[發明專利]一種用于精煉鈦和鈦合金熔液的電化學脫氧方法

有效

• 申請號: 201210499982.4
• 申請日: 2012-11-30
• 公開（公告）號: CN102943182A
• 公開（公告）日: 2013-02-27
• 發明（設計）人: 姜敏;李重河;魯雄剛;張釗;周菲菲;萬怡猛;吳廣新;張東;何文英;何建平
• 申請（專利權）人: 上海大學;上海晉拓金屬制品有限公司
• 主分類號: C22B9/00
• 分類號: C22B9/00;C22B34/12;C22C1/00;C22C14/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種用于精煉鈦和鈦合金熔液的電化學脫氧方法，屬于冶金精煉工藝技術領域。

技術背景

鈦合金因其具有比強度高，耐腐蝕性能好等優異特點，已被廣泛應用于航空航天、軍工等特殊行業。但鈦合金熔煉過程中的工藝控制對其偏析規律影響很大，如何減少成分偏析從而得到理想的鈦錠組織成為鈦合金發展中的難題。在高溫下，鈦與N、H、O等間隙元素的親和力很強，隨著氧含量增加，鈦合金沖擊韌性、斷面收縮率和伸長率急劇下降，對鈦合金造成嚴重的污染；并且氧在鈦中溶解是不可逆過程，制備材料時應足夠重視。

冶金過程中用于重熔的目的在于生產致密、無缺陷、成分均勻，具有所要求的化學成分、尺寸和晶粒結構的鑄錠，但這一過程也不可避免地引入雜質，傳統的脫氧方法不可避免地引入大量的非金屬夾雜物，很大程度上影響了合金的使用性能。本專利根據電化學原理，通過外加電源促使金屬液中氧離子發生定向遷移，在熔池中產生電化學反應，透過固體透氧膜在陽極聚集，并通過木棒導管移出，達到脫氧的目的。

發明內容

本發明的目的是提供一種工藝簡單、操作方便，且快速有效的鈦合金熔體脫氧凈化工藝。

本發明一種用于精煉鈦和鈦合金熔液的電化學脫氧方法，其特征在于具有以下過程：以自制的氧化釔坩堝為反應容器熔煉鈦合金，通過插入石墨棒也即為陰極和用氧化釔穩定的氧化鋯管，并以鋯管內的碳飽和銅液為陽極，由外加直流電源施加電場，并在實現氣氛控制的條件下，控制氧離子在金屬液中的傳導方向和速度以及增強溶解氧在金屬液中的傳質，從而實現金屬液的無污染脫氧精煉；氧化釔坩堝及反應容器放在傳統通用的真空高溫爐中，沖入氬氣至10^-2Pa；直流電源供給裝置的輸出電壓為0.1~5V的恒壓電源，熔煉溫度為1350℃~1650℃，反應時間為4h~8h；最終完成電化學脫氧過程。

本發明一種用于精煉鈦和鈦合金熔液的電化學脫氧方法的專用裝置。包括有：Mo棒導桿、碳飽和銅液、SOM管、真空熔煉爐、氧化釔坩堝、石墨棒、石墨坩堝、合金樣品及直流電源輸入端；其特征在于：脫氧精煉裝置部分置于真空熔煉爐內，爐內為真空后充入氬氣氣氛；氧化釔坩堝置于石墨坩堝內，在氧化釔坩堝內的金屬液中插入石墨和充滿碳飽和銅液的氧化釔穩定的氧化鋯管，碳飽和銅液中插入鉬棒導桿；石墨坩堝帶蓋，且在石墨坩堝蓋與陰極、陽極間加絕緣剛玉套管密合。

所述的熔煉用氧化釔坩堝，該材料由Y₂O₃和5~20mol%CaO組成，并且需要加入以下至少一種粘結劑：石蠟，或丙三醇和無水乙醇，燒結溫度為1200℃~1500℃。

所述的陰極為石墨棒，形狀為圓棒或平板；陽極為氧化釔穩定的氧化鋯管內的碳飽和銅液；鉬棒導桿形狀為圓棒或平板；電極可做成致密結構，也可以是多孔疏松結構；

所述的固體透氧膜（SOM）即氧化鋯管，該管材料由ZrO₂和1~15mol%Y₂O₃組成，并且需要加入以下至少一種粘結劑：石蠟，或丙三醇和無水乙醇，燒結溫度為1400℃~1700℃。

附圖說明

圖1?電化學脫氧裝置原理簡圖（其中：1-Mo棒導桿，2-絕緣剛玉套管，3-碳飽和銅溶液，4-SOM管即氧化鋯管，5-氧化釔坩堝，6-石墨棒，7-石墨坩堝蓋，8-石墨坩堝，9-鈦合金樣品）

圖2?氧化釔坩堝實物圖

圖3?氧化鋯管實驗前后形貌對比（a）實驗前（b）試驗后

具體實施方式

現將本發明的具體實施例敘述如下

實施例

將如圖1所示的電化學脫氧裝置放在常規通用的真空高溫爐中，緩慢升溫，同時不斷抽真空，當升溫至1000℃時停止抽真空，向爐內反充入高純氬氣至10^-2Pa，之后繼續升溫至1400℃保溫。然后用可調式直流穩壓電源向陰極和陽極間加載恒直流電壓2.8V，在2.8V的電壓下電解，并記錄回路電流。隨著電解進行，電解電流逐漸減小，當電解至3.5h時，電流突然降低，降至幾乎為0，鈦合金樣品即完成鈦合金的電化學脫氧過程中氧含量很低，不再有O^2-遷移產生電流。電解結束后，冷至室溫取出產物，經洗滌、干燥后稱重。

為便于比較電化學脫氧的效果，設置了一個對比實驗，即將氧化釔坩堝置于真空高溫爐中，不加載直流穩壓電源進行鈦合金熔煉實驗，而不加電流進行電化學脫氧。表1為脫氧實驗前后氧含量對比。

表1?電化學脫氧后鈦合金中氧含量對比

鈦合金O含量（wt%）脫氧后0.11熔煉后0.15