一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法与流程

1.本发明属于钛用中间合金制备技术领域，具体涉及一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法。


背景技术：

2.钒铝合金是制备航空航天用高温高强度钛合金的必备材料，其质量直接影响到钛合金的综合性能。钒铝合金根据v含量的不同，有如下牌号：alv55(v含量为50～60wt％)、alv65(v含量＞60～70wt％)、alv75(v含量＞70～80wt％)、alv85(v含量＞80～90wt％)。钒铝合金的制备通常采用铝热法，即采用al还原v2o5制备出钒铝合金，由于铝热还原反应是在大气环境下进行的，根据v-al相图，当v含量为50～60wt％时，随着合金熔液的冷却，先析出al8v5相，再析出alv3相，由于al8v5相的脆性特点，当alv3相析出时产生局部应力，导致al8v5相产生裂隙，而且由于在大气环境中制备，空气中的氧进入到合金内部，与al8v5产生氧化、氮化反应，生成淡黄色、黄色、蓝紫色氧化膜，导致aiv55合金的氧含量较高，影响产品的外观质量，并容易使最终制备的钛合金开裂。常见的抑制氧化的方法有真空熔炼法和氩气氛围保护熔炼，二者对于生产装置的密闭性提出了较高的要求，不适宜工业化规模生产。


技术实现要素：

3.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
4.一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，包括：
5.步骤1：将v2o5和al屑分别进行烘干；
6.步骤2：将v2o5和al屑按(0.95～1.15)：1的质量比混合，得到第一混合料；将v2o5和al屑按(1.16～1.80)：1的质量比混合，得到第二混合料；
7.步骤3：将所述第一混合料加入坩埚内，点火并进行铝热还原反应，得到熔融态的第一钒铝合金，其中，v含量为50～60wt％；
8.步骤4：当坩埚内的反应温度降低至1670～1700℃时，待熔融态的第一钒铝合金表层凝固后，继续加入所述第二混合料完全覆盖第一钒铝合金表层，所述第二混合料点火进行铝热还原反应，得到熔融态的第二钒铝合金，通过所述熔融态的第二钒铝合金将第一钒铝合金表层密封，从而将所述第一钒铝合金与空气隔绝；
9.步骤5：反应结束后，自然冷却，然后将炉渣和所述第二钒铝合金处理掉，剩余的第一钒铝合金即为低氧含量的钒铝合金。
10.进一步地，所述步骤1中，将v2o5和al屑分别进行烘干，烘干温度为100～120℃，烘干时间为48～72h。
11.优选地，将v2o5和al屑按(1.16～1.25)：1的质量比混合，得到所述第二混合料。
12.进一步地，所述熔融态的第二钒铝合金厚度为5～8mm。
13.本发明的有益效果：
14.1、本发明在制备alv55合金时，利用少量不容易氧化的alv65合金完全覆盖住暴露在空气中容易氧化的alv55合金，使其在极易氧化的温度(700～1670℃)下，无法与大气中的氧气接触，从而可以降低alv55合金中的氧含量，作为保护层的alv65合金被喷砂处理掉，最终成品中的氧含量极低，保证最终制成的钒铝合金成分符合航空航天等高端领域的应用要求；
15.2、与真空熔炼技术相比，本发明不涉及真空设备的使用，对反应装置的气密性无要求，不改变现有生产装置，工艺优化成本低，适宜工业化规模生产；与氩气氛围保护技术相比，本发明不涉及保护气氛围装置和压力装置，无需加装气氛保护罩，在大气环境下即可进行，不改变现有生产装置，工艺优化成本低；只需要通过二次少量的加料，利用合金相成分的不同，即利用保护层的强度与致密性，保护生产的alv55合金不受氧化。
16.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
17.图1为本发明最终反应结束后的照片；
18.图2为国标规定的钒铝合金的氧含量；
19.图3为实施例1制备的低氧含量的alv55合金的检测报告；
20.图4为采用对比例1中的方法制得的alv55合金的照片；
21.图5为实施例2制备的低氧含量的alv55合金的检测报告；
22.图6为采用对比例2中的方法制得的alv55合金的照片。
具体实施方式
23.下面结合图1～图6以及具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
24.实施例1
25.本发明实施例提供了一种v含量为55wt％的低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
26.步骤1：将v2o5和al屑分别进行烘干。
27.具体地，将v2o5和al屑分别在不锈钢盘中进行烘干，烘干温度为100℃，烘干时间为72h。
28.由于v2o5和al屑表面存在结合水，后续点火时，水需要吸收一定的热量，从而导致初期的反应热值低，从而减慢反应，严重会导致反应停止，因此，对两种原材料混合后，将原材料中的水蒸发，增加初期的反应热值。
29.步骤2：称取128kg的v2o5和122kg的al屑混合均匀后得到第一混合料；将5kg的v2o5和3.98kg的al屑混合均匀后得到第二混合料。
30.步骤3：将所述第一混合料加入石墨坩埚内，使用mg带作为点火引燃剂在第一混合料表面引燃，进行铝热还原反应，铝热还原反应结束后，得到v含量为55wt％的熔融态的第一钒铝合金。
31.步骤4：当坩埚内的反应温度降低至1670℃时，待熔融态的第一钒铝合金的表层凝固后，此时，继续加入所述第二混合料完全覆盖第一钒铝合金表层，将第二混合料均匀的铺
撒在所述第一钒铝合金露出坩埚部分的外表面，保证其将第一钒铝合金露出坩埚的部分完全覆盖住，并利用第一钒铝合金表层的温度引发新一轮的铝热还原反应，从而在第一钒铝合金固态表层得到v含量为65wt％的熔融态的第二钒铝合金，所述熔融态的第二钒铝合金的厚度为5mm，且所述熔融态的第二钒铝合金完全包裹着第一钒铝合金露出坩埚的部分，通过所述熔融态的第二钒铝合金将第一钒铝合金表层密封，从而将所述第一钒铝合金与空气隔绝。
32.由于第二钒铝合金中的v含量超过了60wt％，合金内部相成分单一(只有al
8v5
相)，紧实致密，导致空气中的氧气很难进入合金内部造成氧化，从而使得空气也无法进入第一钒铝合金中，进而可以避免第一钒铝合金发生氧化。
33.进一步地，由于第二混合料位于第一钒铝合金的外表层，当其进行铝热还原反应时，反应温度会超过第一钒铝合金的液相线，会导致第一钒铝合金的最外层合金与第二混合料互溶，最终在第二钒铝合金与第一钒铝合金之间生成一层极薄的过渡层，该过渡层成分为al
8v5
以及极少量的alv3，在最终进行喷砂处理掉。
34.根据v-al相图，v含量增加会导致v-al合金的液相线上移，即熔点增加，而熔点增加意味着在合金在冷却阶段会更快凝固，导致第二钒铝合金在第一钒铝合金表层的的流动时间不够，导致分布极不均匀，从而使得覆盖效果较差，氧气会通过第二钒铝合金未覆盖的地方进入第一钒铝合金中；同时，高v含量合金(alv75、alv85)在形成同等体积合金时，v2o5用量更多，成本更高，不适宜实际生产使用。因此，在本发明中选用了alv65合金作为保护层将第一钒铝合金与空气隔绝。
35.步骤5：待反应结束，坩埚内的合金自然冷却后，将冷却后的钒铝合金块从坩埚内取出，然后将所述过渡层、第二钒铝合金和其表层的炉渣进行喷砂处理，露出里面的第一钒铝合金，该第一钒铝合金即为低氧含量的alv55合金，利用手持式合金分析仪对合金外表进行元素含量检测，确定元素含量达到设计值，再经x光检测后，将检测合格后的alv55合金进行粉碎和过筛，然后取样进行化学成分分析，分析合格后包装入库。
36.对比例1
37.本对比例1提供了一种常规方法制备v含量为55wt％的钒铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
38.步骤1：称取128kg的v2o5和122kg的al屑混合均匀后得到铝热还原反应混合料。
39.步骤2：将所述铝热还原反应混合料加入石墨坩埚内，使用mg带作为点火引燃剂在第一混合料表面引燃，进行铝热还原反应，铝热还原反应结束后，得到v含量为55wt％的熔融态的钒铝合金。
40.步骤3：待反应结束，坩埚内的合金自然冷却后，将冷却后的alv55合金块从坩埚内取出，对其表层进行喷砂处理后，进行化学元素检测。
41.实施例1和对比例1的检测结果如下所示：
42.表1实施例1和对比例1中生成的alv55合金的化学元素分析
[0043][0044]
表1中，样品编号1的检测由第三方检测机构完成，相应的检测报告如图3所示，样品编号2、3以及对比例1中的数据由申请人在单位检测室通过合金分析仪完成；由表1和图2、图3和图4可知，利用本发明的方法，可以使得alv55合金的氧含量大大降低，而使用常规方法得到的alv55合金的氧含量虽然符合国标要求，但是由于其冷却过程是完全暴露在空气中的，导致alv55合金中的氧含量远超过实施例1中的氧含量，同时由图4可知，其表面明显生成了一层蓝紫色的氧化膜，并且通过检测得知其氧含量为0.176wt％，明显高于利用本发明的方法得到的alv55合金的氧含量。
[0045]
实施例2
[0046]
本发明实施例提供了一种v含量为58wt％的低氧含量的钒铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
[0047]
步骤1：将v2o5和al屑分别进行烘干。
[0048]
具体地，将v2o5和al屑分别在不锈钢盘中进行烘干，烘干温度为120℃，烘干时间为48h。
[0049]
步骤2：称取132kg的v2o5和118kg的al屑混合均匀后得到第一混合料；将5kg的v2o5和4.3kg的al屑混合均匀后得到第二混合料。
[0050]
步骤3：将所述第一混合料加入石墨坩埚内，使用mg带作为点火引燃剂在第一混合料表面引燃，进行铝热还原反应，铝热还原反应结束后，此时得到v含量为58wt％的熔融态的第一钒铝合金。
[0051]
步骤4：当坩埚内的反应温度降低至1700℃时，待熔融态的第一钒铝合金的表层凝固后，此时，继续加入所述第二混合料完全覆盖第一钒铝合金表层，将第二混合料均匀的铺撒在所述第一钒铝合金露出坩埚部分的外表面，保证其将第一钒铝合金露出坩埚的部分完全覆盖住，并利用第一钒铝合金表层的温度引发新一轮的铝热还原反应，从而在第一钒铝合金固态表层得到v含量为60.6wt％的熔融态的第二钒铝合金，所述熔融态的第二钒铝合金的厚度为6mm，且所述熔融态的第二钒铝合金完全包裹着第一钒铝合金露出坩埚的部分，通过所述熔融态的第二钒铝合金将第一钒铝合金表层密封，从而将所述第一钒铝合金与空
气隔绝。
[0052]
步骤5：待反应结束，坩埚内的合金自然冷却后，将冷却后的钒铝合金块从坩埚内取出，然后将所述过渡层、第二钒铝合金和其表层的炉渣进行喷砂处理，露出里面的第一钒铝合金，该第一钒铝合金即为低氧含量的alv55合金，利用手持式合金分析仪对合金外表进行元素含量检测，确定元素含量达到设计值，再经x光检测后，将检测合格后的alv55合金进行粉碎和过筛，然后取样进行化学成分分析，分析合格后包装入库。
[0053]
对比例2
[0054]
本对比例1提供了一种常规方法制备v含量为58wt％的钒铝合金的制备方法，具体包括以下步骤：
[0055]
步骤1：称取132kg的v2o5和118kg的al屑混合均匀后得到铝热还原反应混合料。
[0056]
步骤2：将所述铝热还原反应混合料加入石墨坩埚内，使用mg带作为点火引燃剂在第一混合料表面引燃，进行铝热还原反应，铝热还原反应结束后，得到v含量为58wt％的熔融态的钒铝合金。
[0057]
步骤3：待反应结束，坩埚内的合金自然冷却后，将冷却后的alv55合金块从坩埚内取出，对其表层进行喷砂处理后，进行化学元素检测。
[0058]
实施例2和对比例2的检测结果如下所示：
[0059]
表2实施例2和对比例2中生成的alv55合金的化学元素分析
[0060][0061]
表2中，样品编号1的检测由第三方检测机构完成，相应的检测报告如图5所示，样品编号2、3以及对比例2中的数据由申请人在单位检测室通过合金分析仪完成；由表2和图2、图5和图6可知，利用本技术的方法，可以使得alv55合金的氧含量大大降低，而使用常规方法得到的alv55合金的氧含量虽然符合国标要求，但是由于其冷却过程是完全暴露在空气中的，导致alv55合金中的氧含量远超过实施例2中的氧含量，同时由图6可知，其表面明显生成了一层淡黄色和蓝紫色交杂的氧化膜，并且通过检测得知其氧含量为0.126wt％，明显高于利用本发明的方法得到的alv55合金的氧含量。
[0062]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“若干”的含义是两
个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0063]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，其特征在于，包括：步骤1：将v2o5和al屑分别进行烘干；步骤2：将v2o5和al屑按(0.95～1.15)：1的质量比混合，得到第一混合料；将v2o5和al屑按(1.16～1.80)：1的质量比混合，得到第二混合料；步骤3：将所述第一混合料加入坩埚内，点火并进行铝热还原反应，得到熔融态的第一钒铝合金，其中，v含量为50～60wt％；步骤4：当坩埚内的反应温度降低至1670～1700℃时，待熔融态的第一钒铝合金表层凝固后，继续加入所述第二混合料完全覆盖第一钒铝合金表层，并继续进行铝热还原反应，得到熔融态的第二钒铝合金，通过所述熔融态的第二钒铝合金将第一钒铝合金表层密封，从而将所述第一钒铝合金与空气隔绝；步骤5：反应结束后，自然冷却，然后将炉渣和所述第二钒铝合金处理掉，剩余的第一钒铝合金即为低氧含量的钒铝合金。2.根据权利要求1所述的低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，将v2o5和al屑分别进行烘干，烘干温度为100～120℃，烘干时间为48～72h。3.根据权利要求1或2所述的低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，其特征在于，将v2o5和al屑按(1.16～1.25)：1的质量比混合，得到所述第二混合料。4.根据权利要求3所述的低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，其特征在于，所述熔融态的第二钒铝合金厚度为5～8mm。

技术总结
本发明公开了一种低氧含量的航空航天级钒铝合金的制备方法，包括：将V2O5和Al屑分别进行烘干；并分别配制第一混合料和第二混合料；将第一混合料加入坩埚内，点火并进行铝热还原反应，得到熔融态的第一钒铝合金，其中V含量为50～60wt％；当反应温度降低至1670～1700℃时，继续加入第二混合料完全覆盖第一钒铝合金表层，并进行铝热还原反应，得到熔融态的第二钒铝合金，通过熔融态的第二钒铝合金将第一钒铝合金表层密封；反应结束后，自然冷却，然后将炉渣和第二钒铝合金处理掉，剩余的第一钒铝合金即为低氧含量的钒铝合金。通过以上工序，保证最终制成的钒铝合金成分符合航空航天等高端领域的应用要求。高端领域的应用要求。高端领域的应用要求。


技术研发人员：郑杰 石林 李嘉诚
受保护的技术使用者：宝鸡市嘉诚稀有金属材料有限公司
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/9/20