CN113652567A - 一种钒铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钒铝合金及其制备方法，该钒铝合金的制备方法包括如下步骤：将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边干燥，或预混后再边混合边干燥得混合物料，然后向所述混合物料表面添加氧化剂，引燃所述氧化剂使所述混合物料燃烧反应，反应结束后经后处理得合金锭，所述合金锭经破碎得所述钒铝合金；其中，所述破碎是在流动的氩气中进行。与现有技术相比，本发明提供的钒铝合金的制备方法，通过将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边干燥，或预混后再边混合边干燥，并与合金锭在流动的氩气中进行破碎的步骤相结合，可显著降低制得的钒铝合金中的气体杂质氧、氮的含量：氧含量可降低9.0％以上，氮含量可降低20％以上。

Description

一种钒铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金领域，尤其涉及一种钒铝合金及其制备方法。

背景技术

钒铝合金是一种高级合金材料，具有硬度高、弹性高、耐海水腐蚀性强、质轻等特点，可用来制造水上飞机和水上滑翔机。除此之外，钒铝合金也是生产钛合金的重要原料，钒铝合金能改善钛合金的耐热性能与冷加工性能，使钛合金具有优异的焊接性能和机械强度。

目前，钒铝合金的生产工艺主要是以五氧化二钒为原料、铝粉作为还原剂，通过自蔓延高温合成法合成，该工艺主要包括原料混合、引燃反应、静置冷却、渣金分离、表面处理和破碎等步骤。该工艺中采用铝粉作为还原剂，反应速率快，导致原料中的水分和空气无法及时、有效地排出，钒铝合金中的气体杂质元素氮、氧含量升高，严重影响了钒铝合金尤其是其下游产品钛合金的性能：

1)O、N作为α相稳定元素，可与钛之间形成间隙固溶体合金和金属化合物相，使钛合金的塑性显著降低；

2)气体杂质元素的存在导致钒铝合金成分均匀性差，成分比例不稳定，偶尔存在偏析的情况，这种偶尔存在的偏析，若用来制造航空航天器，则有可能是百分之百的致命因素，无法保证“万无一失”的质量要求。

针对上述问题，现有技术中采用对单一的原料五氧化二钒烘干，或者是对各原料单独烘干后再混合的方式来降低钒铝合金中的气体杂质元素，但是效果并不明显。

发明内容

针对目前钒铝合金中存在的气体杂质氧、氮含量高，影响了钒铝合金及其下游产品性能的缺陷，本发明提供一种氧、氮等气体杂质含量低的钒铝合金及其制备方法，与现有技术相比，该钒铝合金中的氧含量可降低9.0％以上，氮含量可降低20％以上。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种钒铝合金的制备方法，包括如下步骤：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边干燥得混合物料，或预混后再边混合边干燥得混合物料，然后向所述混合物料表面添加氧化剂，引燃所述氧化剂使所述混合物料燃烧反应，反应结束后经后处理得合金锭，所述合金锭经破碎得所述钒铝合金；

其中，所述破碎是在流动的氩气中进行。

与现有技术相比，本发明提供的钒铝合金的制备方法，通过将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边干燥，或预混后再边混合边干燥，并与合金锭在流动的氩气中进行破碎的步骤相结合，可显著降低制得的钒铝合金中的气体杂质氧、氮的含量：氧含量可降低9.0％以上，氮含量可降低20％以上。具体地，本发明通过对原料进行边混合边干燥，或预混后再边混合边干燥处理，可脱除各原料内部的水分和气体杂质，减少气体杂质进入合金中的含量，既实现了原料中气体杂质的脱除，又缩短了整个钒铝合金的制备时间，提高了效率，结合将合金锭的破碎步骤在流动的氩气中进行，减少破碎过程中合金锭与空气的接触，显著降低合金破碎过程中气体杂质的渗入，进而得到高质量的钒铝合金产品。

可选地，所述氩气的纯度大于99.5％，每分钟通入的氩气量相当于破碎容器容积的0.05％-0.1％。通过限定每分钟氩气通入量与破碎容器容积的比例，可防止由于流量过小，导致破碎体系中残存的气体杂质渗入合金中；或者是氩气流量过大，导致破碎过程中产生的金属粉如钒粉、铝粉被氩气带走，造成金属粉及氩气的损失。

可选地，所述预混合的时间为0.4-0.6h。

可选地，所述边混合边干燥的温度为90-120℃，时间为4-8h。通过限定边混合边干燥的温度和时间，既保证原料中的水分和空气被充分排出，又避免了温度过高造成还原剂铝粉被氧化，同时促进反应的进行。

可选地，所述制备方法还包括在所述边混合边干燥之前将所述五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边以4-6℃/min的升温速率加热至90-120℃。

可选地，所述后处理包括冷却、合金锭与渣的分离得到合金锭的步骤。

可选地，所述冷却是通过自然降温实现，所述冷却的时间为72-80h。

可选地，所述钒铝合金的制备方法还包括在破碎之前对合金锭的表面进行打磨的步骤。通过对合金锭的表面进行打磨处理，可将合金锭表面的渣、氧化膜去除，提高钒铝合金产品的合格率。

可选地，所述造渣剂为氟化钙，所述氧化剂为氯酸钾或高猛酸钾。

本发明还提供了上述的钒铝合金的制备方法制得的钒铝合金，所述钒铝合金的粒度为1-6mm。

可选地，所述钒铝合金中钒含量为58.5wt％-59.0wt％，Si含量≤0.15wt％，Fe含量≤0.15wt％，C含量≤0.04wt％，O含量≤0.06wt％，N含量≤0.04wt％，余量为铝。

优选地，所述钒铝合金中钒含量为58.5wt％-59.0wt％，N含量为0.02wt％-0.04wt％，O含量为0.03wt％-0.06wt％，Si含量为0.1wt％-0.15wt％，Fe含量为0.1wt％-0.15wt％，C含量为0.01wt％-0.04wt％，余量为铝。

附图说明

图1为本发明实施例1中的钒铝合金的制备方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

钒铝合金的主要用途是作为原料生产钛合金，但是现有的制备方法制得的钒铝合金普遍存在气体杂质元素氮、氧含量高的缺陷，气体杂质元素O、N可与钛之间形成间隙固溶体合金和金属化合物相，使钛合金的塑性显著降低；除此之外，气体杂质元素的存在还会导致钒铝合金成分均匀性差，成分比例不稳定，偶尔存在偏析的情况，这种偶尔存在的偏析，若用来制造航空航天器，则有可能是百分之百的致命因素，无法保证“万无一失”的质量要求。因此，钒铝合金中的气体杂质严重限制了钒铝合金的性能及其在航空航天器等领域的应用。

现有技术中普遍认为钒铝合金中的气体杂质元素是由原料引入的，因原料未进行干燥，其中的水分等在制备过程中会渗入合金中，导致最终钒铝合金中的气体杂质含量高。因此，现有的都是通过对原料进行干燥来降低终产品钒铝合金中的气体杂质含量的，但是效果不显著。

发明人经研究发现，1、将原料干燥后再混合，并不能将原料中的水分和空气进行有效脱除，这主要是由于部分物料如五氧化二钒易吸水，在较长混料过程中易造成二次吸水，无法达到预期的干燥效果，在混料过程中易吸水原料吸收的水与空气会进入到合金中，导致钒铝合金中气体杂质成分含量高。2、钒铝合金中的气体杂质并非都是由原料中引入的，合金锭的破碎过程中也会引入大量的气体杂质，传统的破碎步骤都是在空气条件下进行分级破碎，但是在破碎过程中，空气中氧气、氮气等成分会与合金接触并逐渐渗入到合金中，使合金中氧、氮含量明显升高，无法获得低杂质含量的钒铝合金。在此基础上，发明人将原料先混合再边干燥边混合，或者是直接边干燥编混合，结合在氩气气氛下进行破碎步骤，显著提高了钒铝合金中的气体杂质含量：氧含量可降低9.0％以上，氮含量可降低20％以上。

具体方案如下：

一种钒铝合金的制备方法，包括如下步骤：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂(如氟化钙等)预混合后，再同步混合干燥；或将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂直接同步混合干燥得混合物料，然后向混合物料表面添加氧化剂(如氯酸钾或高猛酸钾)，引燃氧化剂使混合物料燃烧反应，反应结束后，自然冷却，然后将生成的合金锭与熔渣分离得到合金锭，对合金锭的表面进行打磨以除去表面的溶渣剂氧化膜，然后在流动的氩气氛围中进行三级破碎、筛分，即得钒铝合金产品。

其中，氩气的纯度大于99.5％，氩气的流量可根据实际情况进行调整，氩气流量可选择控制在0.1-5.0L/min，如0.1L/min、0.2L/min、0.3L/min、0.4L/min、0.5L/min、0.6L/min、0.7L/min、0.8L/min、0.9L/min、1.0L/min等。

预混的时间可根据实际的原料用量等进行调整，如可选为0.4-0.6h。

边混合边干燥的温度和时间的限定以既保证原料中的水分和空气被充分排出，又避免了温度过高造成原料变质为标准，可根据实际工艺情况进行调整，如边混合边干燥的温度为90℃、95℃、100℃、110℃、120℃等，时间为4h、5h、6h、7h、8h等。

实施例1

本实施例提供一种钒铝合金的制备方法，步骤如下：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙按照质量比为1:0.6:0.15放入烘干混料机内，将烘干混料机转速设定为15r/min，预混0.5h后继续在15r/min的搅拌速率下开启烘干混料机的电加热系统，设定升温速率为5℃/min，温度升至120℃时停止升温，在120℃、15r/min条件下边搅拌边加热维持4h，得干燥的混合物料；

将上述干燥的混合物料放入纯度≥99.0％石墨坩埚内，然后向混合物料表面添加氧化剂氯酸钾(五氧化二钒粉与氯酸钾的质量比为200:0.5)，引燃氧化剂使混合物料燃烧反应，反应结束后，自然冷却76h，然后将生成的合金锭与熔渣分离得到合金锭，对合金锭的表面进行打磨以除去表面的渣及氧化膜，然后放在体积为2m³的碎机内，并在纯度大于99.5％，流量为1.0L/min的氩气氛围中进行三级破碎，然后筛分，即得粒度为1-6mm钒铝合金产品。

实施例2

本实施例提供一种钒铝合金的制备方法，步骤如下：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙按照质量比为1:0.6:0.15放入烘干混料机内，将烘干混料机转速设定为15r/min，预混0.4h后继续在15r/min的搅拌速率下开启烘干混料机的电加热系统，设定升温速率为5℃/min，温度升至90℃时停止升温，在90℃、15r/min条件下边搅拌边加热维持8h，得干燥的混合物料；

将上述干燥的混合物料放入纯度≥99.0％石墨坩埚内，然后向混合物料表面添加氧化剂高锰酸钾(五氧化二钒粉与高猛酸钾的质量比为200:1)，引燃氧化剂使混合物料燃烧反应，反应结束后，自然冷却72h，然后将生成的合金锭与熔渣分离得到合金锭，对合金锭的表面进行打磨以除去表面的渣及氧化膜，然后放在体积为2m³的碎机内，并在纯度大于99.5％，流量为2.0L/min的氩气氛围中进行三级破碎，然后筛分，即得粒度为1-6mm钒铝合金产品。

实施例3

本实施例提供一种钒铝合金的制备方法，步骤如下：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙按照质量比为1:0.6:0.15放入烘干混料机内，将烘干混料机转速设定为15r/min，预混0.6h后继续在15r/min的搅拌速率下开启烘干混料机的电加热系统，设定升温速率为5℃/min，温度升至105℃时停止升温，在105℃、15r/min条件下边搅拌边加热维持6h，得干燥的混合物料；

将上述干燥的混合物料放入纯度≥99.0％石墨坩埚内，然后向混合物料表面添加氧化剂高锰酸钾(五氧化二钒粉与高猛酸钾的质量比为200:1)，引燃氧化剂使混合物料燃烧反应，反应结束后，自然冷却80h，然后将生成的合金锭与熔渣分离得到合金锭，对合金锭的表面进行打磨以除去表面的渣及氧化膜，然后放在体积为2m³的碎机内，并在纯度大于99.5％，流量为1.5L/min的氩气氛围中进行三级破碎，然后筛分，即得粒度为1-6mm钒铝合金产品。

实施例4

本实施例提供一种钒铝合金的制备方法，步骤如下：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙按照质量比为1:0.6:0.15放入烘干混料机内，将烘干混料机转速设定为15r/min，同时开启烘干混料机的电加热系统，设定升温速率为5℃/min，温度升至120℃时停止升温，在120℃、15r/min条件下边搅拌边加热维持4h，得干燥的混合物料；

将上述干燥的混合物料放入纯度≥99.0％石墨坩埚内，然后向混合物料表面添加氧化剂氯酸钾(五氧化二钒粉与氯酸钾的质量比为200:0.5)，引燃氧化剂使混合物料燃烧反应，反应结束后，自然冷却76h，然后将生成的合金锭与熔渣分离得到合金锭，对合金锭的表面进行打磨以除去表面的渣及氧化膜，然后放在体积为2m³的碎机内，并在纯度大于99.5％，流量为1.0L/min的氩气氛围中进行三级破碎，然后筛分，即得粒度为1-6mm钒铝合金产品。

对比例1

本对比例与实施例1相似，区别仅在于，本对比例中的三级破碎在空气中进行。

对比例2

本对比例与实施例1相似，区别仅在于，本对比例中的制备干燥的混合物料时采用以下方法：

将质量比为1:0.6:0.15的五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙分别放入烘干机内，然后设定升温速率为5℃/min，温度升至120℃时停止升温，在120℃下加热干燥4h，然后将干燥后的五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂氟化钙加入混料机中，转速设定为15r/min，混合5h，得干燥的混合物料。

实验例

将各实施例及对比例制得的钒铝合金产品分别进行ICP(电感耦合等离子体)和碳硫分析仪检测分析，具体的分析结果见下表所示。

表1测试结果

由上表中的数据可知，与现有技术相比，本发明提供的钒铝合金的制备方法可显著降低制得的钒铝合金中的气体杂质碳、氧、氮的含量：氧含量可降低9.0％以上，碳含量可降低20％以上，氮含量可降低20％以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钒铝合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边干燥得混合物料，或预混后再边混合边干燥得混合物料，然后向所述混合物料表面添加氧化剂，引燃所述氧化剂使所述混合物料燃烧反应，反应结束后经后处理得合金锭，所述合金锭经破碎得所述钒铝合金；

其中，所述破碎是在流动的氩气中进行。

2.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述氩气的纯度大于99.5％，每分钟通入的氩气量相当于破碎容器容积的0.05％-0.1％。

3.根据权利要求1或2所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述预混的时间为0.4-0.6h。

4.根据权利要去1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述边混合边干燥的温度为90-120℃，时间为4-8h。

5.根据权利要求4所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在所述边混合边干燥之前将所述五氧化二钒粉、铝粉和造渣剂边混合边以4-6℃/min的升温速率加热至90-120℃。

6.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述后处理包括冷却、分离。

7.根据权利要求6所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述冷却是通过自然降温实现，所述冷却的时间为72-80h。

8.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述造渣剂为氟化钙；和/或

所述氧化剂为氯酸钾或高猛酸钾。

9.权利要求1-8任一项所述的钒铝合金的制备方法制得的钒铝合金，其特征在于，所述钒铝合金的粒度为1-6mm。

10.根据权利要求9所述的钒铝合金，其特征在于，所述钒铝合金中钒含量为58.5wt％-59.0wt％，Si含量≤0.15wt％，Fe含量≤0.15wt％，C含量≤0.04wt％，O含量≤0.06wt％，N含量≤0.04wt％，余量为铝。

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