[发明专利]一种低成本钛合金制备方法

说明书

本发明公开了一种低成本钛合金的制备方法。通过不脱钒、完全脱氧或部分脱氧工艺获得低氧或含氧、含钒精制四氯化钛，以低氧或含氧、含钒精制四氯化钛为原料，制备氧0.06‑0.6%、钒0.20%‑6.0%海绵钛，以低氧或含氧、含钒低成本海绵钛为原料，采用水冷坩埚中频感应熔炼技术、电子束冷床炉熔炼技术、等离子体冷床炉熔炼技术、真空自耗电弧熔炼技术中的两种或者三种进行组合，熔炼、铸造高品质钛合金铸锭。本发明利用将钒、钛及钒钛合金化三合一工艺制备的含钒低成本海绵钛为原料，熔铸高品质钛合金，利用资源综合利用带入的氧和贵金属钒进行合金化，极大的降低原料成本，对促进钛合金在工业、农业等民品市场推广应用具有促进作用。

技术领域

本发明涉及钛及钛合金的熔炼，属于有色金属熔铸及加工技术领域，尤其涉及一种低成本钛合金制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐腐蚀、无磁性、低阻尼、高低温性能好、生物相容性好等优点，并具有超导、形状记忆和储氢特性，在航空航天、潜艇舰船、火电核电、海洋工程、冶金化工、医学及体育休闲领域广泛应用，是当代最具技术魅力的金属材料，被人们美誉为“太空金属””、“海洋金属”，是21世纪重要的战略金属。

尽管钛合金具有质轻、高强、耐热、耐腐、无磁性和良好的生物兼容性等优点，目前，钛及钛合金的应用仍然主要局限于航空航天、军工舰船以及特殊的化工耐蚀领域。虽被美誉为“第三金属”，全世界的年总用量仍然不足20万吨。影响钛合金广泛应用的主要障碍仍然是成本。高昂的原料成本、高昂的加工费用是制约钛合金广泛应用的关键。海绵钛是高耗能产业，生产每吨海绵钛的综合能耗高达34000度电，需要4.4吨纯度达到99.94%左右的精制TiCl₄。钛合金中的很多合金元素属于稀有金属、甚至贵金属，钒、铌、钽、钨、钼、锆、钯、镍等是钛合金中的主要合金元素，大大推高了钛合金的原料成本。钛合金需要在高温、高真空的特殊条件下反复熔铸，制得的合金锭塑性很差，后续的加工工艺流程长，加工过程复杂，加工成才率低下，加工成本极高。以最早开发、最典型、应用最广泛的TC4合金为例，其名义成分为Ti-6Al-4V，钒的名义含量4%。海绵钛的价格为70000元/吨，钒的价格为2300000元/吨，熔铸每吨TC4合金需要花费95000元购置合金元素钒，合金元素的成本远远超出基体金属钛的成本。以美国军品市场钛制品价格为例，当海绵钛价格为4000美元/吨时，钛制品的价格为40000美元/吨。我国2011年海绵钛平均价格在60000元/吨左右，高端钛制品的平均价格达到400000元/吨。目前，高昂的原料成本和高昂的制造成本，

使得高端钛制品的价格提升到海绵钛价格的6-10倍。

钒和铝是国内外现有钛合金的主要合金元素，氧的作用与铝相同。以我国现行《钛及钛合金牌号和化学成分》国家标准GB/T3620.1-2007为例，共收录了67种钛合金，有23种合金中含有金属钒，含量范围在0.5%-16.0%之间，多数合金的钒含量在3.5%以上，仅有3种合金的钒含量低于1%。在余下的44种合金中，有41种合金部分地或者全部地以低价金属（钒的价格比钼高10倍,比镍高20倍）Mo、Ni、Fe、Si、Cu代替贵金属V。Ti-6Al-4V是目前应用最广泛的钛合金，现在正在使用的钛合金中，有超过80%的合金是由Ti-6Al-4V合金衍生而来，钒是钛合金家族中最重要的合金元素。

铝和氧在钛合金中都是作为α相的稳定元素，扩大α相区。中国和俄罗斯将铝作为α相的稳定剂使用，而将氧作为杂质进行控制。在我国国家标准收录的67种钛合金中，有57种合金将铝作为主要合金元素，铝的含量在0.4%-8.35%之间，仅有一种合金铝含量低于1%，多数合金的铝含量在3%以上。

我国钛资源以钒钛磁铁矿为主，现有的钛冶金工艺，消耗大量的人力、物力、财力脱除钛精矿、高钛渣冶炼、高钛渣、粗TiCl₄中的钒，最后得到含钒量极低的海绵钛。在随后的钛合金加工过程中，需要花费大量的成本购进贵金属钒和铝，使得海绵钛和钛合金的制造成本大幅升高，严重影响钛合金制品广泛应用，制约钛产业的发展。