作者信息
王晓书，江西理工大学赣南实验室博士研究生/华北理工大学冶金与能源学院
廖金发，博士，江西理工大学赣南实验室
谢岁，博士，江西理工大学赣南实验室
赵宝军，博士，江西理工大学赣南实验室
论文全文：https://doi.org/10.3390/met16020206
1. 背景介绍
钛合金因高比强度、优异的耐腐蚀性和抗疲劳性能，已成为航空航天、海洋工程等高端装备领域的核心结构材料。V、Mo、Fe、Al等合金元素的种类与配比直接决定了钛合金的微观组织与宏观性能。然而，V和Mo熔点极高（分别为1910°C和2620°C），传统生产中通常以V-Al、Mo-Al、Ti-Fe等二元中间合金形式分步添加，导致钛合金熔炼流程复杂、成本高、成分控制难。
开发一种集V、Mo、Fe、Al于一体的多元中间合金，实现钛合金熔炼过程中的一次性合金化，是提升生产效率、降低成本、优化成分均匀性的理想路径。然而，当前铝热还原法在制备V-Al-Mo-Fe合金时仍面临热失控、元素收得率低、成分不均匀等关键问题。
本研究提出一种以V₂O₅、MoO₃、金属Fe和Al为原料的可控铝热还原工艺，通过热力学计算与实验验证，系统揭示了多氧化物竞争还原机制、Al/O比对反应热与合金组成的影响规律，最终实现V、Mo、Fe收得率均>99%，为高性能钛合金用多元中间合金的绿色、高效、可控制备提供了理论基础与技术路径。
2. 文章亮点
本研究通过金属Fe替代Fe2O3显著降低反应放热量，结合Al/O比调控实现反应温度与合金组成的精准控制，采用FactSage热力学模拟+高温实验验证，成功制备出组织均匀、元素收得率高的V-Al-Mo-Fe多元中间合金。
图1 采用 FactSage 8.3 计算得到的铝氧比对反应体系绝热温度的影响
（a）Fe2O3为原料；（b）Fe为原料
热力学分析表明MoO₃被Al还原的热力学趋势最强，放热量最大，而V2O5最难还原。如图1所示，使用金属Fe替代Fe2O3为原料后，反应体系的绝热温度从2560°C降至2300°C以下，显著降低了对耐火材料的热冲击。当原料中Al/O比较低时，合金产物中低熔点的Al含量低，合金不能完全熔化（图2中#1）。而控制原料中Al/O≥1.6时，反应温度适中，合金完全熔化，渣金分离良好（图3#6）。
图2 反应后样品宏观形貌
1 号试样（合金铝含量 2%）、6 号试样（合金铝含量 37%）
显微组织分析显示，当Al/O比较低（如#1）时，V2O5还原不完全，渣中含有11.1 wt%的“V2O3”，合金中Al含量偏低。随着Al/O比升高至1.6以上，渣中“V2O3”趋近于零，合金中Al含量逐步接近设计值，合金组织由(Al,Mo,V,Fe)固溶体向Al₈(V,Mo,Fe)₅金属间化合物转变。通过对比设计与实际合金组成，本研究发现，Al/O比不仅决定了反应温度，还显著影响V的还原效率和合金熔点。当Al/O比≥1.6时，V的收得率从63.8%提升至99.9%，Mo和Fe的收得率均稳定在99%以上，合金成分与设计值高度一致。
图3原料铝氧比与合金成分的对应关系：设计值与实测值对比（a）合金中铁含量；（b）合金中钼含量；（c）合金中铝含量；（d）合金中钒含量
3. 总结与展望
本研究成功开发出一种低热输入、高收得率、过程可控的一步铝热还原法制备V-Al-Mo-Fe多元中间合金的新工艺。通过金属Fe替代Fe2O3与反应物中Al/O比优化，实现了反应热的有效调控，避免了传统铝热反应中常见的过热、喷溅、坩埚破裂等问题。在最优条件下，V、Mo、Fe的收得率均超过99%，合金组织均匀，成分可控。
课题组在低成本可控制备钒铝基合金新工艺深耕多年，已获授权2项发明专利，发表两篇SCI文章及2篇学位论文。新工艺不仅为高性能钛合金提供了理想的多元中间合金低成本制备解决方案，也为其他通过铝热反应制备金属和合金提供了理论依据与技术范式。未来将进一步推动该工艺的工业化放大，探索其在系列中间合金制备中的实际应用效果，助力钛合金产业链的高质量发展。
备注：
本文受《Metals》编辑部特别邀请，作为特邀稿件发表于由廖金发担任客座编辑的“Green Metallurgy and High-Temperature Process Control: Innovations in Sustainable Techniques专刊”。
