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CN113481393A - 一种钒铬钛合金及其制备方法 - Google Patents

一种钒铬钛合金及其制备方法 Download PDF

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杨勋刚
姚志勇
宋虎
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Abstract

本发明公开了一种制备钒铬钛合金的方法，属于有色金属合金制备领域，目的在于解决目前仅采用真空电弧熔炼难以控制或降低钒铬钛合金中氧含量的问题。本发明中，首先利用真空电子束熔炼擅长于金属纯化的特点，获得经过脱氧纯化的金属钒锭；再利用真空电子束熔炼的冶金过程不易引入杂质的优势，制备合金自耗电极；最后充分发挥真空电弧熔炼技术在合金化方面的优势，最终获得成分较均匀、氧含量较低的钒铬钛合金铸锭。基于制备方法的改进，可获得化学成分更优异的钒铬钛合金铸锭，为后续的铸锭开坯、型材制备提供了更大的工艺参数选择空间。

Description

一种钒铬钛合金及其制备方法
技术领域
本发明属于有色金属合金制备领域，具体涉及钒合金制造领域，具体为一种联合使用真空电子束熔炼与真空电弧熔炼制备钒铬钛合金的方法，其制备得到的钒铬钛合金。
背景技术
钒合金因其具有优良的高温性能、良好的加工性、较好的抗中子辐照稳定性以及与液态锂的良好相容性而被认为是聚变堆第一壁包层的候选低活化结构材料。在制备方法探索方面，自20世纪60年代以来，国外研究机构先后采用真空电子束熔炼、真空电弧熔炼、磁悬浮熔炼和粉末冶金等方法制备钒合金。
具体到钒铬钛(V-(4～5)wt.％Cr-(4～5)wt.％Ti)合金而言，与元素钒(V)和钛(Ti)相比，相同温度下元素铬(Cr)的饱和蒸汽压更高，更易挥发，熔炼过程中含量及均匀性较难控制。因此，在采用真空电子束熔炼方法直接制备钒铬钛合金时，因熔池上部区域的真空约在10-3Pa量级，元素挥发量大，面临铸锭中Cr元素的均匀性难以控制这一难题。然而，采用真空电弧熔炼方法制备钒铬钛合金时，因熔池上部区域聚集大量的挥发物不能及时排走，其真空约在1Pa～10Pa量级，所以难以实现对合金的纯化，无法获得较低氧含量的铸锭。综合对比而言，真空电子束熔炼方法的优势在于金属提纯，而真空电弧熔炼技术的优势在于合金化。
因此为了突破单一熔炼方法的局限，将两种制备技术的优点相融合，发挥组合优势，本发明将真空电子束熔炼和真空电弧熔炼联合用于制备钒铬钛合金，形成双联工艺。
发明内容
本发明的目的在于，针对在制备钒铬钛合金时，仅采用真空电子束熔炼难以控制成分均匀性，只采用真空电弧熔炼时无法实现对合金的纯化的问题，提供一种联合使用真空电子束熔炼与真空电弧熔炼制备钒铬钛合金的方法。本发明中，首先采用真空电子束熔炼纯化金属钒，降低其中的杂质含量，获得较高纯度的原材料。再利用压力加工获得钒板材。随后利用真空电子束熔炼制备自耗电极。最后采用真空电弧熔炼实现合金化，获得钒铬钛合金，以达到两种熔炼方法的优势相结合的目标。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
一种制备钒铬钛合金的方法，所述制备钒铬钛合金的方法包括以下步骤：
(1)按如下质量百分比称取各组分：1wt.％～2wt.％铝颗粒，余量为枝晶钒，杂质元素含量小于0.08wt.％，备用；
(2)将步骤(1)称取的金属铝和枝晶钒均匀混合后进行真空电子束熔炼，获得纯化后的金属钒锭；
(3)将步骤(2)获得的金属钒锭进行压力加工，制备得到钒板材；
(4)按如下质量百分比称取各组分：4.2wt.％～6.2wt.％金属铬，3.8wt.％～5.6wt.％金属钛，余量为步骤(3)制备的钒板材；
(5)利用真空电子束熔炼将步骤(4)称取的金属钛、金属铬和钒板材制作为自耗电极；
(6)将步骤(5)制备的自耗电极进行真空电弧熔炼，得到钒铬钛合金铸锭。
根据一个优选的实施方式，所述铝颗粒纯度高于99.9wt.％，所述金属钛的纯度高于99.9wt.％，所述金属铬的纯度高于99.9wt.％。
根据一个优选的实施方式，所述步骤(2)中，真空电子束熔炼反应条件如下：炉内真空度为3×10-3Pa～5×10-4Pa，电子枪的功率控制在30kW～45kW，拉锭速率为3mm/min～8mm/min，铸锭外径为Φ40毫米。
根据一个优选的实施方式，所述步骤(3)中，在压力加工过程中，采用多道次工艺进行钒板材成型。
根据一个优选的实施方式，所述步骤(5)中，真空电子束熔炼制备自耗电极的反应条件如下：炉内真空度为3×10-3Pa～5×10-4Pa，电子枪的功率控制在10kW～15kW。
根据一个优选的实施方式，自耗电极制备过程中采用的电极模具是型腔为半圆柱形的水冷铜坩埚。
根据一个优选的实施方式，所述步骤(6)中，真空电弧熔炼条件如下：炉内真空度为3×10-2Pa～6×10-3Pa，熔炼电流为1100A～1300A，稳弧电压24V～26V。
根据一个优选的实施方式，所述步骤(6)中，真空电弧熔炼所采用的坩埚是内径为Φ90毫米水冷铜坩埚。
一种钒铬钛合金，所述钒铬钛合金为由前述制备钒铬钛合金的方法所制备的产品。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
本发明的有益效果在于：本发明中，首先利用真空电子束熔炼擅长于金属纯化的特点，获得经过脱氧纯化的金属钒锭；再利用真空电子束熔炼的冶金过程不易引入杂质的优势，制备合金自耗电极；最后充分发挥真空电弧熔炼技术在合金化方面的优势，最终获得成分较均匀、氧含量较低的钒铬钛合金铸锭。基于制备方法的改进，可获得化学成分更优异的钒铬钛合金铸锭，为后续的铸锭开坯、型材制备提供了更大的工艺参数选择空间。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中，所采用的金属钒为纯度高于99.9wt.％的枝晶钒，金属铝为纯度高于99.9wt.％的铝颗粒，金属钛为纯度高于99.9wt.％的钛丝，金属铬为纯度高于99.9wt.％的铬条。在成分控制中，钒铬钛合金中的钛含量为3.5wt.％～5.5wt.％，铬含量为3.5wt.％～5.5wt.％，余量为钒，杂质元素含量小于0.12wt.％。
实施例1
按如下质量百分比称取各组分：1.2wt.％铝颗粒，98.8wt.％枝晶钒，备用。
首先制备经真空电子束熔炼纯化的金属钒板，具体如下。
(1)真空电子束熔炼纯化金属钒
将称取的铝颗粒和枝晶钒混合均匀后装入真空电子束熔炼炉的送料机构之中，随后进行真空电子束熔炼。熔炼条件如下：炉内真空度为3×10-3Pa～8×10-4Pa，电子枪的功率控制在30kW～35kW，拉锭速率为3mm/min～5mm/min。冷却后，获得纯化后的金属钒锭。随后对铸锭进行表面车削加工，获得钒锭。
(2)压力加工获得钒板材
将步骤(1)制备所得的钒锭进行压力加工以获得板材，利用剪板机切割获得钒板，并对其表面进行清洗后备用。
(3)制备自耗电极
按如下质量百分比称取各组分：5.9wt.％金属铬，5.1wt.％金属钛，余量为金属钒板。将三种原料均匀地填充到型腔为半圆柱形的水冷铜坩埚中，然后利用真空电子束熔炼炉进行熔化成型获得自耗电极。真空电子束熔炼条件如下：真空度为6×10-3Pa～8×10- 4Pa，电子枪的功率为12kW。
(4)真空电弧熔炼
首先将步骤(3)所得自耗电极焊接至真空电弧熔炼炉的电极上，随后进行真空电弧熔炼，熔炼条件如下：炉内真空度为6×10-2Pa～7×10-3Pa，熔炼电流为1100A，稳弧电压24V。熔炼完成冷却后，获得钒铬钛合金铸锭。随后，分别从铸锭的上、中、下三个部位取样进行化学成分分析，如表1所示，铸锭的铬含量为4.8wt.％～5.1wt.％，钛含量为4.6wt.％～4.8wt.％，氧含量为350ppm～390ppm，铝含量为19ppm～22ppm。可见，该双联工艺方法制备的钒铬钛合金中的氧含量比仅采用真空电弧熔炼所得合金的氧含量低(500ppm～600ppm)。
表1实施例1电弧铸锭的化学成分分析结果
Figure BDA0002824980060000061
实施例2
按如下质量百分比称取各组分：1.5wt.％铝颗粒，98.5wt.％枝晶钒，备用。
首先制备经真空电子束熔炼纯化的金属钒板，具体如下。
(1)真空电子束熔炼纯化金属钒
将称取的铝颗粒和枝晶钒混合均匀后装入真空电子束熔炼炉的送料机构之中，随后进行真空电子束熔炼。熔炼条件如下：炉内真空度为4×10-3Pa～9×10-4Pa，电子枪的功率控制在32kW～35kW，拉锭速率为4mm/min～5mm/min。冷却后，获得纯化后的金属钒锭。随后对钒锭进行表面车削加工，获得钒锭。
(2)压力加工获得钒板材
将步骤(1)制备所得的钒锭进行压力加工以获得板材，利用剪板机切割获得钒板，并对其表面进行清洗后备用。
(3)制备自耗电极
按如下质量百分比称取各组分：4.7wt.％金属铬，4.1wt.％金属钛，余量为金属钒板。将三种原料均匀地填充到型腔为半圆柱形的水冷铜坩埚中，然后利用真空电子束熔炼炉进行熔化成型获得自耗电极。真空电子束熔炼条件如下：真空度为7×10-3Pa～8×10- 4Pa，电子枪的功率为13kW。
(4)真空电弧熔炼
首先将步骤(3)所得自耗电极焊接至真空电弧熔炼炉的电极上，随后进行真空电弧熔炼，熔炼条件如下：炉内真空度为9×10-2Pa～7×10-3Pa，熔炼电流为1200A，稳弧电压25V。熔炼完成冷却后，获得钒铬钛合金铸锭。随后，分别从铸锭的上、中、下三个部位取样进行化学成分分析，铸锭的铬含量为3.7wt.％～4.1wt.％，钛含量为3.8wt.％～4.1wt.％，氧含量为360ppm～380ppm，铝含量为20ppm～22ppm。
实施例3
按如下质量百分比称取各组分：1.8wt.％铝颗粒，98.2wt.％枝晶钒，备用。
首先制备经真空电子束熔炼纯化的金属钒板，具体如下。
(1)真空电子束熔炼纯化金属钒
将称取的铝颗粒和枝晶钒混合均匀后装入真空电子束熔炼炉的送料机构之中，随后进行真空电子束熔炼。熔炼条件如下：炉内真空度为5×10-3Pa～8×10-4Pa，电子枪的功率控制在32kW～38kW，拉锭速率为4mm/min～7mm/min。冷却后，获得纯化后的金属钒锭。随后对钒锭进行表面车削加工，获得钒锭。
(2)压力加工获得钒板材
将步骤(1)制备所得的钒锭进行压力加工以获得板材，利用剪板机切割获得钒板，并对其表面进行清洗后备用。
(3)制备自耗电极
按如下质量百分比称取各组分：5.0wt.％金属铬，4.6wt.％金属钛，余量为金属钒板。将三种原料均匀地填充到型腔为半圆柱形的水冷铜坩埚中，然后利用真空电子束熔炼炉进行熔化成型获得自耗电极。真空电子束熔炼条件如下：真空度为7×10-3Pa～6×10- 4Pa，电子枪的功率为14kW。
(4)真空电弧熔炼
首先将步骤(3)所得自耗电极焊接至真空电弧熔炼炉的电极上，随后进行真空电弧熔炼，熔炼条件如下：炉内真空度为8×10-2Pa～8×10-3Pa，熔炼电流为1250A，稳弧电压25V。熔炼完成冷却后，获得钒铬钛合金铸锭。随后，分别从铸锭的上、中、下三个部位取样进行化学成分分析，铸锭的铬含量为4.3wt.％～4.6wt.％，钛含量为4.2wt.％～4.5wt.％，氧含量为350ppm～380ppm，铝含量为21ppm～25ppm。
本发明中，首先利用真空电子束熔炼擅长于金属纯化的特点，获得经过脱氧纯化的金属钒锭；再利用真空电子束熔炼的冶金过程不易引入杂质的优势，制备合金自耗电极；最后充分发挥真空电弧熔炼技术在合金化方面的优势，最终获得成分较均匀、氧含量较低的钒铬钛合金铸锭。基于制备方法的改进，可获得化学成分更优异的钒铬钛合金铸锭，为后续的铸锭开坯、型材制备提供了更大的工艺参数选择空间。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述制备钒铬钛合金的方法包括以下步骤：
(1)按如下质量百分比称取各组分：1wt.％～2wt.％铝颗粒，余量为枝晶钒，杂质元素含量小于0.08wt.％，备用；
(2)将步骤(1)称取的金属铝和枝晶钒均匀混合后进行真空电子束熔炼，获得纯化后的金属钒锭；
(3)将步骤(2)获得的金属钒锭进行压力加工，制备得到钒板材；
(4)按如下质量百分比称取各组分：4.2wt.％～6.2wt.％金属铬，3.8wt.％～5.6wt.％金属钛，余量为步骤(3)制备的钒板材；
(5)利用真空电子束熔炼将步骤(4)称取的金属钛、金属铬和钒板材制作为自耗电极；
(6)将步骤(5)制备的自耗电极进行真空电弧熔炼，得到钒铬钛合金铸锭。
2.根据权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述铝颗粒纯度高于99.9wt.％，所述金属钛的纯度高于99.9wt.％，所述金属铬的纯度高于99.9wt.％。
3.根据权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，真空电子束熔炼反应条件如下：炉内真空度为3×10-3Pa～5×10-4Pa，电子枪的功率控制在30kW～45kW，拉锭速率为3mm/min～8mm/min，铸锭外径为Φ40毫米。
4.根据权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述步骤(3)中，在压力加工过程中，采用多道次工艺进行钒板材成型。
5.根据权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述步骤(5)中，真空电子束熔炼制备自耗电极的反应条件如下：炉内真空度为3×10-3Pa～5×10-4Pa，电子枪的功率控制在10kW～15kW。
6.根据权利要求5所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：自耗电极制备过程中采用的电极模具是型腔为半圆柱形的水冷铜坩埚。
7.根据权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，真空电弧熔炼条件如下：炉内真空度为3×10-2Pa～6×10-3Pa，熔炼电流为1100A～1300A，稳弧电压24V～26V。
8.根据权利要求7所述制备钒铬钛合金的方法，其特征在于：所述步骤(6)中，真空电弧熔炼所采用的坩埚是内径为Φ90毫米水冷铜坩埚。
9.一种钒铬钛合金，其特征在于，所述钒铬钛合金为由权利要求1所述制备钒铬钛合金的方法所制备的产品。
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