从钛矿石直接制备TiAl合金的方法与流程

本发明属于冶金技术和轻合金技术领域，具体涉及一种从钛矿石直接制备tial合金的方法。

背景技术

tial合金具有低密度、高比强、良好的高温性能以及优异的抗氧化性能等优点，是以克为减重单位的航空航天高温用，特别是发动机用最佳候选材料。美国ge公司成功利用ti-48al-2cr-2nb(4822)合金研制了波音飞机后两级低压涡轮叶片，使飞机减重200kg左右。因此，tial合金在航空航天领域有巨大的应用潜力，开发适合工业化生产的tial合金制备技术具有重要意义。

传统的tial合金制备方法以海绵钛、纯铝和其他微量元素单质或化合物为原料进行熔炼，后浇铸成锭。目前工业制钛还原方法主要为kroll法和hunter法，前者使用金属镁、后者使用金属钠还原精制ticl4得到海绵钛，生产流程冗长、工序繁多、成本昂贵，导致钛铝合金的生产成本居高不下。因此发明一种利用钛矿石为原料直接制备tial合金的低成本生产方法具有巨大的应用前景和经济效益。

技术实现要素：

本发明提供了一种从钛矿石直接制备tial合金的方法，无须经过除钒工序，使用低成本的粗制ticl4就能生产成分可调的tial合金。

实现本发明的技术解决方案是：一种从钛矿石直接制备tial合金的方法，所述的tial合金，以原子百分比为计，其合金表达式为ti-aal-bm，其中,m代表nb,zr,v,cr,mo,ta,b,c,si中的一种或多种元素，40≤a≤60，0≤b≤30，其方法包括如下步骤：

(1)将高品位金红石或高钛渣，经过氯化工艺处理，并经过分馏去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体；

(2)将超过化学当量的al粉、合金元素氯化物mclx与催化剂alcl3加入到粗制ticl4液体中，混合均匀；

(3)首先在100℃～250℃反应，保温20分钟，过滤去除反应生成的vocl2沉淀；

(4)将步骤3中得到的混合物快速升温至900℃～1250℃保持20～40min，反应得tial合金，反应过程中，通过气体循环装置抽气减小alcl3蒸汽分压，并将收集到的ticlx及alcl3蒸汽冷凝后转移至步骤(3)反应中循环利用。

在本发明的一个优选实施例中，步骤(1)中，氯化工艺包括沸腾氯化、熔盐氯化、无筛板沸腾氯化等。

在本发明的一个优选实施例中，步骤(3)和(4)中，反应在真空或者ar气氛围下进行。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明以钛矿石为起始原料，且制粉的反应中间产物被循环利用，大幅降低生产成本。

(2)本发明通过合理的化学反应调控，省去了额外的除钒工序，简化生产流程，大幅降低生产成本。

(3)该方法制备工艺简单，快速高效，成本低，可应用的合金成分广泛，具有普遍适用性及推广价值。

附图说明

图1为本发明所述的从钛矿石直接制备tial合金的方法流程示意图。

具体实施方式

如图1，一种从钛矿石直接制备tial合金的方法，所述的tial合金，以原子百分比为计，其合金表达式为ti-aal-bm，其中,m代表nb,zr,v,cr,mo,ta,b,c,si中的一种或多种元素，40≤a≤60，0≤b≤30，其方法包括如下步骤：

(1)将高品位金红石或高钛渣，经过氯化工艺处理，并经过分馏去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体；

(2)将超过化学当量的al粉、合金元素氯化物mclx与催化剂alcl3加入到粗制ticl4液体中，混合均匀；

ticl4+(4+3a+xb)/3al+bmclx→ti-aal-bm+(4+bx)/3alcl3

首先在100℃～250℃反应生成ticl2/ticl3、alcl3的混合物，同时使vocl3反应生成vocl2沉淀去除，省去额外的除钒工序，反应如下：

ticl4+1/3al→ticl3+1/3alcl3

ticl4+2/3al→ticl2+2/3alcl3

vocl3+ticl3→vocl2↓+ticl4

vocl3+1/2ticl2→vocl2↓+1/2ticl4

(3)将步骤2中得到的混合物快速升温至900℃～1250℃，此时alcl3为气态，控制alcl3蒸汽分压，通过控制反应动力学，使还原反应的平衡向右移动，制得tial合金。反应过程中可多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。反应如下：

ticl3+(3+3a+xb)/3al+bmclx→ti-aal-bm+(3+bx)/3alcl3↑

ticl2+(2+3a+xb)/3al+bmclx→ti-aal-bm+(2+bx)/3alcl3↑

实施例1

制备4822合金(ti-48al-2cr-2nb)。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将6.5kg铝粉、1.1kgnbcl5、0.66kgcrcl3与5kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在220℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若nb、cr含量低于4822合金成分比例，则添加适量nbcl5和crcl3。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1000℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到4822合金。

实施例2

制备ti-45al-8nb合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将6.9kg铝粉、4.6kgnbcl5与6kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在230℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若nb含量低于ti-45al-8nb合金成分比例，则添加适量nbcl5。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1080℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-45al-8nb合金。

实施例3

制备ti-60al合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将7.7kg铝粉与6.5kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在220℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1000℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-60al合金。

实施例4

制备ti-40al-10nb合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将6.7kg铝粉、5.4kgnbcl5与6kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在230℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若nb含量低于ti-40al-10nb合金成分比例，则添加适量nbcl5。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1030℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-40al-10nb合金。

实施例5

制备ti-45al-5v-5cr-5mo合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将7.9kg铝粉、2.0kgvcl3、2.0kgcrcl3、3.4kgmocl5与6.5kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在230℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若v、cr、mo含量低于ti-45al-5v-5cr-5mo合金成分比例，则添加适量vcl3、crcl3和mocl5。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1080℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-45al-5v-5cr-5mo合金。

实施例6

制备ti-40al-10zr-10ta-10mo合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将34.2kg铝粉、7.8kgzrcl4、11.9kgtacl5、9.1kgmocl5与30kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在240℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若zr、ta、mo含量低于ti-40al-10zr-10ta-10mo合金成分比例，则添加适量zrcl4、tacl5和mocl5。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1100℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-40al-10zr-10ta-10mo合金。

实施例7

制备ti-50al-10v-5nb-5zr合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将10.4kg铝粉、5.2kgvcl3、4.5kgnbcl5、3.9kgzrcl4与8kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在230℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若v、nb、zr含量低于ti-50al-10v-5nb-5zr合金成分比例，则添加适量vcl3、nbcl5和zrcl4。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1080℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-50al-10v-5nb-5zr合金。

实施例8

制备ti-55al-3nb-2si合金。如流程图所示，取10kg含tio2量约为90％的高钛渣，在沸腾氯化炉中通入氯气焙烧氯化，从顶部收集冷凝液体，经过分馏塔分馏，去除低沸点杂质，得到粗制ticl4液体。将7.8kg铝粉、2.0kgnbcl5、0.85kgsicl4与6kgalcl3加入粗制ticl4液体，混合均匀，在210℃保温反应1小时，排出底部的vocl2残渣后将混合物冷却，取少量样品进行成分检测，若nb、si含量低于ti-55al-3nb-2si合金成分比例，则添加适量nbcl5和sicl4。

当检测后混合物中ticl4已反应完全时，将混合物重新快速加热至1030℃。反应过程中多次取样测定成分，按照需求适量补充al粉调节合金成分。将蒸发的ticlx及alcl3蒸汽冷凝收集，供两部还原反应循环利用。经过充分反应后，将反应体系底部的沉淀收集、淋洗、干燥，得到ti-55al-3nb-2si合金。