CN117344191A - 一种铝钨钽三元中间合金的生产方法 - Google Patents

一种铝钨钽三元中间合金的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种铝钨钽三元中间合金的生产方法。通过将五氧化二钽、铝粉、氯酸钾混合后装于熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钽合金锭，除合金锭表层氧化铝，在手套箱中将合金锭车成屑状，待用；将三氧化钨、铝粉、屑状铝钽合金混合混匀后装入真空铝热炉中；关闭炉体，抽真空，喷镁、高锰酸钾混合物料，点燃物料发生真空铝热反应，待反应发生后提高炉内真空度，降温后，开炉、除渣得到铝钨钽合金锭。本发明以金属热还原法与真空铝热法相结合制备铝钨钽三元合金，生产了高均匀性，低气体杂质的铝钨钽合金，解决了传统铝热反应生产含高熔点、高密度三元合金氧化铝夹杂、气体杂质含量高的问题。

Description

一种铝钨钽三元中间合金的生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及一种铝钨钽三元中间合金的生产方法。
背景技术
难熔金属是指熔点在2000℃以上的金属，它们包括钨、钽、铌、钼等金属，难熔金属相关合金熔点高，高温条件下强度高，抗腐蚀性能好，可塑性强，其使用温度范围广(1100～3320℃)，是重要的航天用高温结构材料，如Ta-25Ti-18Al-6.5W钛合金。
目前国内外并无铝钨钽合金制备的相关方法。钨、钽合金多以铝钨、铝钽形式添加入钛合金中。因铝系钨、钽合金熔点、密度高限制生产方法，铝热法为铝系难熔金属合金主要生产方法，以一种或两种金属氧化物、铝粉、造渣剂按比例混合，通过炉外点火法生产合金锭。但此法生产的的合金锭因铝与难熔金属间密度差较大(铝：2.7g/cm3、钨：19.35g/cm3、钽：16.67g/cm3)，铝热反应发生后，熔融状态下的铝与难熔金属因密度差产生偏析，单锭内难熔金属偏析在3-8wt％之间，合金中氧含量较高，影响难熔金属合金在高端领域的应用。且因铝系难熔金属合金熔点高的缺点，导致无法将铝系难熔金属合金在中频真空感应熔炉中精炼(坩埚温度上限1800-1900℃)，降低杂质含量，提高合金品质
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，通过该方法能够制备出一种高品质铝钨钽合金，解决了铝热法生产的铝钨钽合金夹杂多、气体杂质含量高，偏析严重的问题。
通过以铝热法生产铝钽合金，待处理完成后，将屑状铝钽合金与钨源、铝源混合均匀后，在真空铝热炉中发生真空铝热反应，通过控制工艺参数，降低合金中氧化铝夹杂、气体杂质含量，提高合金均匀性，制备出高品质铝钨钽三元中间合金(含量为钨：30-35wt％、钽：30-40wt％，铝余量，硅≤0.15wt％、碳≤0.02wt％、氧≤0.04wt％、氮≤0.02wt％)，为我国高端钛合金材料提供保障。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，包括以下步骤：
(1)将五氧化二钽、铝粉、氯酸钾混合后装于熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钽合金锭，随后在手套箱中将合金锭车成屑状，待用；
(2)将步骤(1)制备的屑状铝钽合金与三氧化钨、铝粉混匀后装入真空铝热炉中发生真空铝热反应，待反应发生后提高炉内真空度，降温、除渣制得铝钨钽合金锭，即铝钨钽三元中间合金。
优选地，所述铝钽合金中理论钽含量为70wt％～80wt％，以便于对铝钽合金车屑处理。由于铝钽合金韧性强，粘度大，无法破碎成颗粒，需通过车屑的方式将屑状铝钽合金作为原料混入铝粉、三氧化钨物料中，以生产铝钨钽合金；
此外，铝粉与五氧化二钽的质量比为(0.6～0.8)：1，氯酸钾与五氧化二钽的质量比为0.4：1。通过控制比例与添加量可使反应单位炉料热效应在720-850kcal/kg之间，从而保证反应平稳进行。
且，所述熔池材质为刚玉，刚玉砖性质稳定，抗热震性好，防止因熔池材质问题引入碳、硅等杂质元素。
进一步地，对所述铝钽合金锭的表面进行喷砂处理，喷砂时间为60-150min，以去除表面夹渣，保证充分去除合金表面氧化铝层，防止氧化铝层进入铝钨钽合金中。
更进一步地，所述手套箱中以氩气作为保护气，氩气保护下对铝钽合金进行车屑，防止因车刀过热使合金在空气环境下氧化、氮化；
且，所述的屑状铝钽合金粒度长宽高小于0.5cm*0.5cm*0.05cm，防止粒度过大影响混料均匀性，进而影响铝钨钽合金均匀性；车刀牌号为W2Mo9Cr4VCo8，车屑速度为0.5-5cm/s，防止车屑速度过快，车刀成分进入铝钽合金屑中以引入Cr、V、Co杂质。
优选地，所述步骤(2)中，三氧化钨、铝粉与屑状铝钽合金的质量比为(7～9):(3～9):(7～12)，以保证铝钨钽合金品位。
此外，所述真空铝热炉中坩埚材质为铜，坩埚半径为3～6.5cm，铜坩埚热传导速率快，通过控制坩埚半径调节合金锭厚度，保证铝热反应金属还原、合金化结束后，快速降温。
进一步地，所述真空铝热反应的操作如下：
关闭炉体开机械泵，抽真空至真空度<500Pa，喷镁、高锰酸钾混合物料，开启冷凝水，水温50-70℃，循环5-10min后点燃物料发生真空铝热反应。
需要说明的是，抽真空可防止氮元素进入合金，且反应开始时还原过程未结束，防止合金快速降温，所以通50-70℃热水。
更进一步地，所述的镁、高锰酸钾混合物料中镁粉重量占比为70-80wt％，喷粉时间为3-6s，控制镁粉、高锰酸钾的比例及喷粉时间，可保证顺利点火。
优选地，所述真空铝热反应发生后15-25s开启罗茨泵，以提高真空度至50Pa以下，反应发生后，合金向坩埚底部移动，还原产物氧化铝向铜坩埚上部移动，上部氧化铝凝固后，铝热反应过程中产生的炉气积压在氧化铝与铝钨钽合金之间形成高气压区域(如图1)，增大合金溶液表面张力、静压力，导致合金中氧化铝夹杂分离出合金熔液外部困难。在反应发生15-25s时，上部氧化铝尚未凝固，增大真空度防止氧化铝层凝固密封，破坏高压区域的形成，加快合金与氧化铝夹杂分离，提升合金品质。
优选地，所述的降温操作：待真空铝热反应发生60～75s后，金属热还原及合金化过程基本完成，更换水冷铜坩埚冷凝水源，冷凝水温度<20℃，加快坩埚内热交换速度，防止合金熔液内因密度差，钨、钽向合金底部分移动产生元素偏析。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明以金属热还原法与真空铝热法相结合制备铝钨钽三元合金，生产了高均匀性，低气体杂质的铝钨钽合金，解决了传统铝热反应生产含高熔点、高密度三元合金氧化铝夹杂、气体杂质含量高的问题，为高熔点、高密度类三元中间合金的生产提供了一种新思路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为真空铝热反应铜坩埚内物料简图。
图2为铝钨钽合金多点取样图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义；作为本申请中其它未特别注明的试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常采用的实验方法和技术手段。
为了更好的说明本申请内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本申请同样可以实施。在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未作详细描述，以便凸显本申请的主旨。
在不冲突的前提下，本申请实施例公开的技术特征可以任意组合，得到的技术方案属于本申请实施例公开的内容。
为更好地理解本发明，下面通过以下实施例对本发明作进一步具体的阐述，但不可理解为对本发明的限定，对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的一些非本质的改进与调整，也视为落在本发明的保护范围内。
实施例1
一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，包括以下步骤：
将五氧化二钽100kg、铝粉69kg、氯酸钾40kg按比例混合均匀后，装于由刚玉转搭建成的熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钽合金锭121.5kg，将合金锭喷砂机喷砂处理65min，去除合金锭表层氧化铝，合金锭表面呈金属光泽，得到铝钽合金锭119.4kg，将铝钽合金锭转入手套箱，抽真空后，通氩气至常压，开始车屑，车刀牌号为W2Mo9Cr4VCo8，速度为1.5cm/s，得到粒度在0.4cm*0.3cm*0.04cm的铝钽合金屑；
将40.1kg三氧化钨、30.5铝粉、46.7kg铝钽合金屑充分混匀后装入真空铝热炉水冷坩埚中关闭炉体，开启机械泵，抽真空至炉内气压为450Pa，开启循环水，水温68℃，循环8min，喷镁(75wt％)高锰酸钾混合物料4.5s，点燃物料发生真空铝热反应，反应发生20s后开启罗茨泵至真空度为35Pa，反应70s降温后，更换冷凝水源，水温15℃，降温1.5h后开炉、除渣得到铝钨钽合金锭98.9kg。
对合金锭按图2多点取样，实验结果如下表：
观察上表发现铝钨钽合金中W、Ta元素偏析<0.8wt％，杂质元素氧氮远低于常规铝钨钽合金(如对比例1中氧、氮明显高于实施例1铝钨钽合金中氧、氮含量)，合金纯净度高，均匀性好。
实施例2
一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，包括以下步骤：
将五氧化二钽100kg、铝粉73kg、氯酸钾40kg按比例混合均匀后，装于由刚玉转搭建成的熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钽合金锭117.1kg，将合金锭喷砂机喷砂处理68min，去除合金锭表层氧化铝，合金锭表面呈金属光泽，得到铝钽合金锭114.2kg，将铝钽合金锭转入手套箱，抽真空后，通氩气至常压，开始车屑，车刀牌号为W2Mo9Cr4VCo8，速度为2.5cm/s，得到粒度在0.4cm*0.3cm*0.03cm的铝钽合金屑；
将39.1kg三氧化钨、26铝粉、52.1kg铝钽合金屑充分混匀后装入真空铝热炉水冷坩埚中关闭炉体，开启机械泵，抽真空至炉内气压为400Pa，开启循环水，水温70℃，循环5min，喷镁(75wt％)高锰酸钾混合物料4.5s，点燃物料发生真空铝热反应，反应发生19s后开启罗茨泵至真空度为39Pa，反应70s降温后，更换冷凝水源，水温18℃，降温1.6h后开炉、除渣得到铝钨钽合金锭99.1kg。
对合金锭按图2多点取样，实验结果如下表：
观察上表发现铝钨钽合金中各元素在合金均匀性较好，偏析程度低，杂质元素氧氮远低于常规铝钨钽合金，合金纯净度高。
为了进一步证明本发明的有益效果以更好地理解本发明，通过以下对比例进一步阐明本发明公开的技术特点，但不可理解为对本发明的限定。对于本领域的技术人员根据上述发明内容所作的其他不含创造性工作的改进，也视为落在本发明的保护范围内。
对比例1
将五氧化二钽40.8kg、三氧化钨40.3kg、铝粉69kg、氯酸钾16.32kg按比例混合均匀后，装于由刚玉转搭建成的熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钨钽合金锭97.4kg
对合金锭按图2多点取样，实验结果如下表：
观察上表发现铝钨钽合金中W元素偏析在3.8wt％左右，Ta的偏析在7wt％左右，合金锭偏析严重，杂质元素氧氮含量远高于实施例1，合金纯净度差。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将五氧化二钽、铝粉、氯酸钾混合后装于熔池中，以镁条点燃，降温后得到铝钽合金锭，随后在手套箱中将合金锭车成屑状，待用；
(2)将步骤(1)制备的屑状铝钽合金与三氧化钨、铝粉混匀后装入真空铝热炉中发生真空铝热反应，待反应发生后提高炉内真空度，降温、除渣制得铝钨钽合金锭，即铝钨钽三元中间合金。
2.根据权利要求1所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述铝钽合金中理论钽含量为70wt％～80wt％，铝粉与五氧化二钽的质量比为(0.6～0.8)：1，氯酸钾与五氧化二钽的质量比为0.4：1。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，对所述铝钽合金锭的表面进行喷砂处理，喷砂时间为60-150min。
4.根据权利要求3所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述手套箱中以氩气作为保护气，且所述的屑状铝钽合金粒度长宽高小于0.5cm*0.5cm*0.05cm，车刀牌号为W2Mo9Cr4VCo8，车屑速度为0.5-5cm/s。
5.根据权利要求1所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述步骤(2)中，三氧化钨、铝粉与屑状铝钽合金的质量比为(7～9):(3～9):(7～12)。
6.根据权利要求1或5所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述真空铝热反应的操作如下：
关闭炉体开机械泵，抽真空至真空度<500Pa，喷镁、高锰酸钾混合物料，开启冷凝水，水温50-70℃，循环5-10min后点燃物料发生真空铝热反应。
7.根据权利要求6所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述的镁、高锰酸钾混合物料中镁粉重量占比为70-80wt％，喷粉时间为3-6s。
8.根据权利要求1或7所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述真空铝热反应发生后15-25s开启罗茨泵，以提高真空度至50Pa以下。
9.根据权利要求1或7所述的一种铝钨钽三元中间合金的生产方法，其特征在于，所述的降温操作：待真空铝热反应发生60～75s后，更换水冷铜坩埚冷凝水源，冷凝水温度<20℃。
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