CN103849787B - 一种宇航级钒铝合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宇航级钒铝合金的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉中，点火冶炼得到含钒75～85wt%的钒铝合金和炉渣；将所述冶炼得到的钒铝合金加入真空感应炉中进行加铝重熔，其中，加入的铝与加入的钒铝合金的质量比为0.45～0.77，精炼得到含钒45～55wt%的宇航级钒铝合金。本发明能够制备得到宇航级钒铝合金；不需要对冶炼炉进行打结，仅用粒度＜5mm的刚玉细粉进行简单填充即可保护炉体和满足铝热法冶炼钒铝合金的要求，降低了生产成本且操作简单。

Description

一种宇航级钒铝合金的制备方法

技术领域

本发明涉及钒铝合金的制备领域，更具体地讲，涉及一种制备宇航级钒铝合金的方法。

背景技术

钒铝合金作为钛合金的一种重要添加剂，可用来改善钛合金性能，使之在强度、韧性、成形性、耐腐蚀、耐高温等方面更具优势。目前应用最广泛的两种含钒钛合金为Ti-6Al-4V(含4wt%V)和Ti-8Al-1Mo-1V，这两种合金约占钛合金市场的50%，主要用于生产喷气发动机、高速飞行器骨架和火箭发动机机壳等。

国内生产的钒铝合金主要用于民用。迄今，宇航级钒铝合金的市场仍由国外美国战略矿物公司子公司—美国钒公司、美国雷丁(Reading)合金公司、德国电冶金（GfE）公司和俄罗斯上萨尔达冶金生产联合公司所控制。随着我国航空航天事业的飞速发展，近些年国内对宇航级钒铝合金也进行了大量研究，但仍存在工艺复杂，成本较高等问题。

例如，申请号为201110080517.2的中国专利公开了一种高纯铝钒中间合金的制备方法，该方法以氮气或氩气为载体，将铝熔体用精炼剂均匀喷入熔体中，进行精炼除渣，同时，对氮气或氩气的流量、精炼剂的用量、温度等皆有要求，而且在熔铝表面撒入1mm至3mm的钾盐或钠盐的铝熔体用覆盖剂，工艺复杂；申请号为201310020155.7的中国专利公开了一种钒铝合金材料的制备方法，在五氧化二钒和金属铝组成的原料中加入0.2～0.25倍的用真空中频感应炉在1800℃熔化得到的直径为20～25mm的钒铝合金实心球，对模具在预定温度下进行烘烤、以预定压力压制模具中的物料等，不仅工艺复杂，成本也较高。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种制备宇航级钒铝合金的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种宇航级钒铝合金的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉中，点火冶炼得到钒含量75～85wt%的钒铝合金和炉渣；将所述冶炼得到的钒铝合金加入真空感应炉中进行加铝重熔，其中，加入的铝与加入的钒铝合金的质量比为0.45～0.77，精炼得到钒含量45～55wt%的宇航级钒铝合金。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述五氧化二钒、金属铝和冷却剂的质量配比为：五氧化二钒1.48～1.65份，金属铝1份和冷却剂0.23～0.34份。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，在所述精炼步骤中，精炼真空度为10～50Pa，真空精炼时间为30～35min，出炉时的合金过热度为25～40℃。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述冷却剂为破碎所述钒铝合金时所产生的粒度小于5mm的钒铝合金细粉。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述五氧化二钒为粉状且粒度为小于1mm，所述五氧化二钒的纯度在99.5wt%以上。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述金属铝为铝粉且粒度为小于0.5mm，所述金属铝的纯度在99.7wt％以上。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述制备方法还包括在将所述冶炼得到的钒铝合金加入真空感应炉中进行加铝重熔的步骤之前，将所述钒铝合金破碎至不大于30mm的步骤。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述冶炼炉不包括打结炉衬，所述制备方法还包括在所述将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉的步骤之前对冶炼炉进行以下处理：在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉，将直径小于冶炼炉直径的筒状板放入冶炼炉中并向所述筒状板与冶炼炉的内壁之间形成的空腔中填充所述刚玉细粉，以在所述冶炼炉的炉底和炉壁形成保护层，并将所述筒状板在所述点火冶炼之前从冶炼炉中移出。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述刚玉细粉由所述炉渣经磨细筛分制得。

根据本发明宇航级钒铝合金的制备方法的一个实施例，所述保护层的厚度为280～320mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：能够制备得到宇航级钒铝合金；不需要对冶炼炉进行打结，仅用粒度＜5mm的刚玉细粉进行简单填充即可保护炉体和满足铝热法冶炼钒铝合金的要求，降低了生产成本且操作简单。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了本发明示例性实施例宇航级钒铝合金的制备方法进行填充刚玉细粉步骤后的冶炼炉示意图。

图2是对制备得到的宇航级钒铝合金饼进行多点取样测试化学成分的取样点示意图。

附图标记说明：

1-炉壳、2-筒状板以及3-刚玉细粉。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述根据本发明的钒铝合金的制备方法。

图1示出了本发明示例性实施例钒铝合金的制备方法进行填充刚玉细粉步骤后的冶炼炉示意图。

根据本发明示例性实施例的钒铝合金的制备方法包括以下步骤：

a、如图1所示，在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉3，将直径小于冶炼炉直径的筒状板2（例如筒状钢圈）竖直放入冶炼炉中并向筒状板2与冶炼炉炉壳1的内壁之间形成的空腔中填充刚玉细粉3，以在冶炼炉的炉底和炉壁上形成避免炉内熔融金属液与炉壳直接接触的保护层，然后取出筒状板2。

b、采用铝热法进行冶炼，将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉中，点火冶炼得到钒含量为75～85wt%的钒铝合金和炉渣。

c、真空精炼，将步骤b冶炼得到的钒铝合金破碎后加入一定量的铝在真空感应炉中进行重熔精炼，得到钒含量为45～55wt%的宇航级钒铝合金。

其中，由于本发明所产生的炉渣主要为刚玉和少量的含钒物，为了资源的充分利用，上述步骤a中的刚玉细粉由铝热法冶炼钒铝合金所产生的刚玉渣磨细筛分得到，即实现了循环使用。

同时，在步骤a中，为了保护炉体的同时做好保温工作，上述a步骤形成的保护层厚度优选为280～320mm。

另外，筒状板的移出不限于上述时机，还可以在加入五氧化二钒、金属铝和冷却剂之后、点火冶炼之前从冶炼炉中移出，但是加入冶炼原料后再取出筒状板操作较困难，因而优选在加入冶炼原料之前移出。

在步骤b中，为了使杂质元素含量满足宇航级钒铝合金的要求，五氧化二钒为粉状且粒度为小于1mm，并且粉状五氧化二钒纯度≥99.5wt%，金属铝为铝粉且粒度为小于0.5mm，铝粉纯度≥99.7wt%，冷却剂为破碎钒铝合金所产生的粒度小于5mm的合金细粉。另外，上述步骤b所用的三种原料的质量配比为：高纯粉状五氧化二钒1.48～1.65份，铝粉1份，冷却剂细粉0.23～0.34份，控制原料配比主要是为了精准控制步骤b制得的钒铝合金钒含量为75～85wt%并同时确保反应热量适中，使熔融合金在反应过程中既不过分喷溅，也能与渣很好的分离，保证合金钒收率在95%以上。

在步骤c中，为了得到含钒量45～55wt%的宇航级钒铝合金，精炼时需加入的铝量与加入真空感应炉中的步骤b制得的钒铝合金的质量比为0.45～0.77。真空精炼步骤的铝与钒铝合金配比为0.45～0.77是为了保证最后得到的钒铝合金含钒量为45～55wt%，若该配比不在上述范围内，则得到的钒铝合金含钒量在45wt%以下或超过55wt%。另外，精炼时，将精炼真空度控制为10～50Pa，即可保证真空精炼过程中气体杂质脱除到标准要求，再降低真空度（即真空度小于10Pa）势必会得到气体杂质更低的钒铝合金，但已经没有必要（满足标准即可），更会因为真空度的要求高而增加能耗；真空精炼时间控制为30～35min，即能确保真空精炼的钒铝合金成分均匀，时间小于30min，则合金重熔反应未反应完，合金成分不均，时间大于35min，则会增加能耗；出炉时的合金过热度为25～40℃，过热度小于25℃，在浇铸过程中合金流动性差，很快冷凝成型，造成最终合金饼成型效果差，夹杂及孔洞较多，过热度大于40℃，浇注到锭模后还在剧烈翻腾，又由于是在真空度较高的情况下，合金内部压强远大于外部环境压强，致使合金液跳出锭模，最终合金裂纹及孔洞较多，合金饼多呈蜂窝状，表观质量较差。所以只有保证以上最关键的三个精炼参数条件所得到的钒铝合金，不仅表面光滑，内部无蜂窝孔洞，钒收率稳定在95%左右，能耗也最低。

另外，步骤c中所采用的铝纯度≥99.7wt%，粒度2～5mm，另外，在步骤c中，破碎后的钒铝合金的粒度≤30mm。

需要说明的是，本发明的宇航级钒铝合金的制备方法还可以在包含打结炉衬的冶炼炉中直接进行冶炼，即不进行步骤a，而直接进行步骤b和c。另外，铝热法制备钒铝合金的放热量很高，传统工艺一般是采用耐火材料对金属炉壳进行打结保护，这种工艺的炉体准备周期长，成本高，因而，本发明作出了进一步改进，即不需要对冶炼炉进行打结，仅用粒度＜5mm的刚玉细粉进行简单填充即可起到保护炉体且满足铝热法冶炼宇航级钒铝合金的要求，降本增效成果显著。当然，对于冶炼炉的改进还可以应用于钒铝合金粗品的生产中。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

首先在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉，将直径小于冶炼炉直径的筒状钢圈放入冶炼炉中并向钢圈与冶炼炉的内壁之间形成的空腔中填充刚玉细粉，以在所述冶炼炉的炉底和炉壁形成厚度为280mm的保护层，其中，刚玉细粉为前面炉次冶炼钒钛合金粗品所产生的炉渣经磨细筛分得到的粒度小于5mm的粉料。

然后，将150Kg高纯粉状五氧化二钒（纯度为99.5wt%，粒度为0.5～1mm）、100Kg铝粉（纯度为99.7wt%，粒度为0.1～0.5mm）和28Kg冷却剂粉末混合均匀后装入该冶炼炉中，点火制得钒铝合金粗品，其中，冷却剂为破碎前面炉次钒铝合金粗品所产生的粒度3～5mm的合金细粉。

再将铝粒（纯度为99.7wt%，粒度为2～5mm）与破碎后的钒铝合金粗品（粒度为25～30mm）按0.5的质量比装入真空感应炉中，在真空度为25Pa的条件下精炼30min并控制出炉时的合金过热度为30℃，得到的宇航级钒铝合金。

图2是对制备得到的宇航级钒铝合金饼进行多点取样测试化学成分的取样点示意图。如图2所示，所得宇航级钒铝合金为圆饼状（即图2中的大圆），取样点除了包括合金饼的圆心O点之外，还包括A、B、C、D和E五个点，其中，A、B、C和D是以圆心O为圆心、以1/2R（R为所得宇航级钒铝合金饼的半径）为半径作圆所得的小圆与两条穿过圆心O且相互垂直的直线的四个交点，E为其中一条直线与大圆（即合金饼的边缘处）的交点。在O、A、B、C、D和E六个取样点处取六块合金柱样进行化学成分检测，检测结果如下表1所示。

表1示例1制得的宇航级钒铝合金的不同取样点的化学成分

由表1可以看出，本示例制得的钒铝合金杂质含量低，均匀性好。

示例2

首先在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉，将直径小于冶炼炉直径的筒状板放入冶炼炉中并向所述筒状板与冶炼炉的内壁之间形成的空腔中填充所述刚玉细粉，以在所述冶炼炉的炉底和炉壁形成厚度为300mm的保护层，其中，刚玉细粉为前面炉次冶炼钒钛合金粗品所产生的炉渣经磨细筛分得到的粉料。

然后将160Kg粉状五氧化二钒（纯度为99.5wt%，粒度为0.5～0.8mm）、100Kg铝粉（纯度为99.7wt%，粒度为0.1～0.3mm）和32Kg冷却剂粉末混合均匀后装入该冶炼炉中，点火制得钒铝合金粗品，其中，冷却剂为破碎前面炉次钒铝合金粗品所产生的粒度2～5mm的合金细粉。

再将铝粒（纯度为99.7wt%，粒度为2～5mm）与破碎后的钒铝合金粗品（粒度为20～25mm）按0.6的质量比装入真空感应炉中，在真空度为45Pa的条件下精炼35min并控制出炉时的合金过热度为25℃，得到的宇航级钒铝合金。

按照图2中所示出的O、A、B、C、D和E六个取样点在所得宇航级钒铝合金饼上取六块合金柱样进行化学成分检测，检测结果如下表2所示。

表2示例2制得的宇航级钒铝合金的不同取样点的化学成分

由表2可以看出，本示例制得的钒铝合金杂质含量低，，均匀性好。

示例3

首先在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉，将直径小于冶炼炉直径的筒状钢圈放入冶炼炉中并向钢圈与冶炼炉的内壁之间形成的空腔中填充刚玉细粉，以在所述冶炼炉的炉底和炉壁形成厚度为320mm的保护层，其中，刚玉细粉为前面炉次冶炼钒钛合金粗品所产生的炉渣经磨细筛分得到的粒度小于5mm的粉料。

然后将155Kg粉状五氧化二钒（纯度为99.5wt%，粒度为0.3～0.7mm）、100Kg铝粉（纯度为99.7wt%，粒度为0.1～0.3mm）和25Kg冷却剂粉末混合均匀后装入该冶炼炉中，点火制得钒铝合金粗品，其中，冷却剂为破碎前面炉次钒铝合金粗品所产生的粒度3～5mm的合金细粉。

再将铝粒（纯度为99.7wt%，粒度为2～5mm）与破碎后的所述钒铝合金粗品（粒度为15～25mm）按0.7的质量比装入真空感应炉中，在真空度为15Pa、精炼时间为33min以及出炉时的合金过热度为40℃的条件下进行精炼，得到的宇航级钒铝合金。

按照图2中所示出的O、A、B、C、D和E六个取样点在所得宇航级钒铝合金饼上取六块合金柱样进行化学成分检测，检测结果如下表3所示。

表3示例3制得的宇航级钒铝合金的不同取样点的化学成分

由表3可以看出，本示例制得的钒铝合金杂质含量低，均匀性好。

通过以上示例1～3可知，本发明所获得的宇航级钒铝合金产品V含量在45～55wt%之间，并且杂质Fe≤0.2wt%、Si≤0.2wt%、N≤0.04wt%、O≤0.1wt%、C≤0.1wt%，杂质含量均满足宇航级钒铝合金标准要求，且具有工艺简单，成本低等优点。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (8)

1.一种宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉中，点火冶炼得到钒含量为75～85wt％的钒铝合金和炉渣，所述五氧化二钒、金属铝和冷却剂的质量配比为：五氧化二钒1.48～1.65份，金属铝1份和冷却剂0.23～0.34份；

将所述冶炼得到的钒铝合金加入真空感应炉中进行加铝重熔，其中，加入的铝与加入的钒铝合金的质量比为0.45～0.77，精炼得到钒含量为45～55wt％的宇航级钒铝合金，在所述精炼步骤中，控制精炼真空度为10～50Pa，真空精炼时间为30～35min；

其中，所述冶炼炉不包括打结炉衬，所述制备方法还包括在所述将五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入冶炼炉的步骤之前对冶炼炉进行以下处理：

在冶炼炉的炉底铺设粒度小于5mm的刚玉细粉，将直径小于冶炼炉直径的筒状板放入冶炼炉中并向所述筒状板与冶炼炉的内壁之间形成的空腔中填充所述刚玉细粉，以在所述冶炼炉的炉底和炉壁形成保护层，将所述筒状板在所述点火冶炼之前从冶炼炉中移出。

2.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，在所述精炼步骤中，出炉时的合金过热度为25～40℃。

3.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述冷却剂为破碎所述钒铝合金时所产生的粒度小于5mm的钒铝合金细粉。

4.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述五氧化二钒为粉状且粒度为小于1mm，所述五氧化二钒的纯度在99.5wt％以上。

5.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述金属铝为铝粉且粒度为小于0.5mm，所述金属铝的纯度在99.7wt％以上。

6.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在将所述冶炼得到的钒铝合金加入真空感应炉中进行加铝重熔的步骤之前，将所述钒铝合金破碎至不大于30mm的步骤。

7.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述刚玉细粉由所述炉渣经磨细筛分制得。

8.根据权利要求1所述的宇航级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述保护层的厚度为280～320mm。