去除杂质铱加工方法

金属铱具有独特的特性组合，包括高熔点、高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性，可用于一系列应用，特别是在高温下。然而，在许多情况下，由于推荐使用它的相同特性，铱也是更难加工成成品的材料之一。二十年前在本杂志上发表的评论“铱的历史”强调了这一点，其副标题是“克服熔化和制造的困难”（1）。

本综述的目的是总结过去二十年铱处理的进展。在某些情况下，处理方法得到了改进和改进，而在其他情况下，已经开发出全新的处理方法来服务于铱的新应用。本次审查的范围仅限于纯铱和铱合金材料的加工，其中铱构成大部分成分。审查的加工方法包括提纯、熔化、粉末加工、成型、接合和涂层。铱的纯度已被证明对名义纯金属及其合金的机械性能具有重要影响(2,3)。

铱从铂族金属(pgm)浓缩物中分离出来，并通过传统的化学精炼方法或溶剂萃取工艺(4)进行纯化。在常规方法中，氧化铱溶解在王水中（浓硝酸和盐酸的混合物）并用氯化铵沉淀。经过一系列的溶解和沉淀后，盐在氢气氛中被加热以产生海绵铱。在溶剂萃取法中，使用一系列有机液体从水溶液中浓缩各种铂族元素。然后可以将铱沉淀并在氢气中加热以生产铱海绵。

与传统的化学沉淀方法相比，溶剂萃取方法可以提供成本和环境优势。海绵的纯度对加工细节和原材料都很敏感。据报道，溶解后化学纯化铱化合物的方法可将铂、铑、钌和钯去除至低于百万分之5的重量(浓度)(5)。一种废料净化和制造方法，使用来自熔盐溶液的铱电沉积(6)。净化可有效去除许多贱金属，但对包括pgms在内的其他一些金属而言效果较差。一种用于净化铱废料的火法冶金方法是在氧化镁坩埚中与空气气氛中感应熔化。

通过蒸发去除挥发性杂质和以蒸汽或炉渣形式形成氧化物的杂质（7）。这是一种成本相对较低的方法，尽管一些杂质，包括铁，不容易被它去除。电子束熔炼已被用于净化，可有效去除除难熔金属元素外的大多数杂质(8,9)。最近的工作是通过电子束熔化去除大量杂质元素(10)。

结果表明，由于与理想溶液行为的负?偏差（10）。此外，即使在最佳熔体搅拌条件下，其他几种元素也仅被部分去除。杂质比定义为最终杂质含量与初始杂质含量的重量比，是在产生5.6%重量的铱蒸发条件下测量铱按钮的电子束熔化。观察到铁、铝和铬的低比率分别为0.004、0.014和0.06。获得的杂质铂、硅和碳的中间比例分别为0.11、0.2和0.3。

结果表明与理想的混合和蒸发是一致的。观察到的杂质元素Fe、Al、Cr和Si的净化行为可以通过它们的低活度系数来解释。铱的熔化通过感应熔化、电子束熔化和电弧熔化方法进行。感应熔化，经常用于初始熔化（11），在空气中用氧化锆或氧化镁坩埚进行。由于坩埚材料在铱熔化温度(5)下会过度挥发，因此坩埚不适合在真空中使用。通过使用电子束、等离子或水冷铜坩埚电弧熔化来避免陶瓷夹杂物。铱的等离子熔化在大约50Pa的中等压力下进行。

并通过杂质的蒸发提供一些净化，尽管程度低于电子束熔化。在某些情况下，变形加工前的最终熔化操作（12)是电子束熔化（上面在纯化下讨论）。按钮电弧熔化用于相对少量的铱和铱合金，特别是那些在熔化过程中会蒸发的合金添加剂。真空电弧重熔(VAR)适用于较大尺寸的熔体，并提供内部孔隙很少或没有内部孔隙的铸锭(13)。VAR锭具有相对较大的晶粒尺寸和一定程度的定向凝固。在大约13mPa的真空中。

以大约3kgmin-1的熔化速率，用31V的3000A直流电(DC)熔化直径27毫米的电极以生产直径63毫米的铱合金锭.即使在锻造或轧制锭的情况下，孔隙率的控制也很重要，因为即使通过热挤压等广泛的热变形（14），熔化的锭中的孔隙也可能永远不会被完全密封。粉末冶金压制和烧结的粉末冶金方法可用于制备坯料，用于随后的热加工以生产完全致密的产品(15)，但通过这些方式生产完全致密的近净形状的进展受到限制。在Pgms及其合金（包括纯铱和铱-Pt合金）的粉末冶金方法研究中。

纯铱和铱-30wt.%Pt均不适合压制和烧结，也不适合热等静压(HIP)（16）。铱的问题包括它的高熔化温度，这排除了标准的气体雾化方法，以及在HIP过程中罐材料的污染。通过等离子体旋转电极工艺将铱-50wt.%Pt合金加工成粉末，并通过HIP(16）。铱粉末或海绵通常由铱晶体的附聚物组成，晶体尺寸约为1微米。

附聚物的尺寸范围为10微米至150微米。用随后的热压烧结铱粉已用于制造铱坩埚（17）。一种含有15%（重量）氧化钇的铱复合材料被开发为等离子切割的电极材料（18）。该材料是通过在氢气中在2273K下压制和烧结30分钟来制备的，以获得94%的密度。含有高达15%的铌、钛、锆或铪合金添加物的铱基合金已在实验室规模上使用脉冲电流烧结方法从预合金粉末中固结(19)。与早期使用元素粉末的工作相比，均匀性得到改善，密度接近98%。

还发现使用元素粉末不适合制备铱的四元合金，因为在熔化的合金中无法获得所需的微观结构(20)。粉末冶金方法已被用于生产用作过滤器或其他应用的多孔铱。传统的压制和烧结方法已被用于生产多孔铱金属过滤器，该过滤器结合到铱合金部件（21）。结合和最终烧结在2173K下在真空炉中使用石墨工具在0.5cm2的面积上施加22N的负载。达到了理论密度的47%。随后在室温下压缩将密度增加到67%，以获得所需的过滤器流速。已研究将浆料浇铸作为生产具有受控密度和孔径的多孔铱部件的方法(22）。

去除蜡粘合剂后，样品在氩气中在1273K下预烧结一小时，以达到33%的密度。在1473K和1573K下真空烧结一小时，密度分别为35%和46%。铱及其合金可以使用标准的金属加工方法进行加工，包括锻造、挤压、轧制和拉拔，但有一定的难度（23）。通常变形是在升高的温度下进行的。

以避免裂纹的形成和传播（15）。变形行为取决于杂质含量、杂质分布、微观结构和织构。在2273K和更高的温度下退火会导致一些潜在有害杂质的均匀化并降低晶界断裂的趋势(24)。相比之下，少量添加元素如钍和铈已被证明会偏析到晶界并提高延展性(2,25）。铸锭形式的铱和铱合金非常粗大的晶粒结构使材料在相对较小的拉伸应变下对开裂特别敏感。通过挤压、锻造或轧制对铸造铱进行初始变形的预热温度为1500K或更高(26)。铱锭的初始工作温度可高达2075K(27)。

热挤压可最大限度地减少初始变形过程中的拉伸应力。用于挤压的钼罐头可最大限度地减少挤压过程中铱的冷却，并允许在1600至1700K范围内的预热温度，挤压比为6.4:1(28)。