一种低成本钛合金制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低成本钛合金的制备方法。通过不脱钒、完全脱氧或部分脱氧工艺获得低氧或含氧、含钒精制四氯化钛，以低氧或含氧、含钒精制四氯化钛为原料，制备氧0.06

【技术实现步骤摘要】
一种低成本钛合金制备方法


[0001]本专利技术涉及钛及钛合金的熔炼，属于有色金属熔铸及加工
，尤其涉及一种低成本钛合金制备方法。

技术介绍

[0002]钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁性、低阻尼、高低温性能好、生物相容性好等优点，并具有超导、形状记忆和储氢特性，在航空航天、潜艇舰船、火电核电、海洋工程、冶金化工、医学及体育休闲领域广泛应用，是当代最具技术魅力的金属材料，被人们美誉为“太空金属
””
、“海洋金属”，是21世纪重要的战略金属。
[0003]尽管钛合金具有质轻、高强、耐热、耐腐、无磁性和良好的生物兼容性等优点，目前，钛及钛合金的应用仍然主要局限于航空航天、军工舰船以及特殊的化工耐蚀领域。虽被美誉为“第三金属”，全世界的年总用量仍然不足20万吨。影响钛合金广泛应用的主要障碍仍然是成本。高昂的原料成本、高昂的加工费用是制约钛合金广泛应用的关键。海绵钛是高耗能产业，生产每吨海绵钛的综合能耗高达34000度电，需要4.4吨纯度达到99.94%左右的精制TiCl4。钛合金中的很多合金元素属于稀有金属、甚至贵金属，钒、铌、钽、钨、钼、锆、钯、镍等是钛合金中的主要合金元素，大大推高了钛合金的原料成本。钛合金需要在高温、高真空的特殊条件下反复熔铸，制得的合金锭塑性很差，后续的加工工艺流程长，加工过程复杂，加工成才率低下，加工成本极高。以最早开发、最典型、应用最广泛的TC4合金为例，其名义成分为Ti-6Al-4V，钒的名义含量4%。海绵钛的价格为70000元/吨，钒的价格为2300000元/吨，熔铸每吨TC4合金需要花费95000元购置合金元素钒，合金元素的成本远远超出基体金属钛的成本。以美国军品市场钛制品价格为例，当海绵钛价格为4000美元/吨时，钛制品的价格为40000美元/吨。我国2011年海绵钛平均价格在60000元/吨左右，高端钛制品的平均价格达到400000元/吨。目前，高昂的原料成本和高昂的制造成本，使得高端钛制品的价格提升到海绵钛价格的6-10倍。
[0004]钒和铝是国内外现有钛合金的主要合金元素，氧的作用与铝相同。以我国现行《钛及钛合金牌号和化学成分》国家标准GB/T3620.1-2007为例，共收录了67种钛合金，有23种合金中含有金属钒，含量范围在0.5%-16.0%之间，多数合金的钒含量在3.5%以上，仅有3种合金的钒含量低于1%。在余下的44种合金中，有41种合金部分地或者全部地以低价金属（钒的价格比钼高10倍,比镍高20倍）Mo、Ni、Fe、Si、Cu代替贵金属V。Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的钛合金，现在正在使用的钛合金中，有超过80%的合金是由Ti-6Al-4V合金衍生而来，钒是钛合金家族中最重要的合金元素。
[0005]铝和氧在钛合金中都是作为α相的稳定元素，扩大α相区。中国和俄罗斯将铝作为α相的稳定剂使用，而将氧作为杂质进行控制。在我国国家标准收录的67种钛合金中，有57种合金将铝作为主要合金元素，铝的含量在0.4%-8.35%之间，仅有一种合金铝含量低于1%，多数合金的铝含量在3%以上。
[0006]我国钛资源以钒钛磁铁矿为主，现有的钛冶金工艺，消耗大量的人力、物力、财力脱除钛精矿、高钛渣冶炼、高钛渣、粗TiCl4中的钒，最后得到含钒量极低的海绵钛。在随后的钛合金加工过程中，需要花费大量的成本购进贵金属钒和铝，使得海绵钛和钛合金的制造成本大幅升高，严重影响钛合金制品广泛应用，制约钛产业的发展。
[0007]为此，专利技术《一种低成本海绵钛制备方法》,该方法采用在精制四氯化钛时不脱钒的工艺,或者采用给钛精矿中加钒，在精制四氯化钛时不脱钒的工艺，制取含钒或者富钒的海绵钛，将钒冶金、钛冶金、钒钛合金化等三个工艺过程，合并在一个工艺过程中完成，既降低了能耗和成本，又回收了矿石中的贵金属钒。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的就是针对上述已有技术存在的不足，提供一种低成本钛合金的制备方法。
[0009]上述目的是通过下述方案实现的：本专利技术的技术路线为：以含钒的低成本海绵钛为原料，或者以富钒低成本海绵钛为原料或者中间合金，或者以含氧含钒的低成本海绵钛为原料，或者以含氧富钒的低成本海绵钛为原料或者中间合金。采用电子束冷床炉熔炼技术，或者等离子体冷床炉熔炼技术，或者水冷坩埚中频感应熔炼技术，或者真空自耗电弧熔炼技术，或者电子束冷床炉熔炼技术、等离子体冷床炉熔炼技术、水冷坩埚中频感应熔炼技术、真空自耗电弧熔炼技术中的两种或者三种进行组合，熔炼、铸造钛合金高品质铸锭。
[0010]一种低成本钛合金制备方法，其特征在于：本方法以《一种低成本海绵钛制备方法》所制备的含钒海绵钛为原料，或者富钒海绵钛为原料，或者含氧含钒海绵钛为原料，或者含氧富钒海绵钛为原料。该含钒海绵钛是通过不脱钒的工艺获得，或者通过给钛精矿中加钒，在精制四氯化钛时不脱钒的工艺获得。所制备的海绵钛的钒含量在0.20%-6.0%之间。由于该工艺将钒冶金、钛冶金、钒钛合金化等三个工艺过程，合并在一个工艺过程中完成，钒是通过资源综合利用获得的，且具有工艺流程短的特点，钛和钒的制造成本均极大地降低。可以极大地降低钛和钒的采购成本，从而降低钛合金的制造成本。以生产TC4合金为例，可以降低原料采购成本90000元/吨左右（钛以70000元/吨计算）。
[0011]根据上述方法，其特征在于：本方法以完全脱氧、不脱钒工艺制备的含钒海绵钛，或者富钒海绵钛为原料，制备含钒的钛合金，满足低氧，或者超低间隙氧合金制备对原料的要求。
[0012]根据上述方法，其特征在于：本方法以部分脱氧、不脱钒工艺所制备的含氧含钒海绵钛为原料，或者含氧富钒海绵钛为原料，利用海绵钛原料带入的微量间隙氧作为合金α相稳定剂，所制备的含氧海绵钛的氧含量在0.06-0.6%之间。1kg氧的α相稳定作用与10kg铝相当，而铝当量不足的差额，以双零工业纯铝，或者钛铝中间合金补足。由于氧是通过海绵钛不脱钒工艺过程带入，在海绵钛中分布均匀，替代铝以后可以降低铝的采购成本。特别是，钛合金需要在高温、高真空的条件下反复熔炼（熔铸2-4次），熔炼温度高达4700-20000℃，低熔点合金元素铝在极端高温和高真空条件下，挥发损失极大，采用以氧部分替代铝，可以降低铝的添加量、减少熔铸时的铝的氧化、挥发损失，节约原料成本。合金成分更容易控制。
[0013]根据上述方法，其特征在于：本方法在熔铸α合金、近α合金、α+β合金、β合金、亚稳β
合金时，可以选用的原料配料原则如下：
⑴
在熔铸航空钛材、耐热合金等特殊用途的铸锭坯料时，以含钒或者富钒的海绵钛为原料，含钒或者富钒的海绵钛中的钒作为β相稳定剂。当含钒或者富钒的海绵钛中的钒含量超过目标合金（待熔铸的合金）中的钒含量时，以不含钒的海绵钛作为补充原料。当含钒或者富钒的海绵钛中的钒含量低于目标合金（待熔铸的合金）中的钒含量时，以钛钒中间合金补充钒的不足。以钛铝中间合金，或者双零电解铝作为α相稳定剂。
[0014]⑵
在熔铸一般用途的无铝低钒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低成本钛合金的制备方法,其特征在于：通过不脱钒、完全脱氧或部分脱氧工艺获得低氧或含氧、含钒精制四氯化钛，以低氧或含氧、含钒精制四氯化钛为原料，制备氧0.06-0.6%、钒0.20%-6.0%海绵钛，以低氧或含氧、含钒低成本海绵钛为原料，熔炼、铸造高品质钛合金铸锭。2.根据权利要求1，其特征在于：在熔铸α合金、近α合金、α+β合金、β合金、亚稳β合金时，可以选用的原料配料原则如下：
⑴
在熔铸航空钛材、耐热合金等特殊用途铸锭时，以含钒海绵钛为原料，含钒海绵钛中钒作为β相稳定剂；当含钒海绵钛钒含量超过目标合金（待熔铸合金）钒含量时，以不含钒海绵钛作为补充原料；当含钒海绵钛钒含量低于目标合金（待熔铸合金）钒含量时，以钛钒中间合金补充钒的不足；以钛铝中间合金，或电解铝作为α相稳定剂；
⑵
在熔铸一般用途无铝低钒（钒含量低于2.5%）钛合金铸锭时，以含钒海绵钛为原料，以钛钒中间合金补充钒不足，以不含钒海绵钛作为补充原料；
⑶
在利用含氧海绵钛作为原料进行钛合金配料时，以含氧海绵钛中元素氧部分替代合金中α稳定元素铝，确保配制成合金中铝和氧满足：，式中，A为铝摩尔分数，B为氧摩尔分数；
⑷
在熔铸一般用途含铝、低钒（钒含量低于2.5%）钛合金铸锭时，以含钒海绵钛为原料，或以含氧、含钒海绵钛为原料，以不含钒海绵钛作为补充原料；含氧海绵钛铝当量不足时，以钛铝中间合金作为α相稳定剂补充不足差额，或以电解铝锭补充铝当量的不足；
⑸
在熔铸一般用途无铝中高钒含量（钒含量达到2.5%以上）钛合金铸锭时，以含钒海绵钛为原料，以不含钒海绵钛作为补充原料，以钛钒中间合金补充钒的不足；
⑹
熔铸一般用途含铝中高钒含量（钒含量达到2.5%以上）钛合金铸锭时，以含钒海绵钛为原料，以不含钒海绵钛作为补充原料；含氧海绵钛铝当量不足时，以钛铝中间合金作为α相稳定剂补充不足；
⑺
在合金性能容许、成本容许情况下，可以以低成本含钒海绵钛中的钒，部分替代钛合金中的镍或钼或铌或钽；铝当量不足时，以电解铝锭或钛铝中间合金作为α相稳定剂补充不足；
⑻
在合金性能容许的情况下，可以...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺永东，高翔，孙郅程，
申请(专利权)人：新疆大学，
类型：发明
国别省市：