноструктурированного TiO2 с повышенной фотокаталитической активностью // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 5. С. 528–535. https://doi.org/10.31857/S0002337X2105002X
Schuster J.C., Palm M. Reassessment of the Binary Aluminum-Titanium Phase Diagram // J. Phase Equilib. Diffus. 2006. V. 27. P. 255–277. https://doi.org/10.1361/154770306X109809
Barrios de Arenas I. Reactive Sintering of Aluminum Titanate // Sintering of Ceramics – New Emerging Techniques / Ed. Lakshmanan A. London: InTech. 2012. P. 501–526.
Horvitz D., Gotman I., Gutmanas E.Y., Claussen N. In situ Processing of Dense Al2O3–Ti Aluminide Interpenetrating Phase Composites // J. Eur. Ceram. Soc. 2002. V. 22. P. 947–954. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00396-X
Lee Jong Hyeon, Nersisyan Hayk, Lim Kyu-Seok, Kim Wan-Bae, Choi Woo-Seok. Combustion-Aluminothermic Reduction of TiO2 to Produce Titanium Low Oxygen Suboxides // Metall. Mater. Trans. B. 2021. V. 52. P. 4012–4022. https://doi.org/10.1007/s11663-021-02316-1
Okamoto H. O-Ti (Oxygen-Titanium) // J. Phase Equilib. Diffus. 2011. V. 32. № 5. P. 473–474. https://doi.org/10.1007/s11669-011-9935-5
Любимов В.Д., Алямовский С.И., Швейкин Г.П. О механизме восстановления окислов титана // Журн. неорган. химии. 1981. Т. 26. № 9. С. 2314–2322.
Казенас Е.К., Чижиков Д.М. Давление и состав пара над окислами химических элементов. М.: Наука, 1976. 176 с.
Michael Hoch, Herrick L. Johnston. Formation Stability and Crystal Structure of the Solid Aluminum Suboxide: Al2O and AlO // J. Am. Chem. Soc. 1954. V. 76. № 9. P. 2560–2561. https://doi.org/10.1021/ja01638a076
Wefers K., Misra Ch. Oxides and Hydroxides of Aluminum. Pittsburgh: Alcoa Laboratories, 1987. 100 p.
Червонный А.Д. Состав газовой фазы над Al2O3 при 2300–2600 K, энтальпии атомизации AlO, Al2O, Al2O2 // Журн. неорган. химии. 2010. Т. 55. № 4. С. 609–612.