钛铝钒合金材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种钛合金材料及其制备方法，尤其涉及一种钛铝钒合金及其制备方法，属于冶金技术领域。

背景技术：

我国攀西地区具备丰富的钛资源和钒资源，蕴藏量居世界前列。因此，开展对钛铝钒合金的研究具有得天独厚的优势。

钛合金具有两个优异的性能：比强度高，耐腐蚀，使其在航空航天，化学工业、医药工程广泛应用。但是钛的最高使用温度使其氧化特性受到限制，而TiAl金属间化合物可以部分的克服这一缺点，因此其成为钛合金研制的重点和热点。如图1所示，钛铝基合金可直接与发展成熟的高温钢和镍基超合金相媲美，因此钛铝合金成为研究的热点。

钒具有金属“维生素”之称。钒对钛合金中具有优异改良作用，钛铝钒合金可应用到航空航天领域。

《GB/T 3620.1-2007钛及钛合金牌号和化学成分》公开了现有钛合金的种类及各钛合金中的化学成分，其中钛铝钒合金中钛的含量均较高，钛的含量80％以上，因此密度也较高，例如，TC3含有4.5％～6.0％铝和3.5％～4.5％钒；TC4含有5.5％～6.8％铝和3.5％～4.5％钒；TC10含有5.5％～6.5％铝、5.5％～6.5％钒、1.5％～2.5％锡、0.35％～1.0％铁和0.35％～1.0％铜；TA17含有3.5～4.5％铝、1.5～3.0％钒；TA18含有2.5～3.5％铝、2.0～3.0％钒，余量主要为钛。

传统钛的制备方法主要是Kroll法和Hunter法，Hunter法是最早制备金属钛的方法但该法制备的海绵钛Cl-含量高、块小、疏松、熔铸性能差、挥发分多等缺点，20世界80年代后期逐步被淘汰。

Kroll法是生产海绵钛最成功、最主要的方法，Kroll法首先将TiO₂进行氯化制备TiCl₄，主要方程为：TiO₂+2Cl₂+2C＝TiCl₄+2CO；然后TiCl₄被Mg还原制备海绵钛：TiCl₄+2Mg＝Ti+2MgCl₂。

如图2所示，Kroll法工艺流程长、周期长，还原率低、还原剂价格高、过程难以连续化生产造成海绵钛生产成本过高等缺点。钛材的价格是普通不锈钢价格的5-8倍。

Ti-Al合金制备方法目前大多数采用粉末冶金，铸锭与铸造冶金及钛与铝进行重熔法冶炼等制备方法，使得钛铝合金的制备成本较高。

查阅相关文献及专利未见采用电铝热还原法制备钛铝钒的。

技术实现要素：

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种钛铝钒合金材料，该钛铝钒合金钛含量低，合金密度低，可用于制备低密度的钛铝合金。

为解决第一个技术问题，本发明的技术方案为：钛铝钒合金材料，所述钛铝钒合金材料含有：55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al和5～15重量份的V。

进一步地，所述钛铝钒合金材料由55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al、5～15重量份的V、1.5～1.8重量份的氧和0.8～1.8重量份的其它杂质组成。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种上述钛铝钒合金材料的制备方法，该方法工艺简单，合成成本低。

为解决第二个技术问题，本发明的技术方案为：钛铝钒合金材料的制备方法，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉25～29.2重量份、铝粉24.5～26.3重量份、氧化钙20～28.6重量份、氟化钙14～20重量份，五氧化二钒2.9～7.5重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1700℃，焙烧时间20～50min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现钛铝钒合金和熔渣的有效分离。

优选地，b步骤采用球磨机混合均匀。

优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧。

优选地，d步骤在空气气氛下自然冷却。

进一步地，b步骤采用球磨机混合均匀的球磨时间20～60min。

优选地，c步骤焙烧温度1450℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间20～30min。

进一步地，钛的收率92％以上，钒的收率93％以上，合金收率73％以上。

本发明的有益效果：

本发明的钛铝钒合金材料，主要成分为55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al和5～15重量份的V，合金密度低，可进一步用于制备低密度的钛铝合金，原料成本也低，塑性好，脆韧转变温度低。

本发明的钛铝钒合金材料的制备方法将钛白粉、五氧化二钒等为原料混匀，采用电铝热还原法一步合成钛铝钒合金，钛收率和钒收率也较高，可以大大缩短工艺流程，降低制备成本。此外，本发明可在空气中冷却，不需要真空或惰性气体保护，冷却后熔渣与合金易分离，制得的合金的杂质含量低。

相对于传统制备钛铝钒合金材料的方法，该方法具有成本低、工艺和设备要求简单、原料来源广的优点。

附图说明

图1为各种合金高温性能比较图；

图2为Kroll法流程图；

图3为本发明工艺流程图；

图4为本发明制备的钛铝钒合金样品图。

具体实施方式

1、钛铝钒合金材料，所述钛铝钒合金材料含有：55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al和5～15重量份的V。

进一步地，所述钛铝钒合金材料由55～63.2重量份的Ti、26.8～40重量份的Al、5～15重量份的V、1.5～1.8重量份的氧和0.8～1.8重量份的其它杂质组成。

2、钛铝钒合金材料的制备方法，如图3本发明工艺流程图所示，包括如下步骤：

a.配料：取钛白粉25～29.2重量份、铝粉24.5～26.3重量份、氧化钙20～28.6重量份、氟化钙14～20重量份，五氧化二钒2.9～9.5重量份；

b.混匀：将a步骤配好的料混合均匀；

c.焙烧：将b步骤混匀的原料焙烧，焙烧温度1450～1700℃，焙烧时间20～50min；

d.冷却：将c步骤焙烧后的原料冷却，实现钛铝钒合金和熔渣的有效分离。

如图4本发明制备的钛铝钒合金样品图所示，d步骤冷却后，渣在钛铝钒合金表面，且颜色与钛铝钒合金不同，能够容易的将渣和钛铝钒合金分开，制得的合金的杂质含量低，渣的主要成分为CaO-Al₂O₃-CaF₂。

为保证原料粉末的充分混匀，优选地，b步骤采用球磨机混合均匀，球磨机能在混匀原料的同时，还将原料进一步磨碎。

为更好的控制焙烧温度，优选地，c步骤在马弗炉中进行焙烧，也可选用其它能控制温度的焙烧炉。

采用本发明的方法，还原出来的金属团会聚集在一起，形成块状，被熔渣包裹，可以起到隔绝空气的作用，因而d步骤可在空气气氛下自然冷却就能实现渣和钛铝钒合金的分离，节约成本，也可根据生产需要选择其它冷却方式。

进一步地，b步骤采用球磨机混合均匀的球磨时间20～60min，球磨时间可根据原料的量和原料颗粒度适当调整。

优选地，c步骤焙烧温度1450℃-1600℃。

优选地，c步骤焙烧时间20～30min。

进一步地，钛的收率92％以上，钒的收率93％以上，合金收率73％以上。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

称取钛白粉27.3重量份，铝粉24.5重量份，CaO 28.5重量份，CaF₂ 14.2重量份，V₂O₅5.5重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨20min。将混合均匀的原料放入刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入马弗炉内1560℃进行焙烧，焙烧时间为20min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛铝钒合金和渣。

测量得到的钛铝钒合金材料的主要化学成分为：58.5重量份Ti、27.2重量份Al、10.5重量份V、1.5重量份O、其他0.8重量份；计算钛收率为93％，钒收率95％，合金收率为75％。

实施例2

称取钛白粉29.2重量份，铝粉26.3重量份，CaO 27.5重量份，CaF₂ 14.0重量份，V₂O₅3重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨1h。将混合均匀的原料放入刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入马弗炉内1500℃进行焙烧，焙烧时间为30min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛铝钒合金和渣。

测量得到的钛铝钒合金材料的主要化学成分为：62.5重量份Ti、31.25重量份Al、6.25重量份V、1.8重量份O、其他1.2重量份；计算钛收率为92％，钒收率93％，合金收率为73％。

实施例3

称取钛白粉25.1重量份，铝粉24.5重量份，CaO 24.6重量份，CaF₂ 18.3重量份，V₂O₅7.5重量份。将上述原料加入球磨机中进行混料球磨40min。将混合均匀的原料放入刚玉坩埚中，再将刚玉坩埚放入马弗炉内1600℃进行焙烧，焙烧时间为50min。焙烧后的得到的合金材料在空气气氛下自然冷却，得到钛铝钒合金和渣。

测量得到的钛铝钒合金材料的主要化学成分为：55.8重量份Ti、30.2重量份Al、12.5重量份V、1.5重量份O、其他0.5重量份；计算钛收率为93％，钒收率94％，合金收率为75％。