CN101498550A - 一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚及其采用注浆成型工艺制Al2O3抗侵蚀涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚及其采用注浆成型工艺制Al2O3抗侵蚀涂层的方法，该具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚是采用注浆成型工艺将Al2O3抗侵蚀浆料制备在坩埚基体的内壁上，且形成厚度为0.5mm～10mm的Al2O3抗侵蚀涂层。Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、分散剂、粘结剂和去离子水经混合均匀得到。本发明具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的熔炼温度达到1650℃，能够满足含Ti、Al、Nb、Hf、稀土元素等高活性金属的合金，如各种镍基高温合金的熔炼。
Description
技术领域
本发明涉及一种制作在坩埚内壁的涂层材料。更特别地说，是指一种采用注浆成型工艺将Al2O3制作在现有坩埚基体内壁，然后经高温烧结得到具有Al2O3抗侵蚀涂层的新型坩埚。
背景技术
高温合金是制造涡轮发动机的关键材料，在航空、航天领域占有重要的地位，因此高温合金的熔炼是近年来材料加工方向研究的重点之一，研究结果表明高温合金熔炼过程中混入的杂质元素和夹杂物对合金性能具有重大影响，因而高温合金的超纯净熔炼具有十分重要的意义，对熔炼用坩埚的抗侵蚀性提出了更高的要求。
Al2O3陶瓷以其耐高温、抗氧化、耐腐蚀等特性以及价格低廉等优点，成为当今世界上应用最广的陶瓷材料之一。然而目前熔炼用的Al2O3坩埚通常是由粗颗粒级配制得的，坩埚基体晶粒大小不均匀、粗颗粒与细颗粒间结合松散、甚至存在较大的孔隙，在高温熔炼被熔物的过程中，制作坩埚的材料易混入被熔物中，影响被熔物的性能。此外表面不致密坩埚的抗熔体渗透性差，严重影响坩埚的使用寿命。因而有必要发展一种高抗侵蚀性能和高抗熔体渗透性的Al2O3涂层坩埚。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种具有Al2O3抗侵蚀涂层的新型坩埚，是采用注浆成型工艺将Al2O3抗侵蚀涂层浆料制备在现有坩埚基体内壁上。本发明的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚能够提高坩埚的抗熔体渗透性和抗熔体侵蚀性。
本发明的目的之二是提出一种采用注浆成型工艺将Al2O3抗侵蚀涂层浆料制备在坩埚基体内壁的方法，该涂层制备方法是通过控制吸浆时间来实现成型厚度的控制，成型方法简单可控，制得的新型坩埚具有更低的孔隙率，提高了原坩埚的抗熔体渗透性和抗熔体侵蚀性。
本发明的一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，其由坩埚基体和Al2O3抗侵蚀涂层构成，且Al2O3抗侵蚀涂层制备在坩埚基体的内壁上；Al2O3抗侵蚀涂层的厚度为d＝0.5mm～10mm；所述Al2O3抗侵蚀涂层的原料由多级Al2O3粉，所述100g的多级Al2O3粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉50g～80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉5g～30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉。该坩埚能够适用于1650℃高温环境下使用。
本发明的一种采用注浆成型工艺制具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的方法，其有下列制备步骤：
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、分散剂、粘结剂和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入97.5g～319.09g的多级Al2O3原料粉、1.17g～2.60的分散剂和1.20g～2.50g的粘结剂；
所述分散剂为聚丙烯酸铵或者阿拉伯树胶；
所述粘结剂为聚乙烯醇或者羧甲基纤维素；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉50g～80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉5g～30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将已成型坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
步骤(a)，将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体中，注满坩埚基体后静置1～15min，然后倒置坩埚基体，排出坩埚基体中的余浆，得到第一坩埚坯体；
步骤(b)，将第一坩埚坯体在25℃的干燥室内干燥20～50h后，再在120℃的烘箱内干燥15～28h后制得第二坩埚坯体；
步骤(c)，将第二坩埚坯体放入烧结炉中，烧制时间为40～95h，烧结温度为1550℃～1700℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚。
本发明的一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的优点在于：
(1)熔炼最高温度达到1650℃。适用于含Ti、Al、Nb、Hf、稀土元素等高活性金属的合金，如各种镍基高温合金的熔炼。
(2)本发明坩埚在熔炼被熔物的过程中，在坩埚与被熔物熔体接触的界面处，其制作坩埚的原料不参与被熔物熔体的反应，有效地提高了被熔物熔体的纯净度，更有利于制备高性能的合金材料(被熔物)。
(3)本发明坩埚经SEM分析，其内层晶粒大小均匀，孔隙小且分布均匀。本发明坩埚显著提高了原坩埚的抗熔体冲刷性、抗熔体渗透性，有效阻止了坩埚内表面颗粒混入被熔物中造成的污染，有利于提高被熔物合金性能。本发明坩埚有效改善了现有Al2O3坩埚基体晶粒大小不均匀、粗颗粒与细颗粒间结合松散、甚至存在较大孔隙的状态。
(4)本发明坩埚在熔炼过程中不开裂，并可反复多次使用，有效地提高了坩埚的使用寿命。
本发明采用注浆成型工艺在现有Al2O3坩埚的内壁制Al2O3抗侵蚀涂层，其制备方法的优点在于：
(1)通过控制多级粉Al2O3料浆在坩埚基体内的吸浆时间(即Al2O3注浆完成后的静置时间)，来获得所需厚度的Al2O3层。
(2)在现有坩埚内壁制得致密的Al2O3抗侵蚀涂层能够弥补现有Al2O3坩埚致密度不够的弱点，使得到的本发明坩埚性能优良、安全可靠。
附图说明
图1是本发明采用注浆成型工艺制具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的流程图。
图2是本发明具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的结构图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明是一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，该坩埚是采用注浆成型工艺将Al2O3抗侵蚀浆料制备在坩埚基体1的内壁上。参见图2所示，坩埚基体1的内壁形成有一层厚度为d＝0.5mm～10mm的Al2O3抗侵蚀涂层2。
在本发明中，所述Al2O3抗侵蚀涂层2所用的材料为不同粒径的Al2O3粉料混合而成，称作多级Al2O3原料粉。该多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉、粒径为25μm的二级Al2O3粉和粒径为45μm的三级Al2O3粉。
在本发明中，坩埚基体1是指已成型的Al2O3坩埚。本发明是将现有成型坩埚经清理后即作为坩埚基体1，然后采用注浆成型工艺在坩埚基体1的内壁形成一层厚度为d＝0.5mm～10mm的Al2O3抗侵蚀涂层2，本发明坩埚是一种能够适用于1650℃高温环境下使用的新型坩埚。
本发明采用注浆制Al2O3抗侵蚀涂层工艺对现有Al2O3坩埚进行改善，弥补了现有Al2O3坩埚致密度不够的缺陷。
参见图1所示，本发明采用注浆成型工艺将Al2O3抗侵蚀浆料制备在坩埚基体内壁上，其包括有如下步骤：
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、分散剂、粘结剂和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入97.5g～319.09g的多级Al2O3原料粉、1.17g～2.60的分散剂和1.20g～2.50g的粘结剂；
所述分散剂可以为聚丙烯酸铵或者阿拉伯树胶；
所述粘结剂可以为聚乙烯醇(PVA)或者羧甲基纤维素；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉50g～80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉5g～30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将从商家购入的已成型Al2O3坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体1；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
步骤(a)，将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体1中，注满坩埚基体1后静置1～15min，然后倒置坩埚基体1，排出坩埚基体1内的余浆，得到第一坩埚坯体；
步骤(b)，将第一坩埚坯体在25℃的干燥室内干燥20～50h后，再在120℃的烘箱内干燥15～28h后制得第二坩埚坯体；
步骤(c)，将第二坩埚坯体放入烧结炉中，烧制时间为40～95h，烧结温度为1550℃～1700℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚。
实施例1
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、聚丙烯酸铵、聚乙烯醇(PVA)和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入167.00g的多级Al2O3原料粉、1.67g的聚丙烯酸铵和1.60g的聚乙烯醇；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉料65g、粒径为25μm的二级Al2O3粉料30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉料；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将北京东方鼎新鑫科技有限公司生产的Al2O3坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体1中，注满坩埚基体1后静置4min，然后倒置坩埚基体1，排出坩埚基体1的余浆，得到厚度为3mm的第一坩埚坯体；
将第一坯体在25℃的干燥室内干燥45h后，再在120℃的烘箱内高温干燥24h后制得第二坯体；
将第二坯体放入烧结炉中高温烧结，烧制时间为82h，最高烧结温度为1620℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层的坩埚。
对实施例1得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚采用SEM分析，Al2O3抗侵蚀涂层晶粒大小均匀，孔隙率小且孔隙分布均匀。
应用实施例1得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚在真空感应炉进行熔炼K417合金(K417合金是一种低密度、高强度的镍基铸造高温合金。其成分中Ti、Al含量较高，并含有一定的Cr、V、Zr，形成约占合金重量67％的γ′强化相，特别适合于制作高温转动件)18Kg，抽真空至炉内压力为5×10-3Pa，开始送电，送电功率为40KW，待出现液相后，充入氩气至炉内压力为0.5×105Pa，全部熔清后升温至1650℃熔炼20min，降温至1450℃浇注到石墨铸型中制得K417合金锭。
将实施例1得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚连续熔炼30炉后，目测检查坩埚未发现裂纹，说明该坩埚具有良好的抗熔体冲刷性、抗热震性。
对浇注的K417合金锭进行电子探针分析，未发现含有Al2O3涂层元素，说明实施例1制得的坩埚具有良好的抗熔体渗透性、抗侵蚀性和化学稳定性。
实施例2
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、阿拉伯树胶、聚乙烯醇(PVA)和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入97.50g的多级Al2O3原料粉、1.17g的阿拉伯树胶和1.20g的聚乙烯醇；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉料80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉料5g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉料；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将北京东方鼎鑫科技有限公司生产的Al2O3坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体1中，注满坩埚基体1后静置1.5min，然后倒置坩埚基体1，排出坩埚基体1内的余浆，得到厚度为0.5mm的第一坩埚坯体；
将第一坯体在25℃的干燥室内干燥20h后，再在120℃的烘箱内高温干燥15h后制得第二坯体；
将第二坯体放入烧结炉中高温烧结，烧制时间为40h，最高烧结温度为1550℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层的坩埚。
对实施例2得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚采用SEM分析，Al2O3抗侵蚀涂层晶粒大小均匀，孔隙率小且孔隙分布均匀。
应用实施例2得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚在真空感应炉进行熔炼K424合金(K424合金是一种高Ti、Al，低密度的镍基高温合金，含有一定的Cr、V、Nb、Ce)15kg，抽真空至炉内压力为5×10-3Pa，开始送电，送电功率为35KW，待出现液相后，充入氩气至炉内压力为0.5×105Pa，全部熔清后升温至1600℃熔炼15min，降温至1450℃浇注到石墨铸型中制得K424合金锭。
将实施例2得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚连续熔炼30炉后，目测检查坩埚未发现裂纹，说明该坩埚具有良好的抗熔体冲刷性、抗热震性。
对浇注的K424合金锭进行电子探针分析，未发现含有Al2O3涂层元素，说明实施例2制得的坩埚具有良好的抗熔体渗透性、抗侵蚀性和化学稳定性。
实施例3
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、阿拉伯树胶、羧甲基纤维素和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入319.09g的多级Al2O3原料粉、2.60g的阿拉伯树胶和2.50g的羧甲基纤维素；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉料50g、粒径为25μm的二级Al2O3粉料15g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉料；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将北京东方鼎鑫科技有限公司生产的Al2O3坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体1；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体1中，注满坩埚基体1后静置12min，然后倒置坩埚基体1，排出坩埚基体1内的余浆，得到厚度为8mm的第一坩埚坯体；
将第一坯体在25℃的干燥室内干燥50h后，再在120℃的烘箱内高温干燥28h后制得第二坯体；
将第二坯体放入烧结炉中高温烧结，烧制时间为95h，最高烧结温度为1700℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层的坩埚。
对实施例3得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚采用SEM分析，Al2O3抗侵蚀涂层晶粒大小均匀，孔隙率小且孔隙分布均匀。
应用实施例3得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚在真空感应炉进行熔炼IC6A合金(IC6A是Ni3Al基合金，Al含量达7.4～8.0％(重量百分比)，并加入了稀土元素Y。合金的高温持久性能、热疲劳性能和高温抗氧化性能优异，特别是1100℃持久强度仍保持在高的水平，适用于制造1150℃以下工作的燃气涡轮导向叶片)12kg，抽真空至炉内压力为5×10-3Pa，开始送电，送电功率为30KW，待出现液相后，充入氩气至炉内压力为0.5×105Pa，全部熔清后升温至1650℃熔炼10min，降温至1500℃浇注到石墨铸型中制得IC6A合金锭。
将实施例3得到的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚连续熔炼30炉后，目测检查坩埚未发现裂纹，说明该坩埚具有良好的抗熔体冲刷性、抗热震性。
对浇注的IC6A合金锭进行电子探针分析，未发现含有Al2O3涂层元素，说明实施例3制得的坩埚具有良好的抗熔体渗透性、抗侵蚀性和化学稳定性。
Claims (5)
1、一种具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，其特征在于：是在Al2O3坩埚的内壁制备有Al2O3抗侵蚀涂层。
2、根据权利要求1所述的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，其特征在于：该具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚由坩埚基体(1)和Al2O3抗侵蚀涂层(2)构成，且Al2O3抗侵蚀涂层(2)制备在坩埚基体(1)的内壁上；
Al2O3抗侵蚀涂层(2)的厚度为d＝0.5mm～10mm；
所述Al2O3抗侵蚀涂层(2)的原料为多级Al2O3粉，所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉50g～80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉5g～30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉。
3、根据权利要求1或2所述的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，其特征在于：坩埚基体(1)是指已成型的Al2O3坩埚。
4、根据权利要求1或2所述的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚，其特征在于：该坩埚能够适用于1650℃高温环境下使用。
5、一种采用注浆成型工艺制如权利要求1或2所述的具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚的方法，其特征在于有下列步骤：
第一步：制Al2O3抗侵蚀浆料
Al2O3抗侵蚀浆料由多级Al2O3原料粉、分散剂、粘结剂和去离子水组成，各组分经充分混合后得到流动性良好的浆料。其中，100ml的去离子水中加入97.5g～319.09g的多级Al2O3原料粉、1.17g～2.60的分散剂和1.20g～2.50g的粘结剂；
所述分散剂为聚丙烯酸铵或者阿拉伯树胶；
所述粘结剂为聚乙烯醇或者羧甲基纤维素；
所述100g的多级Al2O3原料粉中包含有粒径为5μm的一级Al2O3粉50g～80g、粒径为25μm的二级Al2O3粉5g～30g和余量的粒径为45μm的三级Al2O3粉；
第二步：选取坩埚基体
采用毛刷将已成型坩埚进行清理，清理干净后得到坩埚基体(1)；
第三步：制Al2O3抗侵蚀涂层
步骤(a)，将第一步制得的Al2O3抗侵蚀浆料注入第二步得到的坩埚基体(1)中，注满坩埚基体(1)后静置1～15min，然后倒置坩埚基体(1)，排出坩埚基体(1)中的余浆，得到第一坩埚坯体；
步骤(b)，将第一坩埚坯体在25℃的干燥室内干燥20～50h后，再在120℃的烘箱内干燥15～28h后制得第二坩埚坯体；
步骤(c)，将第二坩埚坯体放入烧结炉中，烧制时间为40～95h，烧结温度为1550℃～1700℃，制得具有Al2O3抗侵蚀涂层坩埚。
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