[发明专利]一种生产含硅海绵钛的装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及有色金属冶炼领域，具体涉及一种生产含硅海绵钛的装置及工艺。

背景技术

硅元素作为海绵钛杂质元素，在海绵钛生产过程中进行严格控制；海绵钛中的硅元素主要来自于与镁锭和四氯化钛，使用合格四氯化钛和低硅镁锭生产的海绵钛硅含量通常低于0.01%，硅元素在海绵钛的含量稳定，完全满足钛合金对海绵钛硅含量的要求。RMI研究发现添加至少量Si（0.1%）就可以显著提高Ti-6242S合金的抗蠕变性能，以后研发的所有新型钛合金都加入硅。研究认为，硅在高温将在位错上沉淀析出，可以有效阻止位错攀移，同样也可以阻碍变形进行。Si、Sn、Zr和间隙相原子氧可以强化α合金，硅原子在位错附近偏聚，阻止位错攀移，从而提高合金的抗蠕变性能，添加部分Zr能使细小的硅化物析出相均匀分布，硅属于活性共析元素，不能将β相稳定到室温，是提高热强性和耐热性的重要微量元素之一，但大多数高温合金添加量不会超过0.5%，添加硅成为高温合金设计的一条重要的途径。

近α钛合金为典型的高温合金，由于它们兼具α钛合金有一的抗蠕变性能和α+β钛合金的高强度。这类合金使用温度为500～550℃，几乎所有新型高温钛合金都加入了0.1~0.5%的硅进行合金化。英国IMI834（Ti-5.8Al-4Sn-3.5Zr-0.7Nb-0.5Mo-0.35Si-0.06C）、Ti6242S (Ti-6AL-2Sn-4Zr-2Mo-0.1Si)国内TA19，美国的Ti-1100（Ti-6Al-2.75Sn-4Zr-0.4Mo-0.45Si），俄罗斯的BT36（Ti-6.2Al-2Sn-4Zr-0.7Mo-5.0W-0.15Si）和中国的Ti60、等，这类合金最大的特点添加Si，具有最大的高温抗蠕变力，该合金适用于长期工作在500～600℃。

α+β型钛合金又称为马氏体型钛合金，如常用TC6（Ti-6Al-1.5Cr-

2.5Mo-0.5Fe-0.3Si），TC11（Ti-6.5AL-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si），西北有色金属研究院创新研制的高强高韧高损伤容限性钛合金TC21（Ti-6AL-2.5Mo-2Nb-2Sn-2Zr-1.5Cr-0.1Si），而增加固溶态的硅和促进相析出的热处理制度可明显提高持久性能硅化物在α片层之间析出, 对片层相界面起到有效的钉扎作用, 提高材料蠕变抗力.添加少了共析元素硅，可进一步提高抗蠕变能力，使用温度400～500℃，但室温强度高于α钛合金。

亚稳定β钛合金，TB8（Ti-15Mo-3AL-2.7Nb-0.25Si），是高强度钛合金，添加硅增强了室温轻度。稳定β型阻燃钛合金Ti40（Ti-25V-15Cr-0.2Si），添加少了共析元素硅，可进一步提高抗蠕变能力。

硅化物的析出会导致高温钛合金塑性，在外加应力水平较高的持久实验条件下,钛合金中硅化物的大量析出降低了材料的持久性能。在此条件下，位错在大颗粒硅化物处产生塞积, 导致硅化物开裂或与基体脱粘产生微孔, 微孔聚集后发生过早断裂是导致持久性能降低的主要原因。但硅化物的析出只对提高蠕变性能有利，而大颗粒硅化物的存在使位错在与其相遇时发生位错塞积, 导致基体与硅化物脱粘或硅化物发生破裂, 在材料内部过早产生显微空洞, 这些显微空洞相互连接, 导致样品提前断裂。 

对持久性能的作用取决于硅化物的析出量及颗粒尺寸. 硅化物的作用也是负面的, 如韧性降低、裂纹扩展速率增加、降低塑形等，所以硅化物的析出量和颗粒尺寸需要严格控制，保证钛合金的蠕变性能和持久性能达到最佳。

发明内容

本发明目的是提供一种生产含硅海绵钛的装置及工艺，通过直接在海绵钛生成过程中添加硅来解决上述技术中存在的问题。

本发明通过控制四氯化钛的硅含量，以达到稳定、准确控制海绵钛中硅含量的目的。根据高温钛合金和高强钛合金对硅含量的要求，生产含硅量符合要求的海绵钛，不需要在钛合金熔炼过程中添加其他硅铝、硅钛等中间合金，避免了常规方法造成的成分偏析和局部缺陷，在钛合金析出的硅化物和颗粒尺寸非常理想，有效解决了钛合金添加硅元素的负面影响；另外也降低了钛合金配料混料的难度，保证了钛锭的成分均匀和质量稳定，解决了国内钛合金添加硅元素的一系列技术难题。