[发明专利]一种用于精炼钛和钛合金熔液的电化学脱氧方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于精炼钛和钛合金熔液的电化学脱氧方法，属于冶金精炼工艺技术领域。

技术背景

钛合金因其具有比强度高，耐腐蚀性能好等优异特点，已被广泛应用于航空航天、军工等特殊行业。但钛合金熔炼过程中的工艺控制对其偏析规律影响很大，如何减少成分偏析从而得到理想的钛锭组织成为钛合金发展中的难题。在高温下，钛与N、H、O等间隙元素的亲和力很强，随着氧含量增加，钛合金冲击韧性、断面收缩率和伸长率急剧下降，对钛合金造成严重的污染；并且氧在钛中溶解是不可逆过程，制备材料时应足够重视。

冶金过程中用于重熔的目的在于生产致密、无缺陷、成分均匀，具有所要求的化学成分、尺寸和晶粒结构的铸锭，但这一过程也不可避免地引入杂质，传统的脱氧方法不可避免地引入大量的非金属夹杂物，很大程度上影响了合金的使用性能。本专利根据电化学原理，通过外加电源促使金属液中氧离子发生定向迁移，在熔池中产生电化学反应，透过固体透氧膜在阳极聚集，并通过木棒导管移出，达到脱氧的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种工艺简单、操作方便，且快速有效的钛合金熔体脱氧净化工艺。

本发明一种用于精炼钛和钛合金熔液的电化学脱氧方法，其特征在于具有以下过程：以自制的氧化钇坩埚为反应容器熔炼钛合金，通过插入石墨棒也即为阴极和用氧化钇稳定的氧化锆管，并以锆管内的碳饱和铜液为阳极，由外加直流电源施加电场，并在实现气氛控制的条件下，控制氧离子在金属液中的传导方向和速度以及增强溶解氧在金属液中的传质，从而实现金属液的无污染脱氧精炼；氧化钇坩埚及反应容器放在传统通用的真空高温炉中，冲入氩气至10^-2Pa；直流电源供给装置的输出电压为0.1~5V的恒压电源，熔炼温度为1350℃~1650℃，反应时间为4h~8h；最终完成电化学脱氧过程。

本发明一种用于精炼钛和钛合金熔液的电化学脱氧方法的专用装置。包括有：Mo棒导杆、碳饱和铜液、SOM管、真空熔炼炉、氧化钇坩埚、石墨棒、石墨坩埚、合金样品及直流电源输入端；其特征在于：脱氧精炼装置部分置于真空熔炼炉内，炉内为真空后充入氩气气氛；氧化钇坩埚置于石墨坩埚内，在氧化钇坩埚内的金属液中插入石墨和充满碳饱和铜液的氧化钇稳定的氧化锆管，碳饱和铜液中插入钼棒导杆；石墨坩埚带盖，且在石墨坩埚盖与阴极、阳极间加绝缘刚玉套管密合。

所述的熔炼用氧化钇坩埚，该材料由Y₂O₃和5~20mol%CaO组成，并且需要加入以下至少一种粘结剂：石蜡，或丙三醇和无水乙醇，烧结温度为1200℃~1500℃。

所述的阴极为石墨棒，形状为圆棒或平板；阳极为氧化钇稳定的氧化锆管内的碳饱和铜液；钼棒导杆形状为圆棒或平板；电极可做成致密结构，也可以是多孔疏松结构；

所述的固体透氧膜（SOM）即氧化锆管，该管材料由ZrO₂和1~15mol%Y₂O₃组成，并且需要加入以下至少一种粘结剂：石蜡，或丙三醇和无水乙醇，烧结温度为1400℃~1700℃。

附图说明

图1 电化学脱氧装置原理简图（其中：1-Mo棒导杆，2-绝缘刚玉套管，3-碳饱和铜溶液，4-SOM管即氧化锆管，5-氧化钇坩埚，6-石墨棒，7-石墨坩埚盖，8-石墨坩埚，9-钛合金样品）

图2 氧化钇坩埚实物图

图3 氧化锆管实验前后形貌对比（a）实验前（b）试验后

具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述如下

实施例

将如图1所示的电化学脱氧装置放在常规通用的真空高温炉中，缓慢升温，同时不断抽真空，当升温至1000℃时停止抽真空，向炉内反充入高纯氩气至10^-2Pa，之后继续升温至1400℃保温。然后用可调式直流稳压电源向阴极和阳极间加载恒直流电压2.8V，在2.8V的电压下电解，并记录回路电流。随着电解进行，电解电流逐渐减小，当电解至3.5h时，电流突然降低，降至几乎为0，钛合金样品即完成钛合金的电化学脱氧过程中氧含量很低，不再有O^2-迁移产生电流。电解结束后，冷至室温取出产物，经洗涤、干燥后称重。

为便于比较电化学脱氧的效果，设置了一个对比实验，即将氧化钇坩埚置于真空高温炉中，不加载直流稳压电源进行钛合金熔炼实验，而不加电流进行电化学脱氧。表1为脱氧实验前后氧含量对比。

表1 电化学脱氧后钛合金中氧含量对比

钛合金O含量（wt%）脱氧后0.11熔炼后0.15