CN112981102B - 一种制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，属于废铝合金资源化利用技术领域。本发明将含Fe废铝合金和钛基物料混合均匀，再置于真空或惰性气氛条件下加热熔融并熔炼1‑2h使易挥发性杂质充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；在真空或惰性气氛条件下，钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe‑Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；将钛铝合金锭沿TiAl3合金、Fe‑Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金。本发明可实现同时制备TiAl3合金和提纯含Fe废铝合金。

Description

一种制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法
技术领域
本发明涉及一种制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，属于废铝合金资源化利用技术领域。
背景技术
铝合金不仅具有密度小、强度高、耐腐蚀等一系列优良性能，而且还具有相当高的可回收性,它是最具有回收和再生利用价值的金属，所以铝合金目前已经成为世界上第二大金属材料。近几年，随着原铝产量的严重短缺和各种铝产品相继达到报废年限，各类废铝合金的回收利用越发引了关注。废铝合金的回收利用具有许多关键的环境和经济效益，例如：废铝合金回收所需的能量比从铝土矿生产纯铝所需的能源少95％，并且仅排放5％的温室气体。此外，回收一吨废铝合金可节省8吨铝土矿，14000千瓦时能源，6300升石油等。然而，再生利用铝过程中不断积累的有害杂质元素是铝合金再生利用面临的最大挑战。积累的杂质给废旧铝合金的二次回收利用提供了严重的、长期的障碍，这些元素包括Si、Mg、Zn、Fe、 Cu和Mn等，其中Fe杂质的影响最为严重。Fe能在铝合金形成针状的、硬的脆的β-Fe相，割裂铝基体，严重损害材料的塑性、耐蚀性和抗疲劳性等性能。所以，如何去除废铝合金中的Fe杂质是废铝合金再生利用的关键问题。
TiAl3合金作为轻质高温结构材料，具有密度低，良好的高温抗蠕变性能、优异的耐高温性能及较好的弹性模量等优点，是一种具有巨大应用潜力的航空航天材料。目前TiAl3合金的主要制备方法为：熔炼法和自蔓延高温合成法。这些方法都采用纯钛和纯铝进行TiAl3合金制备，生产成本高；此外，这些方法还都存在制备过程不易控制的缺点，易生成Ti-Al 中间相，或者夹杂少量的Al相和Ti相，导致制备的TiAl3合金不纯，并且不致密、多孔。
发明内容
本发明针对现有技术中废铝合金中的Fe杂质去除和TiAl3制备的问题，提供一种制备 TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，本发明采用真空或惰性气氛条件下的电磁感应定向凝固炉进行钛铝合金熔体的分离和纯化，选择TiAl3合金析出的液相线成分，以确保析出单一、高纯的TiAl3合金，避免夹杂Al相、Ti相和其它Ti-Al中间相；本发明依据结晶温度的高低顺序，TiAl3合金析出结束后，将会析出Fe和Mn杂质相，然后再析出铝，合金中的Mg和 Zn杂质则由于存在易挥发性，在保温过程中被挥发消除；而合金中的Fe、Mn和Cu等杂质则在定向凝固过程中，由于在固/液界面处产生了分凝效应，被不断的转移到液相中，Fe和Mn杂质最终富集在TiAl3和低Fe铝合金之间以及最后凝固的合金的最顶端，Cu等杂质主要富集在最后凝固的合金的最顶端；杂质富集相将被切割去除，实现废铝合金的提纯。
一种制备TiAl3并提纯含Fe废铝合金的方法，具体步骤包括：
(1)将含Fe废铝合金和钛基物料混合均匀，再置于真空或惰性气氛条件下电磁感应加热熔融并熔炼1-2h使易挥发性杂质充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；
(2)在真空或惰性气氛条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金。
所述含Fe废铝合金为铝基废旧合金，如Al合金和/或Al-Si合金；
所述步骤(1)钛基物料为海绵钛和/或废旧钛铝合金；
所述真空度不高于10Pa；
所述步骤(2)感应加热的加热频率为30-80KHZ，定向凝固的移动速率为1-4μm/s；定向凝固可定向移动钛铝合金熔体或加热器，定向凝固时，钛铝合金熔体依次被分离成TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相，杂质富集相中含有Fe、Mn、Cu和Mg杂质；
本发明的有益效果是：
(1)本发明方法中，由于析出TiAl3晶体的过程受电磁搅拌作用，传热传质充分，使得 TiAl3晶体可以充分的生长，得到致密的TiAl3合金；
(2)由于电磁感应加热过程中存在电磁力，合金熔体形成熔池电磁搅拌，本发明方法废铝合金中的易挥发杂质(Mg和Zn)将加速扩散到熔池表面被去除，强化除杂效果；真空条件下，将加强易挥发性杂质的去除；废铝合金中部分富Fe杂质相由于熔点高于铝合金而析出在TiAl3合金与低Fe铝合金之间，定向凝固过程中的分凝作用将Fe杂质富集在钛铝合金锭的顶端，通过机械切割富Fe杂质相，达到去除Fe杂质的目的；
(3)本发明采用析晶法制备TiAl3合金，在TiAl3合金析出的过程中，没有其他Ti-Al金属间化合物生成；
(4)本发明可以同时实现废旧钛铝合金和废铝合金的低成本、环境友好的再生利用。
附图说明
图1为本发明工艺流程图；
图2为实施例1钛铝合金铸锭的截面图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种制备TiAl3并提纯含Fe废铝合金的方法(见图1)，具体步骤包括：
(1)将纯度为92.97％的含Fe废铝合金(主要杂质及其含量为：1.01％Fe、2.41％Si、 0.89％Mg、1.25％Zn、0.52％Mn和0.95％Cu)和纯度为99.6％的海绵钛(主要杂质及其含量为：0.08％Fe、0.02％Si和0.01％Mg)混合均匀得到混合物，再置于真空度为6Pa条件下的电磁感应加热的定向凝固炉中(频率30KHZ)，电磁感应加热混合物至熔融(1400)℃并熔炼 1h使易挥发性杂质Mg和Zn充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；其中含Fe废铝合金与海绵钛的质量比为4:1；Mg和Zn的去除率为51.9％和93.8％；
(2)在真空(真空度为3Pa)条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭(见图2)，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；其中定向凝固的移动速率为3.5μm/s；定向凝固为定向移动钛铝合金熔体，定向凝固时，钛铝合金熔体依次被分离成TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相，杂质富集相中含有Fe、Mn、Cu和Mg杂质；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金；
经分析，TiAl3合金的纯度为97.9wt％，主要杂质及其含量分别为：0.38％Fe、1.08％Si、 0.11％Mg、0.008％Zn、0.20％Mn和0.25％Cu；TiAl3合金中Si作为合金添加剂，可增强TiAl3的塑性；低Fe铝合金中Fe含量为0.42wt％。
实施例2：一种制备TiAl3并提纯含Fe废铝合金的方法(见图1)，具体步骤包括：
(1)将纯度为92.97％的含Fe废铝合金(主要杂质及其含量为：1.01％Fe、2.41％Si、 0.89％Mg、1.25％Zn、0.52％Mn和0.95％Cu)和纯度为96.5％的废旧钛铝合金(含93％Ti和 3.5％Al，主要杂质及其含量为：1.8％Mn和0.6％Fe)混合均匀得到混合物，再置于真空度为 1Pa条件下的电磁感应加热的定向凝固炉中(频率45KHZ)，电磁感应加热混合物至熔融 (1450)℃并熔炼1.5h使易挥发性杂质Mg和Zn充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；其中含Fe废铝合金与海绵钛的质量比为7:3；Mg和Zn的去除率为65.2％和99％；
(2)在真空(真空度为6Pa)条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；其中定向凝固的移动速率为1.0μm/s；定向凝固为定向移动钛铝合金熔体，定向凝固时，钛铝合金熔体依次被分离成TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe 铝合金和杂质富集相，杂质富集相中含有Fe、Mn、Cu和Mg杂质；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金；
经分析，TiAl3合金的纯度为98.3wt％，主要杂质及其含量分别为：0.25％Fe、1.01％Si、 0.05％Mg、0％Zn、0.13％Mn和0.21％Cu；TiAl3合金中Si作为合金添加剂，可增强TiAl3的塑性；低Fe铝合金中Fe含量为0.35wt％。
实施例3：一种制备TiAl3并提纯含Fe废铝合金的方法(见图1)，具体步骤包括：
(1)将纯度为90.16％的含Fe废铝合金(主要杂质及其含量为：1.75％Fe、3.18％Si、 0.58％Mg、1.27％Zn、1.56％Mn和1.50％Cu)和纯度为99.5％的海绵钛(主要杂质及其含量为：0.12％Fe、0.03％Si、0.04％Mg)混合均匀得到混合物，再置于惰性气氛(氩气)条件下的电磁感应加热的定向凝固炉中(频率60KHZ)，电磁感应加热混合物至熔融(1350)℃并熔炼1h使易挥发性杂质Mg和Zn充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；其中含Fe废铝合金与海绵钛的质量比为5:1；Mg和Zn的去除率为49.8％和92.1％；
(2)在惰性气氛(氩气)条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；其中定向凝固的移动速率为3.0μm/s；定向凝固为定向移动钛铝合金熔体，定向凝固时，钛铝合金熔体依次被分离成TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相，杂质富集相中含有Fe、Mn、Cu和Mg杂质；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金；
经分析，TiAl3合金的纯度为97.56wt％，主要杂质及其含量分别为：0.42％Fe、1.39％Si、 0.12％Mg、0.01％Zn、0.22％Mn和0.29％Cu；TiAl3合金中Si作为合金添加剂，可增强TiAl3的塑性；低Fe铝合金中Fe含量为0.58wt％。
实施例4：一种制备TiAl3并提纯含Fe废铝合金的方法(见图1)，具体步骤包括：
(1)将纯度为85.4％的含Fe废铝合金(主要杂质及其含量为：2.10％Fe、5.00％Si、0.40％Mg、1.90％Zn、1.80％Mn和3.40％Cu)和纯度为99.3％的海绵钛(含95％Ti和2％Al，主要杂质及其含量为：2.2％Mn和0.5％Fe)混合均匀得到混合物，再置于惰性气氛(氩气)条件下的电磁感应加热的定向凝固炉中(频率80KHZ)，电磁感应加热混合物至熔融(1600)℃并熔炼2h使易挥发性杂质Mg和Zn充分挥发，得到成分均匀的钛铝合金熔体；其中含Fe废铝合金与海绵钛的质量比为4:1；Mg和Zn的去除率为51.7％和93.5％；
(2)在惰性气氛(氩气)条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；其中定向凝固的移动速率为1.5μm/s；定向凝固为定向移动钛铝合金熔体，定向凝固时，钛铝合金熔体依次被分离成TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相，杂质富集相中含有Fe、Mn、Cu和Mg杂质；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金；
经分析，TiAl3合金的纯度为95.85wt％，主要杂质及其含量分别为：0.33％Fe、3.15％Si、 0.1％Mg、0.09％Zn、0.15％Mn和0.33％Cu；TiAl3合金中Si作为合金添加剂，可增强TiAl3的塑性；低Fe铝合金中Fe含量为0.39wt％。
以上对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将含Fe废铝合金和钛基物料混合均匀，再置于真空或惰性气氛条件下加热熔融并熔炼1-2h，得到钛铝合金熔体；
(2)在真空或惰性气氛条件下，步骤(1)钛铝合金熔体在感应加热下经定向凝固相分离和提纯得到钛铝合金锭，其中钛铝合金锭依次包括TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相；
(3)将步骤(2)钛铝合金铸锭沿TiAl3合金、Fe-Mn杂质富集相、低Fe铝合金和杂质富集相的分界线切割得到TiAl3合金和低Fe铝合金。
2.根据权利要求1所述制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，其特征在于：步骤(1)钛基物料为海绵钛和/或废旧钛铝合金。
3.根据权利要求1所述制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，其特征在于：真空条件时，真空度不高于10Pa。
4.根据权利要求1所述制备TiAl3合金并提纯含Fe废铝合金的方法，其特征在于：步骤(2)感应加热的加热频率为30-80KHZ，定向凝固的移动速率为1-4μm/s。
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