一种铝钼锆中间合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及金属材料技术领域，特别涉及一种铝钼锆中间合金及其制备方法。


背景技术：

2.钛及其合金具有优异的性能，比如强度高、耐腐蚀、耐高温以及良好的工艺性能等，因此，其在现代工业级科学技术领域内日益成为引人瞩目的材料，在宇航、航空、石油、化工、轻工、冶金、机械和能源等众多领域得到了广泛的应用。
3.近年来随着材料的飞速发展，航空航天工业对高强度、高弹性模量、低密度、耐高温的新型结构材料的需要越来越迫切。因此，钛合金便成为近年来新材料的研究重点，tc19钛合金成为钛合金研究领域的热点。tc19钛合金通常以加入金属单质的方式进行真空熔炼，易造成钛合金产品成品偏析，难以满足航空航天工业发展的需要。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种铝钼锆中间合金及其制备方法。本发明提供的铝钼锆中间合金成分均匀稳定，在熔炼钛合金时，有助于合金成分均匀化。
5.为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
6.本发明提供了一种铝钼锆中间合金，以质量分数计，包括以下组分：
7.mo 41.0～45.0％，zr 23.0～26.0％，al为余量。
8.优选地，所述的铝钼锆中间合金以质量分数计，包括以下组分：
9.mo 42.0～44.0％，zr 24.0～25.0％，al为余量。
10.优选地，所述的铝钼锆中间合金以质量分数计，包括以下组分：
11.mo 43.0％，zr 24.5％，al为余量。
12.本发明还提供了上述技术方案所述铝钼锆中间合金的制备方法，包括以下步骤：
13.将第一铝源和钼源混合，进行铝热反应，得到铝钼一级合金；
14.将所述铝钼一级合金、锆和第二铝源混合，进行真空熔炼，得到所述铝钼锆中间合金。
15.优选地，所述第一铝源和钼源混合前，还包括将所述第一铝源和钼源分别进行干燥；所述干燥温度为100～120℃，时间大于6小时。
16.优选地，所述钼源为三氧化钼和二氧化钼的混合物；所述第一铝源为铝粉，所述铝粉的粒径为0～3mm，所述铝粉、三氧化钼和二氧化钼的质量比为(1.950～2.050)：(1.750～1.850)：1。
17.优选地，所述第二铝源为铝豆，所述铝豆的粒径为8～15mm，所述铝钼一级合金和第二铝源的质量比为(4.520～14.500)：1。
18.优选地，所述真空熔炼的真空度小于10帕。
19.优选地，所述真空熔炼包括依次进行的熔化和精炼；所述熔化的起始功率为30～40kw，时间为15～25min，过渡功率为50～60kw，时间为30～40min，稳定功率为70～80kw，时
间为20～30min。
20.优选地，所述精炼的功率为90～95kw，时间为4～5min。
21.本发明提供了一种铝钼锆中间合金，以质量分数计，包括以下组分：mo41.0～45.0％，zr 23.0～26.0％，al为余量。本发明通过元素成分和含量的控制，使铝钼锆中间合金具有较小的成分偏析，在熔炼tc19钛合金时，防止钛合金成分偏析；且本发明的铝钼锆中间合金杂质含量低，在熔炼tc19钛合金时，有助于钛合金成分均匀化。本发明提供的铝钼锆中间合金与tc19钛合金成分匹配，此时候钛合金tc19性能最优。
22.本发明还提供了上述技术方案所述铝钼锆中间合金的制备方法，包括以下步骤：将第一铝源和钼源混合，进行铝热反应，得到铝钼一级合金；将所述铝钼一级合金、锆和第二铝源混合，进行真空熔炼，得到所述铝钼锆中间合金。本发明通过控制真空熔炼，使铝、钼、锆元素在合金中均匀分布，降低o等气相杂质含量，中和了各元素之间的熔点差、密度差，避免了熔炼过程中因熔点差造成的元素烧损、因密度差导致的成分不均匀等问题，使铝钼锆中间合金具有较小的成分偏析，在熔炼tc19钛合金时，有助于钛合金成分均匀化，防止成分偏析，并优化tc19钛合金熔炼时的配料工序，能够实现生产过程中的精确配料，方便了钛合金的制备。本发明通过选用铝热加真空熔炼相结合的方法，在真空环境下熔炼，保证合金成分的均匀性和低的杂质含量。本发明提供的制备方法能够优化钛合金制备的配料工序，实现tc19钛合金生产过程精确配料，并且制备过程简单，易于控制，适用于大规模工业生产。
具体实施方式
23.本发明提供了一种铝钼锆中间合金，以质量分数计，包括以下组分：
24.以质量分数计，本发明所述铝钼锆中间合金包括mo 41.0～45.0％，优选为42.0～44.0％，更优选为43.0％。本发明通过添加mo提高钛合金室温和高温强度，增加淬透性。
25.以质量分数计，本发明所述铝钼锆中间合金包括zr 23.0～26.0％，优选为24.0～25.0％，更优选为24.5％。本发明通过添加zr提高钛合金的强度和耐热性。
26.本发明所述的铝钼锆中间合金包括余量的al以及不可避免的杂质。其中，al元素可以提高钛合金室温和高温强度以及热强性。
27.本发明通过控制原材料配比，使铝钼锆中间合金具有较小的成分偏析。
28.本发明还提供了上述技术方案所述铝钼锆中间合金的制备方法，包括以下步骤：
29.将第一铝源和钼源混合，进行铝热反应，得到铝钼一级合金；
30.将所述铝钼一级合金、锆和第二铝源混合，进行真空熔炼，得到所述铝钼锆中间合金。
31.本发明将第一铝源和钼源混合，进行铝热反应，得到铝钼一级合金。
32.在本发明中，所述第一铝源和钼源混合前，优选将所述第一铝源和钼源分别进行干燥；所述干燥温度优选为100～120℃，更优选为110℃，时间大于6小时。
33.本发明对所述干燥的方式没有特殊的限定，能够达到上述温度和时间即可，所述干燥可以去除第一铝源和钼源中的水，防止冶炼过程中出现析氧现象。
34.在本发明中，所述钼源优选为三氧化钼和二氧化钼的混合物；所述第一铝源优选为铝粉，所述铝粉的粒径优选为0～3mm，所述铝粉、三氧化钼和二氧化钼的质量比优选为
(1.950～2.050)：(1.750～1.850)：1，更优选为2.000：1.800：1。本发明通过控制第一铝源和钼源的质量比，从而控制铝钼一级合金中铝和钼的质量比，进而得到不同的铝钼一级合金，例如，在本发明的具体实施例中，铝粉、三氧化钼和二氧化钼的质量比设置为2.000：1.800：1，经过铝热反应后得到铝钼65一级合金，使用铝钼65一级合金稳定性高，并且铝钼65一级合金在相图上也是最适宜的。
35.本发明对所述混合的方法没有特殊的限定，采用本领域熟知的方法能够保证第一铝源和钼源混合均匀即可；在本发明的具体实施例中，所述混合优选在v型混料机中进行；所述v型混料机的混料速率优选为110～130r/min，较优为120r/min，混料时间优选为3～5min，更优选为4min。本发明通过混合使第一铝源和钼源充分接触，便于后续铝热反应的进行。
36.所述混合后，本发明优选将所得混合粉末进行点燃引发铝热反应；本发明对所述点燃的操作没有特殊的限定，采用本领域熟知的引发铝热反应的点燃方式即可。
37.本发明对所述铝热反应的反应装置没有特殊的限定，采用本领域熟知的铝热反应装置即可；在本发明的具体实施例中，所述铝热反应优选在熔炼炉中进行，所述熔炼炉的炉体优选为镁砖砌筑的炉体、三氧化二铝烧结的炉体或石墨板砌筑的炉体，更优选为镁砖砌筑的炉体；本发明所用炉体隔热效果好、不引入杂质。
38.在本发明中，所述铝热反应过程中，铝作为还原剂，将三氧化钼、二氧化钼还原为金属单质，铝被氧化为氧化铝，并释放大量的热能使金属(金属单质钼和过量的铝)熔化形成铝钼合金液；铝被氧化形成的氧化铝浮于铝钼合金液表面，与铝钼合金液分离并去除。本发明对所述分离和去除的过程没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的过程即可。
39.所述铝热反应完成后，优选将所得铝钼合金液进行冷却。在本发明中，所述冷却的方式优选为随炉冷却；冷却后出炉，得到所述铝钼一级合金。
40.得到铝钼一级合金后，本发明将所述铝钼一级合金、锆和第二铝源混合，进行真空熔炼，得到所述铝钼锆中间合金。
41.在本发明中，所述锆优选为含量99.5％以上的金属单质。
42.在本发明中，所述第二铝源优选为铝豆，所述铝豆的粒径优选为8～15mm。
43.在本发明中，所述铝钼一级合金和第二铝源的质量比优选为(4.520～14.500)：1，更优选为7.080：1。本发明对所述混合的过程没有特殊的限定，选用本领域技术人员熟知的过程能够将原料混合均匀即可。
44.进行所述真空熔炼之前，本发明优选将所述铝钼一级合金进行精整破碎和成分分析；本发明对所述精整破碎和成分分析的方法没有特殊的限定，采用本领域熟知的相应方法即可。完成所述精整破碎和成分分析之后，对所得合金不进行任何处理，直接将所得碎合金用于真空熔炼即可。本发明中所述真空熔炼中铝钼一级合金和第二铝源的加入量优选根据对铝钼一级合金的成分分析结果结合所需铝钼锆中间合金中各金属元素的质量含量进行确定。
45.在本发明中，所述真空熔炼优选在中频真空感应炉中进行；所述真空熔炼的真空度优选小于10帕。
46.在本发明中，所述真空熔炼优选包括依次进行的熔化和精炼。
47.在本发明中，所述熔化的过程优选为：将所述中频真空感应炉的功率调至起始功
率开始加热，20min后将功率提高到过渡功率加热至金属原料开始熔化；再将功率提高到稳定功率加热至金属原料全部熔化，得到混合熔体。在本发明中，所述起始功率优选为30～40kw，更优选为35kw，时间优选为20～25min，优选为20min；所述过渡功率优选为50～60kw，更优选为55kw，时间优选为30～40min，更优选为35min；所述稳定功率优选为70～80kw，更优选为75kw，时间优选为20～30min，更优选为25min。
48.所述熔化完成后，本发明优选将所得混合熔体进行精炼。在本发明中，所述精炼的功率优选为90～95kw，时间优选为4～5min，更优选为4min。在本发明中，所述精炼可以去除混合熔体中的杂质和气体，得到纯净的合金液。
49.所述真空熔炼完成后，本发明优选将所得合金液进行冷却。在本发明中，所述冷却的方式优选为浇注后随炉冷却；本发明对所述浇注的操作没有特殊的限定，采用本领域熟知的浇注方法即可；所述冷却的终止温度优选为150℃以下。冷却后出炉，得到所述铝钼锆中间合金。
50.本发明提供的上述制备方法中和了各元素之间的熔点差、密度差，避免了熔炼过程中因熔点差造成的元素烧损、因密度差导致的成分不均匀等问题，能够提高铝钼锆中间合金成分的均匀稳定性，并通过精炼降低o等杂质含量，且过程简单，易于控制，适用于大规模工业生产。
51.为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的铝钼锆中间合金及其制备方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
52.实施例1
53.一、铝热冶炼过程
54.(1)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼烘干，烘干温度110℃，烘干时间12h；
55.(2)依据三氧化钼、二氧化钼中钼的质量分数及化学反应中三氧化钼、二氧化钼的耗铝量计算铝热冶炼过程合金的质量配比：铝粉和三氧化钼、二氧化钼的质量比为2.000：1.800：1.000；
56.(3)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼装入混料机中以120r/min速率进行混料4min；
57.(4)将混合后的铝粉和三氧化钼、二氧化钼预热至装炉温度为43℃，点火冶炼，24h以后出炉，得到铝钼65一级合金。
58.二、真空熔炼过程配比
59.得到铝钼65一级合金后，将其精整破碎，分析成分后根据所需中间合金的组分要求计算熔炼过程配比：铝豆7.0kg、铝钼65一级合金31.5kg、海绵锆11.5kg。
60.三、送电前准备
61.(1)开启循环水泵，检查管路有无泄漏，调整各路水量分配适当、压力合适；
62.(2)检查电力系统，是否正常，如有异常，及时维修；
63.(3)确认观察孔玻璃透明状况，如不好，要打开盖进行擦拭或用砂纸打磨，装回后，扭动调位手钮，调位要灵活，压盖密封良好。
64.四、熔炼
65.(1)抽真空，抽到10pa时，送电熔炼；
66.(2)送电，起始功率35kw；
67.(3)20min后，功率调至55kw；
68.(4)肉眼见合金熔化后，功率调至75kw；
69.(5)合金熔化以后，提高功率至90kw，精炼3min，浇注。
70.五、冷却出炉，得到铝钼锆中间合金。
71.熔炼过程中可以观察到：合金变暗红且慢慢熔化，合金液发亮，变清。
72.对本实施例制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)不同位置处取样，进行化学成分分析，从合金锭上表面取两点，分别编号为1和2，合金锭下表面取两点，分别编号为3和4，合金锭中间部位取两点，分别编号为5和6进行成分分析，得到结果如表1所示。从表1可以看出，本实施例制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量低，成分均匀稳定，无偏析。
73.表1实施例1铝钼锆中间合金不同位置的化学成分
[0074][0075][0076]
实施例2
[0077]
一、铝热冶炼过程
[0078]
(1)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼烘干，烘干温度110℃，烘干时间12h；
[0079]
(2)依据三氧化钼、二氧化钼中钼的质量分数及化学反应中三氧化钼、二氧化钼的耗铝量计算铝热冶炼过程合金的质量配比：铝粉和三氧化钼、二氧化钼的质量比为2.000：1.800：1.000；
[0080]
(3)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼装入混料机中以120r/min速率进行混料4min；
[0081]
(4)将混合后的铝粉和三氧化钼、二氧化钼预热至装炉温度为43℃，点火冶炼，24h以后出炉，得到铝钼65一级合金。
[0082]
二、真空熔炼过程配比
[0083]
得到铝钼65一级合金后，将其精整破碎，分析成分后根据所需中间合金的组分要求计算熔炼过程配比：铝豆5.7kg、铝钼65一级合金32.3kg、海绵锆12.0kg。
[0084]
三、送电前准备
[0085]
(1)开启循环水泵，检查管路有无泄漏，调整各路水量分配适当、压力合适；
[0086]
(2)检查电力系统，是否正常，如有异常，及时维修；
[0087]
(3)确认观察孔玻璃透明状况，如不好，要打开盖进行擦拭或用砂纸打磨，装回后，扭动调位手钮，调位要灵活，压盖密封良好。
[0088]
四、熔炼
[0089]
(1)抽真空，抽到10pa时，送电熔炼；
[0090]
(2)送电，起始功率35kw；
[0091]
(3)20min后，功率调至55kw；
[0092]
(4)肉眼见合金熔化后，功率调至75kw；
[0093]
(5)合金熔化以后，提高功率至90kw，精炼4min，浇注。
[0094]
五、冷却出炉，得到铝钼锆中间合金。
[0095]
熔炼过程中可以观察到：合金变暗红且慢慢熔化，合金液发亮，变清。
[0096]
对本实施例制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)不同位置处取样，进行化学成分分析，从合金锭上表面取两点，分别编号为1和2，合金锭下表面取两点，分别编号为3和4，合金锭中间部位取两点，分别编号为5和6进行成分分析，得到结果如表2所示。从表2可以看出，本实施例制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量低，成分均匀稳定，无偏析。
[0097]
表2实施例2铝钼锆中间合金不同位置的化学成分
[0098][0099]
实施例3
[0100]
一、铝热冶炼过程
[0101]
(1)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼烘干，烘干温度110℃，烘干时间12h；
[0102]
(2)依据三氧化钼、二氧化钼中钼的质量分数及化学反应中三氧化钼、二氧化钼的耗铝量计算铝热冶炼过程合金的质量配比：铝粉和三氧化钼、二氧化钼的质量比为2.000：1.800：1.000；
[0103]
(3)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼装入混料机中以120r/min速率进行混料4min；
[0104]
(4)将混合后的铝粉和三氧化钼、二氧化钼预热至装炉温度为43℃，点火冶炼，24h以后出炉，得到铝钼65一级合金。
[0105]
二、真空熔炼过程配比
[0106]
得到铝钼65一级合金后，将其精整破碎，分析成分后根据所需中间合金的组分要求计算熔炼过程配比：铝豆4.7kg、铝钼65一级合金33.1kg、海绵锆12.3kg。
[0107]
三、送电前准备
[0108]
(1)开启循环水泵，检查管路有无泄漏，调整各路水量分配适当、压力合适；
[0109]
(2)检查电力系统，是否正常，如有异常，及时维修；
[0110]
(3)确认观察孔玻璃透明状况，如不好，要打开盖进行擦拭或用砂纸打磨，装回后，扭动调位手钮，调位要灵活，压盖密封良好。
[0111]
四、熔炼
[0112]
(1)抽真空，抽到10pa时，送电熔炼；
[0113]
(2)送电，起始功率35kw；
[0114]
(3)20min后，功率调至55kw；
[0115]
(4)肉眼见合金熔化后，功率调至75kw；
[0116]
(5)合金熔化以后，提高功率至90kw，精炼4min，浇注。
[0117]
五、冷却出炉，得到铝钼锆中间合金。熔炼过程中可以观察到：合金变暗红且慢慢熔化，合金液发亮，变清。
[0118]
对本实施例制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)不同位置处取样，进行化学成分分析，从合金锭上表面取两点，分别编号为1和2，合金锭下表面取两点，分别编号为3和4，合金锭中间部位取两点，分别编号为5和6进行成分分析，得到结果如表3所示。从表3可以看出，本实施例制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量低，成分均匀稳定，无偏析。
[0119]
表3实施例3铝钼锆中间合金不同位置的化学成分
[0120][0121][0122]
实施例4
[0123]
一、铝热冶炼过程
[0124]
(1)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼烘干，烘干温度110℃，烘干时间12h；
[0125]
(2)依据三氧化钼、二氧化钼中钼的质量分数及化学反应中三氧化钼、二氧化钼的耗铝量计算铝热冶炼过程合金的质量配比：铝粉和三氧化钼、二氧化钼的质量比为2.000：1.800：1.000；
[0126]
(3)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼装入混料机中以120r/min速率进行混料4min；
[0127]
(4)将混合后的铝粉和三氧化钼、二氧化钼预热至装炉温度为43℃，点火冶炼，24h以后出炉，得到铝钼65一级合金。
[0128]
二、真空熔炼过程配比
[0129]
得到铝钼65一级合金后，将其精整破碎，分析成分后根据所需中间合金的组分要求计算熔炼过程配比：铝豆3.7kg、铝钼65一级合金33.8kg、海绵锆12.5kg。
[0130]
三、送电前准备
[0131]
(1)开启循环水泵，检查管路有无泄漏，调整各路水量分配适当、压力合适；
[0132]
(2)检查电力系统，是否正常，如有异常，及时维修；
[0133]
(3)确认观察孔玻璃透明状况，如不好，要打开盖进行擦拭或用砂纸打磨，装回后，
扭动调位手钮，调位要灵活，压盖密封良好。
[0134]
四、熔炼
[0135]
(1)抽真空，抽到10pa时，送电熔炼；
[0136]
(2)送电，起始功率35kw；
[0137]
(3)20min后，功率调至55kw；
[0138]
(4)肉眼见合金熔化后，功率调至75kw；
[0139]
(5)合金熔化以后，提高功率至90kw，精炼4min，浇注。
[0140]
五、冷却出炉，得到铝钼锆中间合金。熔炼过程中可以观察到：合金变暗红且慢慢熔化，合金液发亮，变清。
[0141]
对本实施例制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)不同位置处取样，进行化学成分分析，从合金锭上表面取两点，分别编号为1和2，合金锭下表面取两点，分别编号为3和4，合金锭中间部位取两点，分别编号为5和6进行成分分析，得到结果如表4所示。从表4可以看出，本实施例制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量低，成分均匀稳定，无偏析。
[0142]
表4实施例4铝钼锆中间合金不同位置的化学成分
[0143][0144]
实施例5
[0145]
一、铝热冶炼过程
[0146]
(1)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼烘干，烘干温度110℃，烘干时间12h；
[0147]
(2)依据三氧化钼、二氧化钼中钼的质量分数及化学反应中三氧化钼、二氧化钼的耗铝量计算铝热冶炼过程合金的质量配比：铝粉和三氧化钼、二氧化钼的质量比为2.000：1.800：1.000；
[0148]
(3)将铝粉和三氧化钼、二氧化钼装入混料机中以120r/min速率进行混料4min；
[0149]
(4)将混合后的铝粉和三氧化钼、二氧化钼预热至装炉温度为43℃，点火冶炼，24h以后出炉，得到铝钼65一级合金。
[0150]
二、真空熔炼过程配比
[0151]
得到铝钼65一级合金后，将其精整破碎，分析成分后根据所需中间合金的组分要求计算熔炼过程配比：铝豆2.4kg、铝钼65一级合金34.6kg、海绵锆13.0kg。
[0152]
三、送电前准备
[0153]
(1)开启循环水泵，检查管路有无泄漏，调整各路水量分配适当、压力合适；
[0154]
(2)检查电力系统，是否正常，如有异常，及时维修；
[0155]
(3)确认观察孔玻璃透明状况，如不好，要打开盖进行擦拭或用砂纸打磨，装回后，扭动调位手钮，调位要灵活，压盖密封良好。
[0156]
四、熔炼
[0157]
(1)抽真空，抽到10pa时，送电熔炼；
[0158]
(2)送电，起始功率35kw；
[0159]
(3)20min后，功率调至55kw；
[0160]
(4)肉眼见合金熔化后，功率调至75kw；
[0161]
(5)合金熔化以后，提高功率至90kw，精炼4min，浇注。
[0162]
五、冷却出炉，得到铝钼锆中间合金。。
[0163]
熔炼过程中可以观察到：合金变暗红且慢慢熔化，合金液发亮，变清。
[0164]
对本实施例制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)不同位置处取样，进行化学成分分析，从合金锭上表面取两点，分别编号为1和2，合金锭下表面取两点，分别编号为3和4，合金锭中间部位取两点，分别编号为5和6进行成分分析，得到结果如表5所示。从表5可以看出，本实施例制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量低，成分均匀稳定，无偏析。
[0165]
表5实施例5铝钼锆中间合金不同位置的化学成分
[0166][0167][0168]
采用常规分析方法，对实施例1～5制备的铝钼锆中间合金锭(圆柱体)的一处位置取样进行化学成分分析，得到结果如表6所示。从表6可以看出，本实施例1～5制备的铝钼锆中间合金c、o杂质含量较低。
[0169]
表6实施例1～5铝钼锆中间合金的化学成分
[0170]
[0171]
从以上实施例可以看出，本发明提供的铝钼锆中间合金成分均匀稳定，杂质含量较低，因此作为原料生产钛合金时，有助于钛合金成分均匀化，防止成分偏析，优化钛合金熔炼时的配料工序，能够实现生产过程的精确配料。并且，本发明提供的制备方法简单，易操作，制备过程平稳可控，合金形成的状态好。
[0172]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。