一种钛合金的制取方法技术

一种钛合金的制取方法，按以下步骤进行：(1)准备溶剂、反应物和还原剂作为原料，溶剂为冰晶石或含钛冰晶石，反应物为氧化物，还原剂为铝粉；(2)将全部原料混磨压制成团块料，置于还原炉中进行铝热还原反应，反应结束后，冷却至常温，铝基合金熔体和冰晶石熔体分别在下层和上层凝固；(3)将铝基合金制成粉体后与氟钛酸钠粉料混磨压制成团块料，置于还原炉中进行铝热还原反应，生成钛合金和含钛冰晶石之后在真空条件下蒸馏，获得多孔状的钛合金。本发明专利技术制得的海绵状钛合金可经球磨后制成粉状钛合金。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金的制取方法
本专利技术属于冶金
，特别涉及一种钛合金的制取方法。
技术介绍
钛合金以其具有轻度高、质量轻、耐腐蚀性好，耐热性高等特点广泛应用于各个领域，特别是航空航天领域和舰船交通运输领域；目前钛合金是在海绵钛或钛粉中加入一种或几种其他合金元素，通过真空熔炼的方法制取的，特别是当以海绵钛为原料制取钛合金时，为了得到成分均匀的钛合金，需要两次或两次以上的重熔过程，其工艺过程流程长，而且成本高。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种钛合金的制取方法，以除钛和铝以外的合金元素的氧化物和冰晶石，或除钛和铝以外的合金元素的氧化物和含钛的冰晶石为原料，通过铝热还原制取除钛之外的合金元素的铝基合金，或含有钛及合金元素的铝基合金，再以这种铝基合金中的铝还原氟钛酸钠，制取钛合金，简化工艺的同时降低生产成本。本专利技术的方法按照以下步骤进行：1、准备溶剂、反应物和还原剂作为原料，其中溶剂为冰晶石或含钛冰晶石，反应物为氧化物，还原剂为粒度粒度≤100目的铝粉；所述的氧化物为MxOy，其中的元素M是所准备制取的钛合金中除钛和铝以外的合金元素；所述的冰晶石中NaF/AlF3摩尔比为1.5～3.0；2、将全部原料加入混磨机进行混磨后压制成团块料；将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和1000～1500℃条件下进行铝热还原反应，使氧化物MxOy被铝还原成金属元素并溶于铝熔体中，形成含有元素M的铝基合金熔体，或者形成含有钛和元素M的铝基合金熔体，还原反应生成的氧化铝溶解到冰晶石熔体中，形成溶有氧化铝的冰晶石熔体；铝热还原反应结束后，还原产物冷却至常温，铝基合金熔体和冰晶石熔体分别在下层和上层凝固，将下层的铝基合金和上层的含氧化铝的冰晶石分离；3、将铝基合金制成粒度≤100目的粉体，然后与氟钛酸钠粉料混磨后压制成团块料，将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和900～1200℃条件下进行铝热还原反应，团块料中的铝将氟钛酸钠中的钛还原出来生成钛合金和含钛冰晶石；铝热还原反应结束后在1000～1200℃和真空条件下进行蒸馏，将含钛冰晶石蒸馏分离出去，获得海绵状的钛合金。上述方法的步骤3中所蒸馏出来的含钛冰晶石可作为步骤1的原料使用。上述方法中，步骤2中的铝热还原反应的反应式为：MxOy+2y/3Al＝xM+y/3Al2O3(1)。上述方法中，所述的含钛冰晶石由含钛成分和冰晶石成分组成，其中冰晶石成分的NaF/AlF3摩尔比为1.5～3.0，含钛成分为TiF3、Na3TiF6、Na2TiF6和/或金属钛。上述方法中，步骤3的铝热还原反应的主要反应式为：3Na2TiF6+4Al＝3Ti+Na3AlF6+3NaAlF4(2)或3Na2TiF6+4Al＝3Ti+Na3AlF6+6NaF+4AlF3(3)；副反应的反应式为：Na2TiF6＝2NaF+TiF4(4)、3TiF4+Al＝3TiF3+AlF3(5)和/或TiF3+3NaF＝Na3TiF6(6)。上述方法中，步骤3铝热还原生成的三价钛的氟化物TiF3与冰晶石一起被蒸馏出来的过程中，部分TiF3可发生歧化反应生成TiF4和Ti，其反应式为：4TiF3＝3TiF4+Ti(7)和TiF4+2NaF＝Na2TiF6(8)；因此上述方法中，步骤3中蒸馏出的含钛冰晶石含有含钛成分和冰晶石成分，含钛成分主要以TiF3、Na3TiF6、Na2TiF6和金属Ti的形式存在,而其中的Ti和Na2TiF6主要是由钛的低价氟化物的歧化反应生成的。上述方法中，步骤1中铝的配料用量，照给定的想要制取的m质量的钛合金以及合金元素的质量百分比进行计算；步骤1中铝的配料量Al包括如下几个部分的铝需求量之和：1)还原给定质量的钛合金中除钛和铝之外的各合金元素的氧化物按化学反应方程式(1)所需的铝量Al12)如果钛合金中的合金元素有铝，则此部分铝的配量Al0计算公式为：Al0＝a0m(9)；式中a0为m质量钛合金中合金元素Al所占的质量百分比，单位为％。3)用于化学反应方程式(2)铝热还原获取m质量钛合金中所需铝量Al2的计算公式为：Al2＝(108×mTi)/(144×η)(10)；式中η为按反应式(2)还原Na2TiF6制取钛的过程中钛的实收率；mTi为所要制取质量为m的钛合金中钛的质量式(10)中mTi按下述方式计算：mTi＝m–m(a0+a1+a2+a3+……)(11)；式中a0，a1，a2，a3，……分别为钛合金中铝元素和除钛和铝之外的其他合金元素在钛合金中的质量百分比，单位为％。当步骤1使用含钛冰晶石作为溶剂时，步骤2所制取的铝基合金，为含有钛和其它合金元素的铝基合金，设此铝基合金中的金属Ti的含量为mTi0，则式(11)中mTi按下述方式计算：mTi＝m–m(a0+a1+a2+a3+……)-mTi0(12)；4)当在步骤1中使用含钛冰晶石作为溶剂时，设含钛冰晶石中所含钛元素的质量百分数为r，含钛冰晶石的配入量为W，则含钛冰晶石中的钛元素含量计算公式为：mTi0＝rW(13)；根据化学反应式(4)-(8)铝热还原副反应的机理以及副反应产物歧化反应的机理，可以认为含钛冰晶石中的钛主要是由钛的三价氟化物以及钛的三价氟化物的歧化反应的产物所组成；因此可以认为rW按三价钛计算，计算铝热还原含钛冰晶石中的钛所用的铝量Al3可按化学反应式(14)和(15)计算：TiF3+Al＝Ti+AlF3(14)；则Al3的计算式为：Al3＝9m0Ti/16＝9rM/16(15)；则全铝用量的计算式为：则Al＝Al0+Al1+Al2+Al3(16)。上述方法中，步骤3中Na2TiF6的配料量Q按照化学反应式(2)计算式为：Q＝13mTi/3η(17)。上述方法中，步骤1中，当使用冰晶石作为熔剂时，其冰晶石的分子比为1.5～3.0，冰晶石的配入量应保证按反应式(1)反应生成的氧化铝溶解于冰晶石熔体时，其浓度要小于在还原温度下的氧化铝的饱和浓度。上述方法中，由于原料杂质的存在以及步骤3的铝热还原氟钛酸钠的反应过程中，某些因素的影响不可完全定量地预测，以及可能的Na2TiF6在高温蒸发过程中的部分损失量不可预测，可能会使按上述理论计算出来的铝的配料量和氟钛酸钠的配料量有误差，这可能会对产品成分的质量百分数与预计的结果有所误差；如出现这种情况可对配料进行适当修正以达到产品的质量和成分达到标准。本专利技术的方法制得的海绵状钛合金经球磨后可制成粉状的钛合金。具体实施方式本专利技术实施例中采用的氟钛酸钠为试剂级氟钛酸钠。本专利技术实施例中采用的铝粉为市购的工业级铝用空气吹制的铝粉。本专利技术实施例中采用的氧化钒、氧化锆和氧化钼为市购工业纯级产品。本专利技术实施例中所用含钛冰晶石中的钛以TiF3、Na3TiF6、Na2TiF6和金属Ti的形式存在。本专利技术实施例中采用的冰晶石为市购铝电解工业用的冰晶石。本专利技术实施例中采用的混磨设备为内装有刚玉氧化铝球的球磨机。本专利技术实施例中采用的压团设备为实验室用5吨级模压机设备。本专利技术实施例中获得的海绵状的钛合金为Ti-6Al-4V合金、Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V合金，其合金元素的质量分数按行业标准给定。本专利技术实施例中的真空条件为真空度小于0.3Pa。本专利技术实施例中用于各步骤中铝热还原所用的团块料大小为Φ50mm×50mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钛合金的制取方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备溶剂、反应物和还原剂作为原料，其中溶剂为冰晶石或含钛冰晶石，反应物为钛合金的合金元素的氧化物，还原剂为粒度≤100目的铝粉；所述钛合金的合金元素的氧化物为MxOy，其中的元素M是所准备制取的钛合金中除钛和铝以外的合金元素；所述的冰晶石中NaF/AlF3摩尔比为1.5～3.0；(2)将全部原料加入混磨机进行混磨后压制成团块料；将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和1000～1500℃条件下进行铝热还原反应，使氧化物MxOy被铝还原成金属元素溶于铝熔体中，形成含有元素M的铝基合金熔体，或者形成含有钛和元素M的铝基合金熔体，还原反应生成的氧化铝溶解到冰晶石熔体中，形成溶有氧化铝的冰晶石熔体；铝热还原反应结束后，还原产物冷却至常温，铝基合金熔体和冰晶石熔体分别在下层和上层凝固，将下层的铝基合金和上层的含氧化铝的冰晶石分离；(3)将铝基合金制成粒度≤100目的粉体，然后与氟钛酸钠粉料混磨后压制成团块料，将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和900～1200℃条件下进行铝热还原反应，团块料中的铝将氟钛酸钠中的钛还原出来生成钛合金和含钛冰晶石；铝热还原反应结束后在1000～1200℃和真空条件下进行蒸馏，将含钛冰晶石蒸馏分离出去，获得海绵状的钛合金。...

【技术特征摘要】
1.一种钛合金的制取方法，其特征在于按以下步骤进行：(1)准备溶剂、反应物和还原剂作为原料，其中溶剂为冰晶石或含钛冰晶石，反应物为钛合金的合金元素的氧化物，还原剂为粒度≤100目的铝粉；所述钛合金的合金元素的氧化物为MxOy，其中的元素M是所准备制取的钛合金中除钛和铝以外的合金元素；所述的冰晶石中NaF/AlF3摩尔比为1.5～3.0；(2)将全部原料加入混磨机进行混磨后压制成团块料；将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和1000～1500℃条件下进行铝热还原反应，使氧化物MxOy被铝还原成金属元素溶于铝熔体中，形成含有元素M的铝基合金熔体，或者形成含有钛和元素M的铝基合金熔体，还原反应生成的氧化铝溶解到冰晶石熔体中，形成溶有氧化铝的冰晶石熔体；铝热还原反应结束后，还原产物冷却至常温，铝基合金熔体和冰晶石熔体分别在下层和上层凝固，将下层的铝基合金和上层的含氧化铝的冰晶石分离；(3)将铝基合金制成粒度≤100目的粉体，然后与氟钛酸钠粉料混磨后压制成团块料，将团块料置于还原炉中，在氩气气氛和900～1200℃条件下进行铝热还原反应，团块料中的铝将氟钛酸钠中的钛还原出来生成钛合金和含钛冰晶石；铝热还原反应结束后在1000～1200℃和真空条件下进行蒸馏，将含钛冰晶石蒸馏分离出去，获得海绵状的钛合金。2.根据权利要求1所述的一种钛合金的制取方法，其特征在于步骤(2)中的铝热还原反应的反应式为：MxOy+2y/3Al＝xM+y/3Al2O3(1)。3.根据权利要求1所述的一种钛合金的制取方法，其特征在于步骤(1)所述的含钛冰晶石由含钛成分和冰晶石成分组成，其中冰晶石中NaF/AlF3摩尔比为1.5～3.0，含钛成分为TiF3、Na3TiF6、Na2TiF6和/或金属钛。4.根据权利要求1所述的一种钛合金的制取方法，其特征在于上述方法中，步骤(3)的二次铝热还原反应的主要反应式为：3Na2TiF6+4Al＝3Ti+Na3AlF6+3NaAlF4(2)或3Na2TiF6+4Al＝3Ti+Na3AlF6+3NaF+3AlF3(3)；副反应的反应式为：Na2TiF6＝2NaF+TiF4(4)、3TiF4+Al＝3TiF3+AlF3(5)和/或TiF3+3NaF＝Na3TiF6(6)。5.根据权利要求1所述的一种钛合金的制取方法，其特征在于步骤(3)中的铝热还原反应中所生成的Na3AlF6和NaAlF4分别被称为NaF/AlF3摩尔比为1.0和3.0的冰晶石；或者被称为NaF/AlF3摩尔比不同的冰晶石。6.根据权利要求1所述的一种钛合金的制取方法，其特征在于步骤(3)的铝热反应所生成的三价钛的氟化物TiF3与冰晶石一起被蒸馏出来的过程中部分TiF3发生歧化反应生成TiF...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯乃祥，
申请(专利权)人：沈阳北冶冶金科技有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21