[发明专利]亚/过共晶γ钛铝钒合金一步炉内连续化生产方法与装置

说明书

一种亚/过共晶γ钛铝钒合金一步炉内连续化生产方法与装置，属于特种自蔓延冶金技术领域。该亚/过共晶γ钛铝钒合金一步炉内连续化生产装置，分为加热反应区(加热和补热)、冷却区(过渡反应区及完全反应区)和传动系统，通过对钛铝钒合金粉末原料电磁感应加热诱发自蔓延反应，并根据反应不同阶段、炉体温度、反应釜温度及温升速率等，通过传动实现物料在不同区域的自动升降，进而分级加热和分级冷却。该方法通过调控物料中的成分比及加热、冷却工艺，实现按目标亚共晶、过共晶及共晶γ钛铝钒合金一步炉内连续化生产。该方法解决了Ф50～Ф100尺度的自蔓延真空合成γ钛铝钒合金、易爆、渣金难分离、产物氧含量高、生产过程不连续等关键问题。

技术领域

本发明属于特种自蔓延冶金技术领域，具体涉及一种亚/过共晶γ钛铝钒合金一步炉内连续化生产方法与装置。

背景技术

钛铝合金按相图分类可分为：α钛铝合金(Ti3Al)、β钛铝合金(TiAl3)、γ钛铝合金(TiAl)。钛铝合金具有低密度，优异的高温强度，良好的抗氧化性和抗蠕变性等优异性能。其中，γ钛铝合金相较于其他两类合金优势明显，比α钛铝合金密度更小、强度更高，比β钛铝合金耐高温性更好。因此，γ钛铝合金所具有的超强超轻耐高温，耐腐等综合性能，使其成为航空发动机涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高速低压涡轮、摇臂、转轴、紧固件等的理想候选材料。但是，γ钛铝合金相图区间窄，一般的合成方法很难生产出钛铝原子比50:50的共晶合金，而铝的原子比45％-49％之间的亚共晶合金，较共晶合金虽然耐高温性略有降低，但是韧性增强。铝原子比52％-58％的过共晶合金，较共晶合金虽然脆性增加，但是强度更高耐高温性更好。因此，合成亚/过共晶γ钛铝合金对生产飞机不同技术需求的部件具有可选择性的各自优势。

但是，由于γ钛铝合金中钛元素比例高、活性高，几乎与所有坩埚材料在高温下会发生反应，并且常用的加工方法要么是单炉产量低，金属收得率低；要么是氧化物含量高；要么工艺复杂设备昂贵；要么易燃易爆。且都无法实现Ф100大尺度的连续化生产高纯的亚/过共晶γ钛铝基合金，导致我国的航空发展关键材料依赖于美国瑞典发达国家进口，成为我国航空新材料生产领域的“卡脖子问题”。由于γ-TiAl二元合金脆性大、难加工，添加微量的第三元素钒(V)可以显著改善钛铝基合金的脆性。因此，开发一种高效的绿色的安全的公斤级γ钛铝钒三元合金制备方案，是解决我国“卡脖子”问题至关重要的一步。目前国内外生产γ钛铝钒合金常用的制备方法主要有：金属热还原方法、四步氯化法、KRH方法等。

(1)金属热还原方法又称为炉外点火法。采用局部点火引发还原反应，利用反应自身的热量自我维持反应顺利进行，而不需要在电炉里冶炼，故称为炉外点火法。目前，炉外法制备钛铝基合金通常是以含钛量较、多的钛原料，如金红石、钛白粉、钛渣等为原料，以铝粉为还原剂并加入发热剂和造渣剂进行铝热还原反应，得到钛铝基中间合金。炉外点火法技术反应过程不可控甚至存在爆炸的危险，所以不宜进行大尺度工业化生产，而且在非真空条件下制备合金，易导致γ钛铝基合金存在氧含量高，污染金属等问题，并且制备γ钛铝基合金的原料仅能一次性反应，金属收得率低。

(2)四步氯化法。第一步：氯气与二氧化钛制备出四氯化钛；第二步：Kroll法利用金属镁或者液态钠还原四氯化钛制备出海绵钛(Ti)；第三步：海绵钛与铝粉在炉体内一次熔炼；第四步：调整海绵钛与铝粉的上下位置进行二次熔炼，反复进行第三步与第四步待反应混合充分即可。四步氯化法技术存在的缺点是制备时间长、过程复杂、成本高，且制备过程由于有氯气的加入，存在污染空气的可能性，而且钛比较活泼，可能会与坩埚发生反应。