[发明专利]熔盐介质中铝热还原二氧化钛制备铝钛母合金的方法

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种熔盐介质中铝热还原二氧化钛制备铝钛母合金的方法。

背景技术

钛铝基合金具有密度小、高强度、高抗氧化性、优良的抗蠕变性能等优点，而成为一种极具应用前景的新型结构材料，在航空航天和汽车工业等领域具有广阔的市场前景。

目前铝钛基合金的熔炼方法有对掺法、真空电弧熔炼法、自蔓延高温合成法、粉末冶金等方法。对掺法制备钛铝基合金存在成本高，工艺复杂等问题，且消耗昂贵的金属钛；真空电弧熔炼法熔炼速度快，可生产大型铸锭，但能耗较大，成本高，铸锭的晶粒尺寸分布不均匀，需要结合铸锭冶金等方法成形；自蔓延高温合成法直接以相应氧化物为原料，铝热还原制备钛铝基合金，该方法操作简单，能耗少。但是产物中氧含量偏高，孔隙度较高，材料性能不够理想；粉末冶金法通过采用常规塑性加工的方法将元素粉末或预合金粉末固结成形，再通过烧结实现致密化。该方法制备的钛铝基合金成分均匀，力学性能好，但是原料制备成本高，烧结性能较差。

由于高温时金属钛化学活性高，在制备合金过程中上述诸方法均存在合金中各元素物性差别大、性能对组织敏感性高等诸多问题，导致铝钛基合金制备成本高，工艺复杂。因此，选择合适的制备方法对提高合金质量及降低生产成本至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种熔盐介质中铝热还原二氧化钛制备铝钛母合金的方法，以熔盐中的金属铝雾为还原剂，在750~950℃条件下，金属铝雾在熔盐介质中还原溶解在熔盐介质中的TiO₂制备铝钛母合金；铝热还原结束之后，将含有还原产物氧化铝的电解质在750~950℃条件下，以Fe-Ni合金或Fe-Ni-Al₂O₃为惰性阳极电解，制备金属铝和氧气。由此实现还原剂金属铝的循环利用，且副产品为氧气，实现零温室气体排放。本发明的技术方案如下：

熔盐介质中铝热还原二氧化钛制备铝钛母合金的方法，按照以下工艺步骤进行：

（1）将二氧化钛和熔盐介质混合均匀，加热至750~950℃条件下熔化，使二氧化钛完全溶解于熔盐介质中；

（2）将金属铝加入到步骤（1）的混合熔盐中，在750~950℃保温还原反应2~6h；

（3）停止反应，反应混合物冷却至室温，将生成的铝钛母合金从反应混合物中取出；将剩余的含有还原产物氧化铝的熔盐采用Fe-Ni合金或者Fe-Ni-Al₂O₃金属陶瓷为阳极，铝液为阴极，在750~950℃及电流密度在0.4~1.0A/cm²条件下，电解2~4 h，在阴极获得金属铝，阳极获得氧气；

（4）收集步骤（3）获得的金属铝和剩余熔盐，其中剩余熔盐循环套用至下一个步骤（1）中使用；金属铝循环套用至下一个步骤（2）中使用。

所述步骤（1）的熔盐介质按质量百分比的化学成分为：NaF 1.07~51.22%，KF 0~53.37%，AlF₃ 44.28~51.87%，CaF₂ 0~5%，余量为杂质。

所述步骤（1）的二氧化钛用量为二氧化钛和熔盐介质混合物料总质量的4~8%。

所述步骤（2）的金属铝用量按金属铝与二氧化钛中钛的摩尔比为4~10：1计。

所述步骤（3）的铝钛母合金按质量百分比含Ti 9.71~28.65%，Al 71.23~90.12%。

所述步骤（3）的阴极获得的金属铝的重量纯度为97.97~99.01%，杂质主要为0.81~1.73%Ti；阳极获得的氧气的纯度为97.98%～99.07%。

金属铝溶解在钠冰晶石/钾冰晶石熔盐介质中，形成的金属铝雾包含低价铝离子Al(I)和零价铝胶体颗粒Al (0)，两者均具有很强的还原性。而在溶解了二氧化钛的熔盐中，形成络合态的四价钛Ti(IV)，Al(I)和Al (0)均可对Ti(IV)进行逐步的还原到钛，钛再和铝结合成铝钛合金。熔盐介质中金属铝雾还原二氧化钛具体涉及的反应方程式为：

Al+Ti⁴⁺_（络合）→ Ti³⁺_（络合）+ Al³⁺[1]；

Al +Ti³⁺_（络合）→ Ti⁺+ Al ³⁺[2]；