CN103409628B

CN103409628B - 一种制备钛铝合金的方法

Info

Publication number: CN103409628B
Application number: CN201310392132.9A
Authority: CN
Inventors: 李军; 杨绍利; 侯静; 吴恩辉; 黄平
Original assignee: Panzhihua University
Current assignee: GUANGXI BAOXIN ALUMINUM Co.,Ltd.
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-07-08
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103409628A

Abstract

本发明涉及一种低成本制备钛铝合金的方法，属于冶金材料领域；本发明解决的技术问题是提供一种采用铝热还原法制备钛铝合金的方法。本发明制备钛铝合金的方法，具体步骤如下：按质量比取钛源：还原剂：造渣剂：发热剂=1：0.65～0.85：0.27～0.42：0.15～0.25，混匀，点火、于1900～2100℃冶炼1～2分钟、冷却、除渣，得到钛铝合金。本发明制备钛铝合金的方法具有工艺简单，原料来源广泛，设备要求简单，生产成本较低等优点，解决了传统工艺制备钛铝合金成本高，难以大规模工业化生产的问题，并且能够得到杂质含量低、性能良好的γ-Ti-Al合金。

Description

一种制备钛铝合金的方法

技术领域

本发明涉及一种制备钛铝合金的方法，具体涉及一种采用铝热还原法制备钛铝合金的方法，属于冶金材料领域。

背景技术

钛铝合金密度低、耐热性好，具有高的比强度、比刚度，以及高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，因而成为超高音速飞行器和下一代先进航空发动机的首选材料，除了在航空航天领域外，钛铝合金在化学工业、人体植入物如髋关节替代品或者近海工业、能源工业中的应用也逐渐增加。此外钛铝合金在体育用品和日常消费品领域，如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物中的需求量也越来越多，使得钛铝合金已经成为了我们日常生活中的一部分。钛铝合金在汽车用材上的应用也已引起人们的关注。钛铝合金可分为三种：除了Ti-Al和Ti₃-Al之外还有Ti-Al₃。Ti和Al的原子比为1：1的γ-Ti-Al是钛铝金属间化合物的代表化合物，晶体结构属于有序面心正方结构。γ-Ti-Al合金具有密度低、强度高、高温性能好等优点。γ-Ti-Al排气阀已成功通过了苛刻的长周期发动机试验。1997年底，用单相制成的涡轮机叶轮复盖盘和空气密封圈得到了工程论证。综上所述，γ-Ti-A1合金具有广阔的市场和应用前景。

目前，制备钛铝合金的方法主要有粉末冶金，铸锭冶金等。这些方法都是采用纯金属钛与金属铝等作为原料，但由于金属钛价格非常昂贵，这就使得制备钛铝合金的成本非常高，难以钛铝合金大规模生产。为了降低生产成本，本领域科研人员对钛铝合金的制备方法进行了改进，如：申请号为200910130982.5的专利申请，其公开了一种制备钛铝合金的方法，该方法主要步骤如下：1）配料：采用钛的氧化物钛白粉，将其热处理，然后添加铝镁粉和铝粉及还原活化剂、发热剂、经搅拌机搅拌均匀；2）将上述搅拌均匀后的物料放置到反应坩埚中，送到反应器，冶炼；3）冶炼结束后，自然冷却到常温取出。该方法相比传统方法，降低了钛铝合金的生产成本，但是该方法存在如下缺点：所得的钛铝合金产品氧含量较高，杂质含量高等。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种制备钛铝合金的方法。

本发明制备钛铝合金的方法，按质量比取钛源：还原剂：造渣剂：发热剂=1：0.65～0.85：0.27～0.42：0.15～0.25，混匀，点火、于1900～2100℃冶炼1～2分钟、冷却、除渣，得到钛铝合金；

其中，钛源为钛白粉、高钛渣和金红石中的至少一种，还原剂为铝粉；造渣剂为以生石灰为主，含有苏打和氟化钙中的至少一种形成的二元或三元造渣剂，其中，生石灰按质量百分比为70～80%；发热剂为氯酸钾或过氧化钡。

本发明选用了二元或三元造渣剂，可以增加冶炼过程中渣的流动性，使合金与渣易于分离，可以使反应过程中产生的有害杂质吸收在渣中，降低渣中杂质元素。

本发明制备钛铝合金的方法是采用铝热还原法制备钛铝合金。所述点火方式可以是常规的点火方式，优选电点火；更优选电点火时点火设备为调压器，点火剂采用过氧化钡和铝粉的混合物，过氧化钡和铝粉的质量比为2:1。冶炼的设备可以是常规的冶炼设备，优选竖式冶炼炉（其结构如图1、图2所示），其底部为圆形砂窝，炉子尺寸高径比为2:1。

采用竖式冶炼炉冶炼时，由于冶炼炉是敞口的，所以冶炼过程中会有很多氧夹杂在合金中，为了减少合金增氧，需要在冶炼过程中高温熔体表面覆盖一层保护渣进行保护。

本发明制备钛铝合金的工艺流程如图3所示。

冷却得到的钛铝合金可以通过起锭除去合金表面的渣，使合金与渣分离，得到需要的合金。

进一步地，为了得到更好的钛铝合金，优选按质量比所述的钛源：还原剂：造渣剂：发热剂=1：0.69～0.78：0.3～0.38：0.18～0.22。

进一步地，为了得到更好的钛铝合金，优选按重量比所述的钛源：还原剂：造渣剂：发热剂=1：0.74：0.36：0.22。

进一步地，优选造渣剂为生石灰、苏打和氟化钙形成的三元造渣剂；其中各组分按质量百分比为：生石灰：70～80%，苏打：5%～15.4%，氟化钙：12%～25%。

进一步地，为了除去其中的水分及有机杂质，提高炉料的单位热效应。优选本发明制备钛铝合金的方法还包括如下步骤：冶炼前先将钛源、造渣剂进行预热，预热温度为100℃～300℃，预热时间为4～6小时。

进一步地，为了达到较好的预热效果，优选所述的预热时间为5小时。

进一步地，为了提高反应速度和产率，优选所述的钛源中主要化学成分的含量按重量百分比为：TiO₂：90～99%，FeO＜2%，SiO₂＜2%；钛源的粒径≤5mm，优选钛源的粒径≤0.5mm，更优选钛源的粒径≤20um。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金中杂质含量，优选所述的铝粉的纯度≥99wt%，铝粉的粒径为0.1～2mm；更进一步地，优选铝粉中主要元素成分按重量百分比为Al＞99%，Si＜1.0%，Fe＜0.2%。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金的杂质含量，优选所述的生石灰中CaO的含量≥97wt%，生石灰的粒径≤1mm；更进一步地，优选生石灰中主要化学成分按重量百分比为CaO≥97%，SiO₂＜2%。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金的杂质含量，优选所述的苏打的纯度≥96wt%，苏打的粒径≤0.5mm。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金的杂质含量，优选所述的氟化钙的纯度≥95wt%，氟化钙的粒径≤1mm。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金的杂质含量，优选所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt%，氯酸钾的粒径≤1.5mm。

更进一步地，为了提高反应的活性和减少合金的杂质含量，优选所述的过氧化钡的纯度≥95wt%，过氧化钡的粒径≤1mm。

本发明制备钛铝合金的方法冶炼的钛铝合金中各元素成分按重量百分比为：Ti：47%～65%，Al：34%～53%，Si＜1%，Fe＜1%，其它杂质＜0.5%。

本发明具有的有益效果：

1、本发明采用混合造渣剂极大的增加了冶炼过程中渣的流动性，使合金与渣易于分离，可以使反应过程中产生的有害杂质吸收在渣中，降低合金中杂质元素，所以本发明制得的钛铝合金的杂质成分较低，除去钛元素和铝元素，其他物质的含量≤1wt%。

2、原料来源广泛，成本低廉，且工艺和设备要求简单，适合大规模工业化生产，使钛铝合金的应用范围大大拓展。

3、采用本发明方法制备的钛铝合金为γ-Ti-Al合金，γ-Ti-Al合金具有比重轻，强度高，耐热性好，抗蠕变能力强，优异高温力学性能和抗氧化性等特点。

附图说明

图1是竖式冶炼炉剖视图，其中各标号名称：1、打结料，2、挂钩，3、原料反应区，4、炉子外铁皮，5、耐火砖，6、圆形砂窝，7、底座圆盘；

图2是竖式冶炼炉的俯视图；

图3是本发明制备钛铝合金的工艺路线；

具体实施方式

本发明解决的技术问题是提供一种制备钛铝合金的方法。

本发明制备钛铝合金的工艺流程如图3所示。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1制备钛铝合金

原料钛白粉主要成分按重量百分比为：TiO₂：94.6%，SiO₂：0.028%，Mn：0.01%；TFe：0.004%；生石灰的主要成分按重量百分比为CaO：97%，SiO₂：3%；氟化钙纯度为95%；氯酸钾的纯度为99.5%；铝粉的主要元素成分按重量百分比为Al：99.5%，Si：0.5%。采用的原料配比按质量比为：钛白粉：铝粉：（生石灰+氟化钙）：氯酸钾=1：0.76：0.39：0.23；其中，造渣剂中生石灰的质量百分比为78%。各成分的粒径为：钛白粉的粒径＜0.3um，铝粉的粒径≤1.5mm，生石灰的粒径≤1mm，氟化钙的粒径≤1mm，氯酸钾的粒径≤0.3mm。

先将钛白粉和造渣剂在烘箱内100℃下预热5个小时，再将物料按配比混合均匀，装入竖式冶炼炉内，用调压器进行电点火，点火剂用过氧化钡和铝粉按2:1的比例混合，点火，于1900℃冶炼2分钟，冷却，除渣，得到钛铝合金。

冶炼得到的钛铝合金各元素按重量百分比为：Ti：52%，Al：47%，Si：0.4%，Fe：0.2%，其它杂质：0.4%。

实施例2制备钛铝合金

原料高钛渣的主要成分按重量百分比为：TiO₂：92%，SiO₂：1.8%，MnO：2.2%；TFe：1.9%；生石灰的主要成分按重量百分比为CaO：97%，SiO₂：3%；苏打纯度为96%；氯酸钾的纯度为99.5%；铝粉的主要成分按重量百分比为Al：99.5%，Si：0.5%。采用的原料配比按质量比为：钛白粉：铝粉：（生石灰+苏打）：氯酸钾=1：0.82：0.27：0.21；其中，造渣剂中生石灰的质量百分比为70%；各成分的粒径为：高钛渣的粒径≤0.5mm，铝粉≤1.5mm，生石灰≤1mm，苏打的粒径≤0.5mm，氯酸钾≤0.3mm。

先将高钛渣和造渣剂在烘箱内200℃下预热5个小时，再将物料按配比混合均匀，装入竖式冶炼炉内，用调压器进行电点火，点火剂用过氧化钡和铝粉按2:1的比例混合，点火，于2100℃冶炼1分钟，冷却，除渣，得到钛铝合金。

冶炼得到的钛铝合金各元素按重量百分比为：Ti：49.5%，Al：49.5%，Si：0.2%，Fe：0.38%，其它杂质：0.42%。

实施例3制备钛铝合金

原料金红石的主要成分按重量百分比为：TiO₂：95%，SiO₂：0.32%，MnO：0.054%；TFe：1.3%；生石灰的主要成分按重量百分比为CaO：97%，SiO₂：3%；氯酸钾的纯度为99.5%；苏打的纯度为97%；氟化钙的纯度为96%；铝粉的主要成分按重量百分比为Al：99.5%，Si：0.3%。采用的原料配比按质量比为：钛白粉：铝粉：（生石灰+氟化钙+苏打）：氯酸钾=1：0.70：0.35：0.19；其中，造渣剂中各成分质量百分比为：生石灰：75%，苏打：10%，氟化钙15%；各成分的粒径为：金红石粒径≤20um，铝粉的粒径≤1.5mm，苏打的粒径≤0.5mm，氟化钙的粒径0.5mm，生石灰的粒径≤1mm，氯酸钾的粒径≤0.3mm。

先将金红石和造渣剂在烘箱内300℃下预热5个小时，再将物料按配比混合均匀，装入竖式冶炼炉内，用调压器进行电点火，点火剂用过氧化钡和铝粉按2:1的比例混合，点火，于2000℃冶炼1.5分钟，冷却，除渣，得到钛铝合金。

冶炼得到的钛铝合金各元素按重量百分比为：Ti：55%，Al：44.2%，Si：0.3%，Fe：0.28%，其它杂质：0.22%。

按照上述实施例1的方法制备钛铝合金，前面六组为实施例4～9；后面四组为对比例1～4，各个参数见表1：

表1制备钛铝合金参数配比

表1中实施例4：按质量百分比造渣剂中生石灰：75%，苏打：12%，氟化钙：13%；实施例5：按质量百分比造渣剂中生石灰：70%，氟化钙：30%；实施例6：按质量百分比造渣剂中生石灰：74%，苏打：14%，氟化钙：12%；实施例7：按质量百分比造渣剂中生石灰：78%，苏打：22%；实施例8：按质量百分比造渣剂中生石灰：72%，苏打：5%，氟化钙：23%；实施例9：按质量百分比造渣剂中生石灰：80%，氟化钙：20%。

表1中对比例1：按质量百分比造渣剂中生石灰：55%，氟化钙：45%；对比例3：按质量百分比造渣剂中生石灰：28%，苏打：72%；对比例4：按质量百分比造渣剂中生石灰：72%，苏打：5%，氟化钙：23%。

由上述实施例可知，采用本发明制备钛铝合金的方法制备的γ-Ti-Al合金，除了钛元素和铝元素，其他物质的含量≤1wt%。实施例4各个参数配合得到的钛铝合金除了钛元素和铝元素，其他物质的含量仅为0.5wt%。

Claims

1.一种制备钛铝合金的方法，其特征在于：按质量比取钛源：还原剂：造渣剂：发热剂＝1：0.65～0.85：0.27～0.42：0.15～0.25，混匀，点火、于1900～2100℃冶炼1～2分钟、冷却、除渣，得到钛铝合金；

其中，钛源为钛白粉、高钛渣和金红石中的至少一种；还原剂为铝粉；发热剂为氯酸钾或过氧化钡；造渣剂为生石灰、苏打和氟化钙形成的三元造渣剂；其中各组分按质量百分比为：生石灰：70～80％，苏打：5％～15.4％，氟化钙：12％～25％；

并且，冶炼前先将钛源、造渣剂进行预热，预热温度为100℃～300℃，预热时间为4～6小时。

2.根据权利要求1所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：按质量比所述的钛源：还原剂：造渣剂：发热剂＝1：0.69～0.78：0.3～0.38：0.18～0.22。

3.根据权利要求2所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：按质量比所述的钛源：还原剂：造渣剂：发热剂＝1：0.74：0.36：0.22。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的预热时间为5小时。

5.根据权利要求1～3任意一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的钛源中主要化学成分的含量按重量百分比为：TiO₂：90～99％，FeO＜2％，SiO₂＜2％；钛源的粒径≤5mm。

6.根据权利要求4所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的钛源中主要化学成分的含量按重量百分比为：TiO₂：90～99％，FeO＜2％，SiO₂＜2％；钛源的粒径≤5mm。

7.根据权利要求1～3任意一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的铝粉的纯度≥99wt％，铝粉的粒径为0.1～2mm。

8.根据权利要求4所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的铝粉的纯度≥99wt％，铝粉的粒径为0.1～2mm。

9.根据权利要求5所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的铝粉的纯度≥99wt％，铝粉的粒径为0.1～2mm。

10.根据权利要求6所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的铝粉的纯度≥99wt％，铝粉的粒径为0.1～2mm。

11.根据权利要求1～3任意一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的生石灰中CaO的含量≥97wt％，生石灰的粒径≤1mm；所述的苏打的纯度≥96wt％，苏打的粒径≤0.5mm；所述的氟化钙的纯度≥95wt％，氟化钙的粒径≤1mm。

12.根据权利要求4所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的生石灰中CaO的含量≥97wt％，生石灰的粒径≤1mm；所述的苏打的纯度≥96wt％，苏打的粒径≤0.5mm；所述的氟化钙的纯度≥95wt％，氟化钙的粒径≤1mm。

13.根据权利要求5所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的生石灰中CaO的含量≥97wt％，生石灰的粒径≤1mm；所述的苏打的纯度≥96wt％，苏打的粒径≤0.5mm；所述的氟化钙的纯度≥95wt％，氟化钙的粒径≤1mm。

14.根据权利要求6所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的生石灰中CaO的含量≥97wt％，生石灰的粒径≤1mm；所述的苏打的纯度≥96wt％，苏打的粒径≤0.5mm；所述的氟化钙的纯度≥95wt％，氟化钙的粒径≤1mm。

15.根据权利要求7所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的生石灰中CaO的含量≥97wt％，生石灰的粒径≤1mm；所述的苏打的纯度≥96wt％，苏打的粒径≤0.5mm；所述的氟化钙的纯度≥95wt％，氟化钙的粒径≤1mm。

16.根据权利要求1～3任意一项所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。

17.根据权利要求4所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。

18.根据权利要求5所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。

19.根据权利要求6所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。

20.根据权利要求7所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。

21.根据权利要求11所述的制备钛铝合金的方法，其特征在于：所述的氯酸钾的纯度≥99.5wt％，氯酸钾的粒径≤1.5mm；所述的过氧化钡的纯度≥95wt％，过氧化钡的粒径≤1mm。