【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于铌合金制备领域，具体涉及一种高品质铌基合金铸锭的制备方法。
技术介绍
1、铌锆合金是将金属锆添加入金属铌中所形成的合金。铌中引入锆后，在不影响合金塑性和加工性能的同时，具有提高合金的强度、改善合金的抗氧化性和抗碱金属腐蚀性等作用。作为典型代表的nb-1zr合金，是在铌中添加了约0.8～1.2wt％的锆，因与陶瓷等材料之间具有良好焊接性，形成的结构件耐高温性、抗热震性和耐钠离子腐蚀等性能优异，在航空航天、原子能反应堆、新型电光源钠灯等领域均有应用需求。
2、目前，nb-1zr合金锭有两种主流生产工艺：(1)采用自耗电弧炉、电子束炉或两者联合熔炼工艺制备合金锭，此方法的合金化过程主要依靠熔融扩散，存在元素分布不均匀问题；(2)通过混合铌粉和锆粉压制烧结成合金锭，此方法制备的合金纯度不够，杂质含量较高。
3、专利cn111604498b公开了一种铌锆合金粉末的制备方法，以解决传统制备铌锆合金粉末时，采用熔炼法使其合金化后再采用氢化脱氢的方式存在固有的锆元素分布不均的问题。然而此方法具有一定弊端：铌粉和锆粉的成本高，混合压制粉分段烧结的工艺参数极为复杂，氢化处理安全隐患大。专利cn103498062b公开了一种铌锆10合金的制备方法，即，将锆条紧附在铌锭上，在真空充氩焊箱内制成铌锆复合锭后在真空自耗炉内熔炼两次，冷却后得到铌锆10合金。但此方法也具有一定弊端：铌粉和原子能级海绵锆的成本高，锆板制备涉及到提纯、化锭、锻造、热轧、冷轧等工序较多，没有试验数据能证实其获得合金的成分均匀性。
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技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提供了一种高品质铌基合金铸锭的制备方法，重点解决现有nb-1zr合金生产成本较高、生产效率较低、氧氮等杂质含量较多、成分均匀性较差的难点问题。
2、为了达到上述技术目的，本专利技术公开的技术方案如下：
3、一种高品质铌基合金铸锭的制备方法，所述方法具体包括如下步骤：
4、1)以铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂、造渣剂等作为原料，将原料置于真空铝热炉内。
5、2)对真空铝热炉进行反应前预处理，然后进行铝热还原反应，冷却，出炉，处理得到铝铌锆合金铸锭；
6、3)对由步骤2)获得的铝铌锆合金铸锭进行破碎，得到厘米级小块；
7、4)将由步骤3)获得的铝铌锆合金小块置于真空电子束水平炉中进行熔炼，冷却得到铌锆合金铸锭；
8、5)对由步骤4)获得的铌锆合金铸锭进行剪切，得到厘米级小块；
9、6)将由步骤5)获得的铌锆合金小块置于等离子熔炼炉中，预处理，熔炼，冷却得到成分均匀的nb-1zr合金铸锭。
10、可选地，步骤1)中，所述发热剂选用氯酸钾，其目的在于，氯酸钾作为强氧化剂可与铝发生剧烈氧化还原反应，过程中放出的大量热作为冶金反应体系的辅助热源，达到自热反应、合成和分离的作用。所述造渣剂选用氧化钙，其目的在于，铝热还原法的渣系为熔点较高的氧化铝基渣系，廉价易得的氧化钙可与氧化铝结合生成铝酸钙等低熔点复合氧化物，可提高熔融渣的流动性，使合金液与渣实现良好分离。
11、且，所述铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、氯酸钾和氧化钙的纯度分别大于99.8wt.％、99.6wt％、99.5wt.％、99.8wt.％、98.5wt.％。其目的在于，通过减少原材料中的杂质含量来降低后续熔炼提纯环节的复杂程度。所述铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、氯酸钾和氧化钙的质量比为(2.3～2.7)：(6.8～7.4)：(0.05～0.15)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)。
12、且，所述将原料置于真空铝热炉内，即，将铝粉、五氧化二铌、二氧化锆和氧化钙均匀混合，置于真空铝热炉内的铜质坩埚中，然后将氯酸钾置于混合物最上层中心处，接着使用镍铬电阻丝将炉体电路系统引出的两条铝丝连接，电阻丝紧靠氯酸钾粉末区域。其目的在于，后续启动点火器会造成电阻丝发热，激发氯酸钾与铝的反应，体系温度急剧升高，促使铝热还原反应发生。
13、可选地，步骤2)中，所述反应前预处理，即，将原料置于真空铝热炉内之后，需抽真空至10～50pa，然后停止抽真空，开始充氩气。所述进行铝热还原反应，即，充氩气至真空度约为100～400pa时，启动点火器放电，经过5～30min后，开始抽真空，同时冷却。所述冷却，需要炉内冷却6～12h。所述处理，即，将合金锭表面的渣除掉，得到铝铌锆合金锭。
14、且，所述铝铌锆合金锭，质量为280～350kg，杂质o含量低于0.03wt.％，杂质n含量低于0.001wt.％。
15、可选地，步骤3)中，所述破碎方式为人工砸，所述厘米级小块的边缘尺寸为10～60mm。选择此尺寸的目的在于，既不会因为尺寸太小造成后续电子束熔炼时发生严重喷溅，导致铸锭成分偏离设计目标，又不会因为尺寸太大造成电子束熔炼时发生成分与组织分布不均匀，导致品质变差。
16、可选地，步骤4)中，所述真空电子束水平炉的熔炼功率为250～340kw，熔炼速度为40～70kg/h，熔炼真空度为0.01～0.06pa，冷却时间为6～12h，熔炼次数为1～3次。选择此参数是为了保证由步骤4)制备得到的铌锆合金铸锭中，最主要杂质元素符合国标，即c≤0.01wt.％、n≤0.01wt.％、h≤0.0015wt.％、o≤0.025wt.％，其它杂质元素尽可能低。
17、可选地，步骤5)中，所述剪切为通过液压闸式剪板机剪切，所述厘米级小块的边缘尺寸为50～100mm。选择此尺寸的目的在于，提升后续等离子炉中的熔炼效率。
18、可选地，步骤6)中，所述预处理，即，烘炉、引弧、通气，待等离子弧稳定。所述熔炼，即，控制操作功率为35～60kw、氩气流量为500～1000l/h，炉料全部熔化后，精炼20～50min，然后停电提升等离子枪，浇铸于锭模。选择此参数的目的在于，降低能源消耗、提升设备利用率、提高铸锭成分和组织的均匀性。所述成分均匀，即，随机抽取位置的杂质元素成分含量接近，ta元素极差≤0.05wt.％，其它元素极差≤0.005wt.％。所述nb-1zr合金铸锭的杂质化学成分满足：c≤0.01wt.％、n≤0.01wt.％、h≤0.0015wt.％、o≤0.025wt.％、fe≤0.005wt.％、ni≤0.005wt.％、mo≤0.005wt.％、ta≤0.25wt.％、cr≤0.005wt.％、cu≤0.01wt.％、w≤0.005wt.％、ti≤0.005wt.％、si≤0.005wt.％。
19、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术提供了一种高品质铌基合金铸锭的制备方法，具有如下优异效果：
20、1)本专利技术第一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂、造渣剂的纯度分别大于99.8wt.％、99.6wt.％、99.5wt.％、99.8wt.％、98.5wt.％，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂与造渣剂的质量比为(2.3～2.7)：(6.8～7.4)：(0.05～0.15)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)。
3.根据权利要求1或2所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述发热剂为氯酸钾，所述造渣剂为氧化钙；于真空铝热炉内，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂与造渣剂的放置操作为：将铝粉、五氧化二铌、二氧化锆和造渣剂均匀混合，置于真空铝热炉内的铜质坩埚，然后将发热剂置于混合物最上层中心处，接着使用镍铬电阻丝将炉体电路系统引出的两条铝丝连接，电阻丝紧靠氯酸钾粉末区域。
4.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，真空铝热还原反应操作为：将原料
5.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，铝铌锆合金铸锭需要人工砸至边缘尺寸为10～60mm后，才放入真空电子束水平炉中。
6.根据权利要求1或5所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，熔炼与提纯的操作为：熔炼功率为250～340kW，熔炼速度为40～70kg/h，熔炼真空度为0.01～0.06Pa，冷却时间为6～12h，熔炼次数为1～3次。
7.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，铌锆合金需通过液压闸式剪板机剪切至边缘尺寸为50～100mm后，才放入等离子熔炼炉中。
8.根据权利要求1或7所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，等离子熔炼炉的操作为：烘炉、引弧、通气，待等离子弧稳定开始熔炼，控制操作功率为35～60kW、氩气流量为500～1000L/h，炉料全部熔化后，精炼20～50min，然后停电提升等离子枪，浇铸于锭模。
9.根据权利要求1-8任一项所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述Nb-1Zr合金铸锭中，随机抽取位置的杂质元素成分含量接近，即，Ta元素极差≤0.05wt.％，其它元素极差≤0.005wt.％，随机抽取位置的杂质元素成分均在Nb-1Zr合金设计含量范围内，即：C≤0.01wt.％、N≤0.01wt.％、H≤0.0015wt.％、O≤0.025wt.％、Fe≤0.005wt.％、Ni≤0.005wt.％、Mo≤0.005wt.％、Ta≤0.25wt.％、Cr≤0.005wt.％、Cu≤0.01wt.％、W≤0.005wt.％、Ti≤0.005wt.％、Si≤0.005wt.％。
...【技术特征摘要】
1.一种高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂、造渣剂的纯度分别大于99.8wt.％、99.6wt.％、99.5wt.％、99.8wt.％、98.5wt.％，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂与造渣剂的质量比为(2.3～2.7)：(6.8～7.4)：(0.05～0.15)：(0.1～0.2)：(0.1～0.2)。
3.根据权利要求1或2所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述发热剂为氯酸钾，所述造渣剂为氧化钙；于真空铝热炉内，铝粉、五氧化二铌、二氧化锆、发热剂与造渣剂的放置操作为：将铝粉、五氧化二铌、二氧化锆和造渣剂均匀混合，置于真空铝热炉内的铜质坩埚，然后将发热剂置于混合物最上层中心处，接着使用镍铬电阻丝将炉体电路系统引出的两条铝丝连接，电阻丝紧靠氯酸钾粉末区域。
4.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，真空铝热还原反应操作为：将原料置于真空铝热炉之后，抽真空至10～50pa，停止抽真空，充氩气至真空度为100～400pa时，启动点火器放电，经过5～30min后，开始抽真空，同时炉内冷却6～12h。
5.根据权利要求1所述高品质铌基合金铸锭的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，铝铌锆合金铸锭需要人工砸至边缘尺寸为10～60mm后，才放入真空电子束水平炉中。
【专利技术属性】
技术研发人员：王巍，张登魁，刘强，刘志彬，朱嘉琪，李晓冉，孟旭，孔维雄，王磊，张一博，佟立凯，
申请(专利权)人：承德天大钒业有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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