一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法与流程

1.本发明涉及中间合金技术领域，具体涉及一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法。


背景技术：

2.钛合金因具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀、可焊接等优良的综合性能被广泛用于航空领域。
3.在钛合金生产中，添加合金元素可以有效改善钛合金的某些特性。然而，由于添加元素受密度、熔点、分配系数、添加方式等诸多因素的影响，容易出现元素分布不均匀的偏析现象，目前普遍采用中间合金的方法解决以上影响因素导致的冶金缺陷。作为钛合金生产用中间合金，自钛合金诞生以来，一直被认为是有效改善合金组元不均匀化，生产优质钛合金和提高材料质量的重要控制因素和手段，备受各生产厂商的重视。
4.中国专利公开号cn115821083a公开了一种铝铌中间合金及其制备方法，以氟铌酸钾和铝为反应原料，将两者置于反应炉中混合加热，加热时长10～60min，反应后所生成的氟铝酸盐浮于反应产物的表面，将氟铝酸盐倒出后对反应产物进行浇铸，得到低铌含量的铝铌中间合金，铌含量为5.0～30.0％。该方法在原料选择，工艺过程倾倒氟铝酸盐，浇铸合金等操作，并不适合工业化生产，且产品为低铌含量的铌铝中间合金，与钛合金选择中间合金的初衷也不相符。
5.中国专利公开号cn102560213a公开一种铝铌中间合金及其制备方法，该方法采用两步法工艺，采用炉外铝热法进行第一步冶炼，再将剩余的铝源料和第一步冶炼的坯料共同在真空熔炼炉中进行真空熔炼，炉料熔化后再进行沸腾精炼，精炼结束进行合金浇铸。采用两步法分两次添加al，使得成份的均匀性较一次添加的更好，所制备的合金组分nb含量为45.0～70.0％。该方法的不足之处在于通过两步法(铝热+真空)制备工艺无疑大幅增加了生产成本，进而导致下游的钛合金生产成本进一步提升，而当前限制钛合金推广应用的因素之一就是制造成本过高。
6.中国专利公开号cn115478200a公开的铌铝合金及其制备方法，制备方法以铌源、铝源、造渣剂及发热剂为原料，原料混合后预热至100～120℃投入反应炉体，反应炉体需要加热至150～200℃，然后进行铝热还原反应，冷却结束得到的铌铝合金nb含量为60.0～65.0％。该方法采用对原料和炉体分别进行加热，实际生产中将显著增加工艺流程的繁琐性，大大降低了企业生产效率，从而增加产品制造成本。
7.基于上述背景，本发明基于铝热法工艺设计技术方案，兼顾产品质量、低成本、实用性和工业推广性，最终制取的alnb中间合金牌号有alnb50、alnb60、alnb70，产品质量符合钛合金熔炼使用要求。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，兼顾产品
质量、低成本、实用性和工业推广性，最终制取的alnb中间合金牌号有alnb50、alnb60、alnb70，产品质量符合钛合金熔炼使用要求。
9.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
10.一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，包括如下步骤：
11.1)原料包括主原料五氧化二铌、还原剂金属铝粉、造渣剂氧化钙和氟化钙，将上述原料进行混料预处理；
12.2)将步骤1)的混合料投入反应装置，同时加入补热剂；
13.3)引燃物料，使物料发生铝热燃烧反应；
14.4)反应结束后随炉缓冷，然后出炉自然冷却到室温；
15.5)冷却结束后，渣金分离，得到铝铌中间合金。
16.上述步骤1)中五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。
17.上述步骤1)的物料按质量配比如下：五氧化二铌∶金属铝粉∶氧化钙∶氟化钙＝0.70～1.20：0.72～1.25：0.10～0.25：0.10～0.15。
18.上述步骤1)的混料预处理是指配料完成后的混合料，在80～120℃下进行干燥1.0～3.0h，在锥形混料机中混合1.5～3.0h，在锥形混料机中填充率为40.0％～65.0％。
19.上述步骤2)中的补热剂是指硝石、硝酸钠、氯酸钾、氯酸钠中的一种与金属铝粉的混合物，混合比例按质量为硝石或硝酸钠或氯酸钾或氯酸钠:金属铝粉＝1.0:0.1～1.0。所使用铝粉不影响上述步骤3)物料配比。补热剂的加入量为步骤1)混合料的0.1wt％～0.5wt％。
20.上述步骤4)炉体冷却制度为随炉缓冷1～3h，随后在室温下自然冷却。
21.上述步骤5)得到的铝铌中间合金包括alnb50、alnb60、alnb70；其中alnb50成分指标：w
(nb)
＝45.0％～55.0％；alnb60成分指标：w
(nb)
＝55.0％～65.0％；alnb70成分指标：w
(nb)
＝65.0％～75.0％；alnb中间合金杂质含量要求：w
(fe)
≤0.20％，w
(si)
≤0.15％，w
(c)
≤0.10％，w
(o)
≤0.10％，w
(n)
≤0.05％，w
(ta)
≤0.10％。
22.与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
23.1)本发明反应过程无需外界搅拌干涉，铝热反应结束，依靠合金和炉渣的密度差，即可自然分离。
24.2)由于本发明在铝热反应进行中，避免了搅拌操作，反应过程产生的炉渣具有较好的致密性，可以起到隔绝空气的作用，因此无需抽真空或高纯惰性气体保护。
25.3)本技术制备的alnb中间合金，以铝热法工艺为基础，确定了合金制备工艺、原料技术指标、工艺参数，设计的技术方案具有低成本、短流程、适用性强等特点，适合规模化生产。本发明可实现alcr中间合金定制化生产，对于钛合金铸锭熔炼，可有效调控钛合金铸锭产品质量。
26.4)本发明最终制取的alnb中间合金牌号有alnb50、alnb60、alnb70，产品质量符合钛合金熔炼使用要求。相比现有技术本发明优点是原料普遍、短流程低成本、操作简捷无需二次加热炉体，更适合工业化规模生产。
附图说明
27.图1是本发明工艺流程图。
28.图2是本发明中间合金应用实例取样位置示意图。
29.图3是图2端部的取样点示意图。
30.图中：1-头部、2-中部、3-尾部、4-应用试样。
具体实施方式
31.下面将结合本发明的实施例，对本发明的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。
32.实施例1：
33.本实施例用于生产alnb中间合金的方法包括以下步骤：
34.1)按如下比例进行配料，五氧化二铌：金属铝粉：氧化钙：氟化钙＝1：1.04：0.15：0.10。
35.原料技术指标要求：五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。
36.2)将上述混合料在100℃下干燥1.5h，以填充率为45.0％的比例在双锥混料机中混合2.0h。
37.3)将混合料投入反应装置，同时加入0.5％的补热剂，补热剂中硝石:金属铝粉＝1.0:1.0。
38.4)点燃物料，使其发生铝热燃烧反应，反应结束后随炉缓冷2h，再自然冷却到室温。
39.5)冷却结束，渣金分离得到alnb50中间合金。
40.本实例制备的alnb50中间合金，w
(nb)
：49.88％，w
(fe)
：0.18％，w
(si)
：0.15％，w
(c)
：0.041％，w
(o)
：0.025％，w
(n)
：0.017％，w
(ta)
：0.009％。满足后续钛合金熔炼技术要求。
41.实施例2：
42.本实施例用于生产alnb中间合金的方法包括以下步骤：
43.1)按如下比例进行配料，五氧化二铌：金属铝粉：氧化钙：氟化钙＝1：0.8：0.18：0.12。
44.原料技术指标要求：五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。
45.2)将上述混合料在100℃下干燥2.0h，以填充率为51.0％的比例在双锥混料机中混合2.5h。
46.3)将混合料投入反应装置，同时加入0.35％的补热剂，补热剂中硝酸钠:金属铝粉＝1.0:1.0。
47.4)点燃物料，使其发生铝热燃烧反应，反应结束后随炉缓冷2.5h，再自然冷却到室温。
48.5)冷却结束，渣金分离得到alnb60中间合金。
49.本实例制备的alnb60中间合金，w
(nb)
：60.18％，w
(fe)
：0.17％，w
(si)
：0.14％，w
(c)
：0.034％，w
(o)
：0.019％，w
(n)
：0.009％，w
(ta)
：0.007％。满足后续钛合金熔炼技术要求。
50.实施例3：
51.本实施例用于生产alnb中间合金的方法包括以下步骤：
52.1)按如下比例进行配料，五氧化二铌：金属铝粉：氧化钙：氟化钙＝1.20：0.76：0.15：0.15。
53.原料技术指标要求：五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。
54.2)将上述混合料在100℃下干燥2.5h，以填充率为51.0％的比例在双锥混料机中混合2.0h。
55.3)将混合料投入反应装置，同时加入0.20％的补热剂，补热剂中氯酸钾:金属铝粉＝1.0:0.5。
56.4)点燃物料，使其发生铝热燃烧反应，反应结束后随炉缓冷3.0h，再自然冷却到室温。
57.5)冷却结束，渣金分离得到alnb70中间合金。
58.本实例制备的alnb70中间合金，w
(nb)
：70.11％，w
(fe)
：0.15％，w
(si)
：0.14％，w
(c)
：0.028％，w
(o)
：0.021％，w
(n)
：0.008％，w
(ta)
：0.009％。满足后续钛合金熔炼技术要求。
59.实施例4：
60.本实施例用于生产alnb中间合金的方法包括以下步骤：
61.1)按如下比例进行配料，五氧化二铌：金属铝粉：氧化钙：氟化钙＝1.20：0.86：0.10：0.15。
62.原料技术指标要求：五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。
63.2)将上述混合料在120℃下干燥2.5h，以填充率为60.0％的比例在双锥混料机中混合3.0h。
64.3)将混合料投入反应装置，同时加入0.50％的补热剂，补热剂中氯酸钠:金属铝粉＝1.0:0.8。
65.4)点燃物料，使其发生铝热燃烧反应，反应结束后随炉缓冷2.5h，再自然冷却到室温。
66.5)冷却结束，渣金分离得到alnb65中间合金。
67.本实例制备的alnb60中间合金，w
(nb)
：64.94％，w
(fe)
：0.14％，w
(si)
：0.15％，w
(c)
：0.024％，w
(o)
：0.019％，w
(n)
：0.006％，w
(ta)
：0.008％。满足后续钛合金熔炼技术要求。
68.应用效果：
69.下面结合应用实例，验证本发明制备的alnb系列中间合金的实际使用效果。将不同牌号alnb中间合金，作为tc21钛合金的添加剂，通过var工艺熔炼制备tc21钛合金铸锭，对铸锭进行取样分析，观察nb元素是否出现成分偏析。为确保验证结果有效，过程中其余工艺条件保证不变。
70.取样方法如图2、图3所示。最终nb元素的检测结果，成分允许偏差执行gb/t3620.2-2007，检测结果见表1。其中alnb60牌号中间合金选用实施例2。
71.表1：本发明中间合金应用例检测结果
72.73.[0074][0075]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)原料包括五氧化二铌、金属铝粉、氧化钙和氟化钙，将上述原料进行混料预处理；2)将步骤1)的混合料投入反应装置，同时加入补热剂；3)引燃物料，使物料发生铝热燃烧反应；4)反应结束后随炉缓冷，然后出炉自然冷却到室温；5)冷却结束后，渣金分离，得到铝铌中间合金。2.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤1)中五氧化二铌纯度≥99.40％，金属铝粉纯度≥98.0％，氧化钙纯度≥90.0％，氟化钙纯度≥99.0％。3.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤1)的物料按质量配比如下：五氧化二铌∶金属铝粉∶氧化钙∶氟化钙＝0.70～1.20：0.72～1.25：0.10～0.25：0.10～0.15。4.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤1)的混料预处理是指配料完成后的混合料，在80～120℃下进行干燥1.0～3.0h，在混料机中混合1.5～3.0h，在混料机中填充率为40.0％～65.0％。5.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤2)中的补热剂是指硝石、硝酸钠、氯酸钾、氯酸钠中的一种与金属铝粉的混合物，混合比例按质量为硝石或硝酸钠或氯酸钾或氯酸钠:金属铝粉＝1.0:0.1～1.0，补热剂的加入量为步骤1)混合料的0.1wt％～0.5wt％。6.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤4)炉体冷却制度为随炉缓冷1～3h。7.根据权利要求1所述的一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，其特征在于，上述步骤5)得到的铝铌中间合金包括alnb50、alnb60、alnb70；其中alnb50成分指标：w
(nb)
＝45.0％～55.0％；alnb60成分指标：w
(nb)
＝55.0％～65.0％；alnb70成分指标：w
(nb)
＝65.0％～75.0％；alnb中间合金杂质含量要求：w
(fe)
≤0.20％，w
(si)
≤0.15％，w
(c)
≤0.10％，w
(o)
≤0.10％，w
(n)
≤0.05％，w
(ta)
≤0.10％。

技术总结
本发明涉及一种用于钛合金熔炼的铝铌中间合金的制备方法，包括如下步骤：1)原料包括主原料五氧化二铌、还原剂金属铝粉、造渣剂氧化钙和氟化钙，将上述原料进行混料预处理；2)将步骤1)的混合料投入反应装置，同时加入补热剂；3)引燃物料，使物料发生铝热燃烧反应；4)反应结束后在原工位进行保温缓冷，然后自然冷却到室温；5)冷却结束后，渣金分离，得到铝铌中间合金。本发明兼顾产品质量、低成本、实用性和工业推广性，最终制取的AlNb中间合金牌号有AlNb50、AlNb60、AlNb70，产品质量符合钛合金熔炼使用要求。炼使用要求。炼使用要求。


技术研发人员：于继洋 滕艾均 郭杰 张天馨 董恩涛 康强 苑子凯 黄召阔 高强
受保护的技术使用者：鞍钢集团北京研究院有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/11