CN112226641B - 一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法 - Google Patents

一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法，其中间合金按重量百分比计包括32~38wt%的Mo、22~28wt%的Nb、18~22wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al，熔点1620~1720℃，密度4.20~4.70 g/cm3。本发明钼铌硅铝碳中间合金的熔点和密度均接近于基体海绵钛，有效解决了较大的熔点差和密度差造成的成分偏析问题。此外，提高了原材料混料均匀性，进一步解决了原材料不均匀造成的成分偏析问题。而且，C元素以钼铌硅铝碳多元中间合金的形式加入，有效地避免了石墨引起的高熔点碳夹杂问题。实验结果表明，钼铌硅铝碳中间合金用于TA33钛合金，可以确保TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C元素均匀性良好。本发明制备方法简单，易于控制，成本低，适用于大规模工业生产。

Description

一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，涉及中间合金，尤其是一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法。
背景技术
TA33是一种600℃近α型钛合金，其名义成分为Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Mo-0.5Nb-1.1Ta-0.4Si-0.06C。该合金可用于600℃以下的航空发动机压气机部件。
目前TA33钛合金生产的原材料除了基体海绵钛（熔点：1675℃，密度：4.50 g/cm3）之外，Mo、Nb、Si和C四种合金元素的加入方式通常分别采用AlMo60（熔点：1570℃，密度：4.97 g/cm3）、AlNb70（熔点：1630℃，密度：5.19 g/cm3）、金属Si（熔点：1414℃，密度：2.33g/cm3）和石墨（熔点：3652℃，密度：2.25 g/cm3），这五种原材料之间最大熔点差和密度差分别为2238℃和2.94 g/cm3。TA33钛合金通常采用VAR（真空自耗电弧熔炼）的方式进行熔炼，该方法属于顺序凝固过程，原材料之间大的熔点差和密度差易导致严重的成分偏析问题。此外，由于TA33钛合金中的Mo、Nb、Si和C四种合金元素的含量都较低，很难保证原材料混料时的均匀性，原材料混料不均匀也会造成TA33钛合金的成分偏析问题。最后，由于C元素熔点高达3652℃，采用真空自耗电弧熔炼时液态保持时间较短（通常为2~3分钟），C元素无法在这么短的时间内实现固体向液体的充分扩散，导致TA33钛合金中存在高熔点碳夹杂问题，存在整个TA33钛合金锭报废的风险。
在已公开的相关合金制备技术中，专利200710040751.6三元硅化物公开了选用高纯度的Mo(99.9％)、Nb(99.9％)和Si(99.9％)为原料于真空电弧炉中制备合金锭(Mo1-xNbx)Si2(质量为20g)，提高了低温韧性差与高温(>1200℃)抗蠕变性能。此专利选用的是纯金属，一方面，这三种纯金属的熔点和密度分别为Mo（熔点：2610℃，密度：10.22g/cm3）、Nb（熔点：2470℃，密度：8.57g/cm3）和Si（熔点：1410℃，密度：2.33g/cm3），其熔点极差和密度极差分别为1200℃和7.89g/cm3，极易导致所制备的中间合金出现严重的成分偏析问题和高钼夹杂风险，导致所生产的中间合金不能满足要求；另一方面，纯金属的成本很高，不利于工业规模化制备和推广。
专利200310119079.1一种铝钼铌硅中间合金及其制备方法，公开了用Al、Nb、Si、Mo四种原材料组成及用炉外点火冶炼法制备铝钼铌硅中间合金的技术方案，原料装炉温度为30~60℃，烘干温度为70~80℃，烘干时间不少于24小时，生产过程中反应状态激烈，取用原料比例、所得合金反应体系的各原料含量差异化较大，烘干时间较长，并未提到各原料加工时熔点极差和密度极差存在的问题及解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法，保证了钼铌硅铝碳中间合金应用于TA33钛金属，Mo、Nb、Si和C含量极差均很小，杂质含量低，有效解决了TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C元素成分偏析问题，提高Mo、Nb、Si和C元素在TA33钛合金中的成分均匀性。制备方法简单，易于控制，适用于大规模工业生产。
本发明所采用的技术方案为：
本发明提供了一种钼铌硅铝碳中间合金，按质量百分比计，包括32~38wt%的Mo、22~28wt%的Nb、18~22wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al，所述钼铌硅铝碳中间合金熔点为1620~1720℃，密度为4.20~4.70 g/cm3。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金按重量百分比计，包括34~36wt%的Mo、24~26wt%的Nb、19~21wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金熔点为1650~1690℃。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金密度为4.35~4.55 g/cm3。
本发明还提供了上述钼铌硅铝碳中间合金的一种制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将Al、SiO2、MoO3、Nb2O5和C原材料分别进行干燥，干燥温度为100~130℃，干燥时间为8~12h；
（2）所述步骤（1）干燥后原材料按照100份Al、67~75份SiO2、57~65份MoO3、40~46份Nb2O5、5~9份C称取；
（3）将所述步骤（2）称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料；
（4）将所述步骤（3）的混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
优选地，所述Al的纯度为99.7%以上，所述SiO2的纯度为99.5%以上，所述MoO3的纯度为99.9%以上，所述Nb2O5的纯度为99.9%以上，所述C的纯度为99.5%以上。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金的制备方法步骤（2），按照100份Al、69~73份SiO2、59~63份MoO3、42~44份Nb2O5、6~8份C称取各原材料。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金的制备方法步骤（1）中干燥温度为110~120℃，干燥时间为9~12h。
优选地，所述钼铌硅铝碳中间合金的制备方法步骤（1）中干燥温度为110~120℃，干燥时间为10~11h。
本发明的有益效果：
本发明通过设计合金成分，使钼铌硅铝碳中间合金的熔点和密度均接近于基体海绵钛，且成分偏析较小，代替AlMo60、AlNb70、金属Si和石墨用于TA33钛合金熔炼时，能够降低与基体海绵钛的熔点差和密度差，有效地防止较大的熔点差和密度差造成的成分偏析问题。此外，钼铌硅铝碳中间合金将TA33钛合金中占比较少的Mo、Nb、Si和C四种元素合成为一种原料，增加了原材料混料时的均匀性，用于TA33钛合金熔炼时，能够有效地防止原材料混料不均匀造成的成分偏析问题。而且，C元素以钼铌硅铝碳多元中间合金的形式加入，可以有效地避免TA33钛合金在真空自耗电弧熔炼（VAR）过程中直接加入石墨引起的高熔点碳夹杂问题。再者，本发明所用的炉外铝热冶炼法，可以使合金整体保持2~3小时的液态，有效避免各原材料之间大的熔点差和密度差易导致严重的成分偏析问题，并且可以实现C元素在合金中的充分扩散及合金化。实验结果表明，本发明提供的钼铌硅铝碳中间合金成分偏析较小，用于TA33钛合金，可以确保TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C元素均匀性良好。制备方法简单，易于控制，适用于大规模工业生产。
具体实施方式
本发明提供了一种钼铌硅铝碳中间合金，包括32~38wt%的Mo、22~28wt%的Nb、18~22wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al，所述钼铌硅铝碳中间合金熔点为1620~1720℃，密度为4.20~4.70 g/cm3。在本发明中，所述Mo、Nb、Si、Al和C的配比使钼铌硅铝碳中间合金的熔点和密度均接近于基体海绵钛，其中基体海绵钛熔点为1675℃，密度为4.50 g/cm3。
在本发明中，所述钼铌硅铝碳中间合金按质量百分比计，优选包括34~36wt%的Mo、24~26wt%的Nb、19~21wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al。
所述钼铌硅铝碳中间合金熔点优选为1650~1690℃。
所述钼铌硅铝碳中间合金密度优选为4.35~4.55 g/cm3。
本发明还提供了上述钼铌硅铝碳中间合金的一种制备方法，包括以下步骤：
（1）将Al、SiO2、MoO3、Nb2O5和C原材料分别进行干燥，干燥温度为100~130℃，干燥时间为8~12h；
（2）将所述步骤（1）干燥后原材料按照100份Al、67~75份SiO2、57~65份MoO3、40~46份Nb2O5、5~9份C称取；
（3）将所述步骤（2）称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料；
（4）将所述步骤（3）的混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
在本发明中，所述Al的纯度为99.7%以上，所述SiO2的纯度为99.5%以上，所述MoO3的纯度为99.9%以上，所述Nb2O5的纯度为99.9%以上，所述C的纯度为99.5%以上。采用所述纯度的原材料有利于炉外铝热冶炼的平稳进行，并且有利于制备出杂质含量低、成分均匀性良好的钼铌硅铝碳中间合金。
本发明中，所述干燥的温度优选为110~120℃；所述干燥的时间优选为9~11h，更优选为10~11h，干燥步骤可以去除原材料中的水分，防止铝热冶炼过程中发生严重的喷溅。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的钼铌硅铝碳中间合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为100℃，干燥的时间为8h。
2、再然后按照100份Al、75份SiO2、65份MoO3、46份Nb2O5、9份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1620℃，密度为4.20 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示，其中表3中元素含量标准要求数值依据GB/T 3620.1-2016《钛及钛合金牌号和化学成分》。
实施例2:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为130℃，干燥的时间为12h。
2、再然后按照100份Al、67份SiO2、57份MoO3、40份Nb2O5、5份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1720℃，密度为4.70 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
实施例3:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为110℃，干燥的时间为9h。
2、再然后按照100份Al、73份SiO2、63份MoO3、44份Nb2O5、8份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1650℃，密度为4.35 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
实施例4:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为120℃，干燥的时间为11h。
2、再然后按照100份Al、69份SiO2、59份MoO3、42份Nb2O5、6份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1690℃，密度为4.55 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
实施例5:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为110℃，干燥的时间为10h。
2、再然后按照100份Al、73份SiO2、63份MoO3、44份Nb2O5、8份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1660℃，密度为4.40 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
实施例6:
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为110℃，干燥的时间为10h。
2、再然后按照100份Al、71份SiO2、61份MoO3、43份Nb2O5、7份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1670℃，密度为4.45 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
实施例7：
1、将纯度为99.7%以上的Al、纯度为99.5%以上的SiO2、纯度为99.9%以上的MoO3、纯度为99.9%以上的Nb2O5和纯度为99.5%以上的C进行干燥，干燥的温度为115℃，干燥的时间为10.6h。
2、再然后按照100份Al、71份SiO2、61份MoO3、43份Nb2O5、7份C称取各原材料。
3、将称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料。
4、将混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金的熔点为1675℃，密度为4.50 g/cm3。本实施例中的各项参数如表1所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金进行化学成分分析，得到结果如表2所示。对本实施例制备的钼铌硅铝碳中间合金应用于牌号为TA33钛合金，对合成后的TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C含量进行化学成分分析，得到结果如表3所示。
表1 本发明各实施例中钼铌硅铝碳中间合金制备参数
Figure DEST_PATH_IMAGE001
表2 本发明实施例中钼铌硅铝碳中间合金化学成分 wt%
Figure 249829DEST_PATH_IMAGE002
由以上实施例可以看出，本发明提供的钼铌硅铝碳中间合金成分稳定，杂质含量较低。
表3 本发明实施例中TA33中Mo、Nb、Si和C含量 wt%
Figure DEST_PATH_IMAGE003
由以上实施例可以看出，本发明提供的钼铌硅铝碳中间合金应用于TA33钛合金，Mo、Nb、Si和C含量极差均很小，说明钼铌硅铝碳中间合金的使用可以有效地解决TA33钛合金中Mo、Nb、Si和C元素成分偏析问题，提高Mo、Nb、Si和C元素在TA33钛合金中的成分均匀性。
本发明钼铌硅铝碳中间合金的成分设计，少量Mo和Nb合金元素的加入可最大限度地提高合金的强度，且能保证较高的热稳定性；少量C的加入扩大了两相区加工窗口；少量Si提高了合金的蠕变抗力；Al主要起固溶强化作用，可以改善抗氧化性，铝比钛还轻，能减小合金密度，调节钼铌硅铝碳中间合金的熔点和密度，并显著提高再结晶温度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钼铌硅铝碳中间合金，其特征在于按重量百分比计，包括32~38wt%的Mo、22~28wt%的Nb、18~22wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al，所述钼铌硅铝碳中间合金熔点为1620~1720℃，密度为4.20~4.70 g/cm3。
2.根据权利要求1所述的一种钼铌硅铝碳中间合金，其特征在于按重量百分比计，包括34~36wt%的Mo、24~26wt%的Nb、19~21wt%的Si、2~4wt%的C和余量的Al。
3.根据权利要求1所述的一种钼铌硅铝碳中间合金，其特征在于所述钼铌硅铝碳中间合金熔点为1650~1690℃。
4.根据权利要求1所述的一种钼铌硅铝碳中间合金，其特征在于所述钼铌硅铝碳中间合金密度为4.35~4.55 g/cm3。
5.根据权利要求1~4任一权利要求所述的钼铌硅铝碳中间合金的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将Al、SiO2、MoO3、Nb2O5和C原材料分别进行干燥，干燥温度为100~130℃，干燥时间为8~12h；
（2）将所述步骤（1）干燥后原材料按照100份Al、67~75份SiO2、57~65份MoO3、40~46份Nb2O5、5~9份C称取；
（3）将所述步骤（2）称好的各原材料进行充分混合，得到混合物料；
（4）将所述步骤（3）的混合物料在常温下装炉，采用炉外铝热冶炼法进行合金冶炼，得到钼铌硅铝碳中间合金。
6.根据权利要求5所述的一种钼铌硅铝碳中间合金的制备方法，其特征在于所述Al的纯度为99.7%以上，所述SiO2的纯度为99.5%以上，所述MoO3的纯度为99.9%以上，所述Nb2O5的纯度为99.9%以上，所述C的纯度为99.5%以上。
7.根据权利要求5所述的一种钼铌硅铝碳中间合金的制备方法，其特征在于步骤（2）按照100份Al、69~73份SiO2、59~63份MoO3、42~44份Nb2O5、6~8份C称取各原材料。
8.根据权利要求5所述的一种钼铌硅铝碳中间合金的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中干燥温度为110~120℃，干燥时间为9~12h。
9.根据权利要求5所述的一种钼铌硅铝碳中间合金的制备方法，其特征在于所述步骤（1）中干燥温度为110~120℃，干燥时间为10~11h。
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