CN107641726A

CN107641726A - 一种tc4钛合金及其制备方法

Info

Publication number: CN107641726A
Application number: CN201710859491.9A
Authority: CN
Inventors: 杨绍利; 马兰; 黄栋; 钟凯文; 廖鑫
Original assignee: Panzhihua University
Current assignee: Panzhihua Dream Dream Technology Co ltd
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-01-30

Abstract

本发明公开了一种TC4钛合金的制备方法，包括以下步骤：(1)将五氧化二钒、钛白粉、铝粉和生石灰混合均匀，得混合料；(2)将混合料进行铝热还原反应，制得粗TC4钛合金；(3)将粗TC4钛合金进行预加热，然后再进行精炼，制得TC4钛合金。该方法制得的TC4钛合金包括具有以下重量百分比的组分：Al 5.45～6.75wt％、V 3.45～4.5wt％、O 0.08～0.2wt％、Fe≤0.30wt％、C≤0.10wt％、N≤0.05wt％、H≤0.015wt％，余量为Ti。该制备方法简单，原料价廉，生产成本低，适用于工业化生产。

Description

一种TC4钛合金及其制备方法

技术领域

本发明属于TC4钛合金技术领域，具体涉及一种TC4钛合金及其制备方法。

背景技术

TC4(Ti-6Al-4V)钛合金具有优异的综合性能，大量应用于航空、航天、舰船、兵器、化工、医疗、体育体闲等领域，已成为世界上工业用量最大的国际通用型钛合金。由于金属钛较活泼，易与空气中的氧气、氮气反应，所以TC4钛合金的生产过程中对熔炼环境及设备要求较高，另外目前的TC4钛合金制备工艺所需的主要原料之一是海绵钛，一般采用Kroll法生产海绵钛，Kroll法工艺复杂，生产周期长，能耗高，是一种非连续性的生产工艺；用海绵钛制备TC4钛合金时工艺流程长，生产成本高，对设备要求也高，制得的TC4钛合金纯度低，杂质含量高。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种TC4钛合金及其制备方法，可有效解决现有的TC4钛合金的工艺流程较长，生产成本很高，生产过程中对熔炼环境及设备要求较高的问题。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种TC4钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将五氧化二钒、钛白粉、铝粉和生石灰混合均匀，得混合料；

(2)将混合料进行铝热还原反应，制得粗TC4钛合金；

(3)将粗TC4钛合金进行预加热，然后再进行精炼，制得TC4钛合金。

进一步地，步骤(1)中五氧化二钒、钛白粉、铝粉和生石灰的重量比为1.5～2:40～45:18～21:35～38。

进一步地，步骤(1)中五氧化二钒的纯度≥99％，钛白粉中TiO₂的含量≥98％，铝粉中Al的含量≥99％，生石灰中CaO的含量≥98％。

进一步地，步骤(1)中五氧化二钒粒径≤0.10mm，钛白粉粒径≤0.075mm，铝粉末粒径≤0.10mm，生石灰粒径≤0.10mm，降低原料粒径可使反应速率加快，同时接触面积增加使得反应更加充分。

进一步地，步骤(2)具体过程为：将混合料置于1450～1650℃条件下进行铝热还原反应，反应时间为15～30min，然后自然冷却至室温，制得粗TC4钛合金。

进一步地，上述制备方法还包括：在步骤(3)之前打磨粗TC4钛合金表面，直至表面呈金属光泽。

进一步地，步骤(3)具体过程为：将粗TC4钛合金置于真空度为1×10^-1～1×10^-3Pa的密封条件下进行预加热，加热温度为800～1000℃，加热至真空度再次达到1×10^-1～1×10^-3Pa后进行精炼，精炼温度为1550～1700℃，精炼时间为5～30min，制得TC4钛合金。

进一步地，步骤(3)中制得的TC4钛合金包括具有以下重量百分比的组分：Al 5.45～6.75wt％、V 3.45～4.5wt％、O 0.08～0.2wt％、Fe≤0.30wt％、C≤0.10wt％、N≤0.05wt％、H≤0.015wt％，余量为Ti。

一种TC4钛合金，采用上述方法制备而成，所制得的TC4钛合金包括具有以下重量百分比的组分：Al 5.45～6.75wt％、V 3.45～4.5wt％、O 0.08～0.2wt％、Fe≤0.30wt％、C≤0.10wt％、N≤0.05wt％、H≤0.015wt％，余量为Ti。

本发明提供的TC4钛合金及其制备方法，具有以下有益效果：

本发明以五氧化二钒、钛白粉、铝粉和生石灰为原料，五氧化二钒提供钒源，钛白粉可提供钛源，钛白粉中TiO₂含量高，杂质少，相比现有技术中使用的原料海绵钛，其钛白粉易得，且成本低；铝的作用是将二氧化钛和五氧化二钒中的钛和钒还原出来，而生石灰的作用是降低铝热还原渣的熔点及动力粘度，有利于合金与废渣的分离，提高合金收率。

在铝热还原反应中，温度过低，熔体不能充分反应，温度过高，会损坏反应设备，反应时间过短熔体不能完全反应，反应时间过长，则会引起形成的合金元素大量挥发，影响其收率。

铝热反应完成后，将粗TC4钛合金进行预加热，是为了除去合金中的气体等易挥发物，预热完成后接着精炼是为了进一步的脱气和除杂，精炼时间直接影响熔体内部气体及夹杂物的迁移率，时间过短时大部分气体与夹杂物不能迁至熔体表面，仍留在熔体中，时间过长则会引起合金元素大量挥发，同时还会损坏设备。

本发明通过对原料的选择及原料含量的优化，结合特定制备工艺，在工艺中对每个过程进行优化，得出最佳铝热反应的的温度及时间以及预加热及精炼温度及时间，可提高合金收率，且该制备方法简单，原料价廉易得，生产成本低，生产过程中对熔炼环境及设备要求低，可适用于工业化生产。

附图说明

图1为本申请提供的制备TC4钛合金的工艺流程图。

图2为采用Kroll法生产海绵钛的工艺流程图。

图3为以海绵钛为主要原料制备TC4钛合金的工艺流程图。

具体实施方式

将片状五氧化二钒研磨成粉末状(或直接使用粉末状五氧化二钒)，然后与钛白粉、铝粉、生石灰粉末按一定的比例混合均匀；将混合好的料装入坩埚中，把坩埚放入电炉中加热进行铝热还原反应，反应完成后取出坩埚空冷至室温，得到粗TC4钛合金；去除粗TC4钛合金表面的氧化物、氮化物，然后放入真空感应悬浮熔炼炉中抽真空，真空度达到1×10^-1～1×10^-3Pa时开始预热，预热过程中当真空度再次达到1×10^-1～1×10^-3Pa时，关闭炉体与真空系统之间的挡板阀，然后开始精炼，精炼完成后待合金冷却至室温，得到TC4钛合金。具体工艺流程见图1。

实施例1

一种TC4钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将片状五氧化二钒用制样机研磨10min，称取五氧化二钒粉末3g(1.5wt％)、钛白粉90g(45wt％)、铝粉36g(18wt％)和生石灰粉末71g(35.5wt％)置于球磨罐中，利用球磨机球磨1h后取出；

其中，五氧化二钒的纯度≥99％，钛白粉中TiO₂的含量≥98％，铝粉中Al的含量≥99％，生石灰中CaO的含量≥98％；

五氧化二钒粒径≤0.10mm，钛白粉粒径≤0.075mm，铝粉末粒径≤0.10mm，生石灰粒径≤0.10mm；

(2)将步骤(1)所得物置于刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入已经加热完毕的马弗炉中，温度为1450℃，保温30min，然后取出坩埚空冷至室温，得到粗TC4钛合金及铝热还原渣；

(3)使用砂轮机打磨去除粗TC4钛合金表面的氧化物、氮化物，打磨好后将粗TC4钛合金放入真空感应悬浮熔炼炉中并关闭炉门，开启抽真空系统使炉内真空度达到1×10^- ¹Pa，抽真空的目的是为了防止合金被氧化，然后开启加热系统，将炉内温度升至900℃，除去合金中的气体等易挥发物，此时炉内真空度会有所下降，当炉内真空度再次达到1×10^- ¹Pa时，关闭炉体与真空系统之间的挡板阀，使精炼过程中炉内呈封闭状态，可以防止精炼过程中合金挥发物进入真空系统，防止对真空泵等设备造成损害，然后升温至1600℃进行精炼，精炼5min后关闭加热系统，待合金冷却至室温后，调整炉内气压至一个大气压，打开炉盖，得到TC4钛合金。

检测得到：粗TC4钛合金的化学成分，含Ti 89.54wt％、Al 5.74wt％、V 3.55wt％、O 0.66wt％、其它0.51wt％。TC4钛合金的化学成分，含Ti 90.38wt％、Al 5.60wt％、V3.58wt％、O 0.17wt％、其它0.26wt％。

实施例2

一种TC4钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)将片状五氧化二钒用制样机研磨10min，称取五氧化二钒粉末4g(2wt％)、钛白粉80g(40wt％)、铝粉42g(21wt％)和生石灰粉末74g(37wt％)置于球磨罐中，利用球磨机球磨0.5h后取出；

(2)将步骤(1)所得物置于刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入已经加热完毕的马弗炉中，温度为1550℃，保温15min，然后取出坩埚空冷至室温，得到TC4钛合金及铝热还原渣；

(3)使用砂轮机打磨去除粗TC4钛合金表面的氧化物、氮化物，打磨好后将粗TC4钛合金放入真空感应悬浮熔炼炉中并关闭炉门，开启抽真空系统使炉内真空度达到1×10^- ²Pa，然后开启加热系统，将炉内温度升至800℃，此时炉内真空度会有所下降，当炉内真空度再次达到1×10^-2Pa时，关闭炉体与真空系统之间的挡板阀，然后升温至1550℃进行精炼，精炼20min后关闭加热系统，待合金冷却至室温后，调整炉内气压至一个大气压，打开炉盖，得到TC4钛合金。

检测得到：粗TC4钛合金的化学成分，含Ti 88.06wt％、Al 6.77wt％、V 4.31wt％、O 0.47wt％、其它0.39wt％。TC4钛合金的化学成分，含Ti 88.74wt％、Al 6.62wt％、V4.34wt％、O 0.11wt％、其它0.19wt％。

实施例3

一种TC4钛合金的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取五氧化二钒粉末4g(2wt％)、钛白粉84g(42wt％)、铝粉40g(20wt％)和生石灰粉末76g(36wt％)置于球磨罐中，利用球磨机球磨1h后取出；

(2)将步骤(1)所得物置于刚玉坩埚中，将刚玉坩埚放入已经加热完毕的马弗炉中，温度为1650℃，保温20min，然后取出坩埚空冷至室温，得到TC4钛合金及铝热还原渣；

(3)使用砂轮机打磨去除粗TC4钛合金表面的氧化物、氮化物，打磨好后将粗TC4钛合金放入真空感应悬浮熔炼炉中并关闭炉门，开启抽真空系统使炉内真空度达到1×10^- ³Pa，然后开启加热系统，将炉内温度升至1000℃，此时炉内真空度会有所下降，当炉内真空度再次达到1×10^-3Pa时，关闭炉体与真空系统之间的挡板阀，然后升温至1700℃进行精炼，精炼10min后关闭加热系统，待合金冷却至室温后，调整炉内气压至一个大气压，打开炉盖，得到TC4钛合金。

检测得到：粗TC4钛合金的化学成分，含Ti 88.86wt％、Al 6.10wt％、V 3.74wt％、O 0.84wt％、其它0.46wt％。TC4钛合金的化学成分，含Ti 89.99wt％、Al 5.85wt％、V3.79wt％、O 0.17wt％、其它0.20wt％。

现有的TC4钛合金制备工艺所需的主要原料之一是海绵钛，一般采用Kroll法生产海绵钛，其工艺流程见图2。由图2可知，Kroll法工艺复杂，生产周期长，能耗高，是一种非连续性的生产工艺。在生产过程中大量使用金属镁作为还原剂，需要真空蒸馏除去残留的镁和副产物氯化镁，并且TiCl4在常温下具有挥发性和腐蚀性，使得制备海绵钛的成本大大增加。

采用海绵钛制备TC4钛合金，其制备流程见图3，由图3可知，以海绵钛和铝钒中间合金进行熔炼，其熔炼的方法有真空自耗电弧熔炼，电子束冷床熔炼，用此方法制备TC4钛合金时，工艺流程长，设备复杂，生产成本高，需要压电极，二次或更多次熔炼，且制得的TC4钛合金纯度低，杂质含量较高，生产的TC4钛合金只能满足一般工业要求。

本发明提供的TC4钛合金的制备方法与上述现有技术相比，其工艺流程短，对设备要求低，所用原料也是量大易得，大大降低了生产成本，可适用于工业化生产，同时采用本发明方法制得的TC4钛合金所含杂质较少，可满足各工业的需求。

Claims

1.一种TC4钛合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)将混合料进行铝热还原反应，制得粗TC4钛合金；

2.根据权利要求1所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中五氧化二钒、钛白粉、铝粉和生石灰的重量比为1.5～2:40～45:18～21:35～38。

3.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中五氧化二钒的纯度≥99％，钛白粉中TiO₂的含量≥98％，铝粉中Al的含量≥99％，生石灰中CaO的含量≥98％。

4.根据权利要求1或2所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(1)中五氧化二钒粒径≤0.10mm，钛白粉粒径≤0.075mm，铝粉末粒径≤0.10mm，生石灰粒径≤0.10mm。

5.根据权利要求1所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(2)具体过程为：将混合料置于1450～1650℃条件下进行铝热还原反应，反应时间为15～30min，然后自然冷却至室温，制得粗TC4钛合金。

6.根据权利要求1所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括：在步骤(3)之前打磨粗TC4钛合金表面，直至表面呈金属光泽。

7.根据权利要求1所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)具体过程为：将粗TC4钛合金置于真空度为1×10^-1～1×10^-3Pa的密封条件下进行预加热，加热温度为800～1000℃，加热至真空度再次达到1×10^-1～1×10^-3Pa后进行精炼，精炼温度为1550～1700℃，精炼时间为5～30min，制得TC4钛合金。

8.根据权利要求1所述的TC4钛合金的制备方法，其特征在于，步骤(3)中制得的TC4钛合金包括具有以下重量百分比的组分：Al 5.45～6.75wt％、V 3.45～4.5wt％、O 0.08～0.2wt％、Fe≤0.30wt％、C≤0.10wt％、N≤0.05wt％、H≤0.015wt％，余量为Ti。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法制得的TC4钛合金，其特征在于，所制得的TC4钛合金包括具有以下重量百分比的组分：Al 5.45～6.75wt％、V 3.45～4.5wt％、O 0.08～0.2wt％、Fe≤0.30wt％、C≤0.10wt％、N≤0.05wt％、H≤0.015wt％，余量为Ti。