CN101984321B - 一种钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法，属于坩埚惰性型模的制备领域。其制备过程先将钛铝合金装入普通耐高温材质如氧化铝、石墨、氮化硼等材质的定向凝固用坩埚中，再将一定粒度的氧化钇粉体用酒精调成浆状，倒入钛铝合金与坩埚之间并使浆料充分沉淀，经过低温挥发和高温热处理后即可进行定向凝固工艺过程。氧化钇浆料经沉淀、挥发和热处理后在坩埚内部形成型模，在重熔和定向凝固等高温过程中阻隔了高活性金属与坩埚的接触。该制备工艺简单可靠，成本低，适用性强，适合实际工程应用，在高熔点高活性合金的铸造、重熔和定向凝固中都具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于坩埚惰性型模的制备领域，涉及一种钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法。
技术背景
钛铝合金具有轻质、耐蚀、耐磨、耐高温等优点，成为航空航天、兵器及民用工业领域优秀的高温结构材料之一，然而其室温塑性和断裂韧性差一直是阻碍钛铝合金工业化应用的最大障碍。定向凝固工艺可以明显改善钛铝合金的室温力学性能，提高其塑性、断裂韧性和抗蠕变性能，它利用凝固时对热传导方向的控制，在凝固金属与未凝固熔体中建立起特定方向的温度梯度，达到控制晶体取向，消除横向晶界，获得材料的最佳取向性能以满足工业应用的需要。通常对某些结构材料中的转动部件而言，发挥钛铝基合金的最佳取向性能与承载方向一致，是发挥材料性能优势的最佳选择。定向凝固技术能极大提高钛铝基合金的断裂韧性、蠕变强度、室温塑性等性能，为钛铝合金的扩大应用开辟了一条新道路，为今后的钛铝合金定向凝固产品的深加工和应用提供了更广阔的应用前景。
由于钛铝合金属于金属间化合物，在熔融状态下合金中的高活性元素钛可以与目前市场上常用的绝大多数材质如氧化铝、石墨、氮化硼等的坩埚发生化学反应，因此当钛铝合金重熔、铸造、尤其是保持长时间的熔融状态时，需要用惰性极高的材料将其与盛放它的铸模、坩埚等隔绝开来，以防止高温化学反应引起的熔体不纯甚至产生的危险。钛铝合金的普通定向凝固过程中不可避免要使用坩埚，如果坩埚材料与定向凝固钛铝合金重熔时发生化学反应，势必会造成定向凝固钛铝合金化学成分偏离原合金成分，严重时还会烧穿坩埚，使定向凝固工艺失败。要将定向凝固钛铝合金推向航空发动机叶片等的应用，定向凝固用坩埚还必须满足不规则外形的钛铝合金进行定向凝固工艺处理的需要，因此，在现有条件下，研究和制备适合无规则外形的钛铝合金定向凝固时使用的坩埚成为推动定向凝固钛铝合金工业化应用的基础。
钛铝合金熔炼时最适合的坩埚材质为稀土氧化钇，氧化钇在高温下与钛铝合金几乎没有明显的化学反应，但此种材料很难加工、并烧结成坩埚，制备技术的瓶颈致使目前国内市场还没有氧化钇材质的坩埚出现，而氧化铝、石墨、氮化硼等绝大部分材质在高温下会与钛铝合金发生强烈的化学反应，如A.V.Kartavykh等在Materials Chemistryand Physics，119：347-350，2010，TiAl-Nb melt interaction with pyrolyticboron nitride crucibles中指出，当尺寸为Φ15×15mm的钛铝合金外表面与氮化硼坩埚在1670℃接触时间达到25分钟，钛铝合金中的Ti3Al相就完全被反应Ti3Al+BN→Ti2AlN+TiB消耗完，造成了合金成分的严重偏离。另外，在实际工业生产中，要制备不规则外形的定向凝固钛铝合金就需要有与合金外形匹配的坩埚内模与之对应，使得坩埚的生产和制备工艺更加复杂，严重影响定向凝固高活性合金尤其是钛铝合金在工程中的应用。
因此，制备适合工业应用的高活性钛铝合金定向凝固坩埚具有重大的实际应用价值，特别是在现有科技水平和坩埚制备技术条件下，对坩埚进行惰性氧化钇型模制备与处理，既能隔绝高温下钛铝合金与外层普通坩埚的接触，还可允许不同形状的钛铝合金构件进行定向凝固过程，极大的满足了定向凝固钛铝合金的实用化要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单且适合工业应用的定向凝固钛铝合金用惰性坩埚型模的制备方法。该方法利用现有的成本较低的普通高温坩埚通过型模处理后，在重熔和定向凝固等高温过程中阻隔了钛铝合金等高活性金属合金和坩埚的接触，避免了高温下活性金属与坩埚之间的化学反应，同时不规则外形的钛铝合金也能利用这种型模处理后的坩埚实现定向凝固工艺过程。
一种钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法，所述钛铝合金定向凝固用坩埚型模的材质为氧化钇粉体，其制备方法包括如下步骤：
(1).将钛铝合金装入高温坩埚中，使合金与所述高温坩埚壁保持1-5mm的间隙；
(2).将粒度为200目以上的氧化钇粉与无水乙醇以体积比为3∶2的比例混合，搅拌调匀成浆状后倒入钛铝合金与高温坩埚的间隙中；
(3).将装有浆料和合金的坩埚和垂直放入超声波中振动2-3小时，使浆状料中的氧化钇粉充分沉淀形成型模；
(4).将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入80℃的烘干炉内烘12小时后，再取出移入110℃的烘干炉内烘12小时，待型模内无水乙醇及水蒸气挥发完毕后取出；
(5).将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入热处理炉内，随炉加热到500℃后，再关闭热处理炉电源随炉冷却到室温，取出后即可装入定向凝固系统进行定向凝固工艺。
所述步骤(1)中的高温坩埚为高纯氧化铝、氮化硼或石墨坩埚。
本发明的优点在于：不仅能满足钛铝合金等高温高活性合金定向凝固时对坩埚的要求，更重要的是通过此种坩埚型模处理，能进行普通坩埚所不能做到的不规则形状外形的高活性合金包括钛铝合金的定向凝固，为定向凝固钛铝合金航空发动机叶片提供了有利的途径。利用这种型模制备和处理后的坩埚的最高使用温度可达1700℃以上，定向凝固后合金表面质量良好，可应用于钛、镁、钙等活泼金属与合金的重熔和定向凝固过程，同时还适合不同外形的合金重熔和定向凝固需要。该制备工艺简单可靠，成本低，适用性强，适合实际工程应用，在高熔点高活性合金的铸造、重熔和定向凝固中都具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是普通高温坩埚型模处理过程流程图；
图2是钛铝合金定向凝固用坩埚型模示意图；
图中：
1.高纯氧化铝坩埚，2.不规则外形的钛铝合金，3.氧化钇型模，图中的箭头方向为定向凝固方向；
图3是不规则外形的钛铝合金定向凝固结束后的实物图(图中定向凝固方向垂直向上)；
具体实施方式
实施例1
图1是普通高温坩埚型模处理过程流程图；图2是钛铝合金定向凝固用坩埚型模示意图；如图所示：将直径为5mm、高100mm的钛铝合金棒装入内径为7mm、高120mm的高纯氧化铝坩埚中待用。将粒度为200目的纯氧化钇粉与无水乙醇以体积比为3∶2的比例混合，搅拌调匀成浆状后倒入钛铝合金与高温坩埚的间隙中；将装有浆料和合金的坩埚放入超声波中振动3小时，浆料在空隙中沉淀形成型模。将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入80℃的烘干炉内烘12小时后，再移入110℃的烘干炉内烘12小时，而后一起放入热处理炉内随炉加热到500℃后，再关闭热处理炉电源随炉冷却到室温，取出后即可。图3是不规则外形的钛铝合金定向凝固结束后的实物图(图中定向凝固方向垂直向上)。
实施例2
将一两头直径均为8mm、长30mm，中间直径4mm、宽30mm的钛铝合金棒装入普通内径为12mm、高120mm的高温氮化硼坩埚中待用。将粒度为200目的纯氧化钇粉与无水乙醇以体积比为3∶2的比例混合，搅拌调匀成浆状后倒入钛铝合金与高温坩埚的间隙中；将装有浆料和合金的坩埚放入超声波中振动2小时，浆料在空隙中沉淀形成型模。将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入80℃的烘干炉内烘12小时后，再移入110℃的烘干炉内烘12小时，而后一起放入热处理炉内随炉加热到500℃后，再关闭热处理炉电源随炉冷却到室温，取出后即可。
实施例3
将一两头直径均为16mm、长30mm，中间直径10mm、宽40mm的钛铝合金棒装入普通内径为20mm、高150mm的高温石墨坩埚中待用。将粒度为250目的纯氧化钇粉与无水乙醇以体积比为3∶2的比例混合，搅拌调匀成浆状后倒入钛铝合金与高温坩埚的间隙中；将装有浆料和合金的坩埚放入超声波中振动2小时，浆料在空隙中沉淀形成型模。将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入80℃的烘干炉内烘12小时后，再移入110℃的烘干炉内烘12小时，而后一起放入热处理炉内随炉加热到500℃后，再关闭热处理炉电源随炉冷却到室温，取出后即可。
Claims (2)
1.一种钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法，其特征在于：所述钛铝合金定向凝固用坩埚型模的材质为氧化钇粉体，其制备方法包括如下步骤：
(1).将钛铝合金装入高温坩埚中，使合金与所述高温坩埚壁保持1-5mm的间隙；
(2).将粒度为200目以上的氧化钇粉与无水乙醇以体积比为3∶2的比例混合，搅拌调匀成浆状后倒入钛铝合金与高温坩埚的间隙中；
(3).将装有浆料和合金的坩埚垂直放入超声波中振动2-3小时，使浆状料中的氧化钇粉充分沉淀形成型模；
(4).将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入80℃的烘干炉内烘12小时后，再取出移入110℃的烘干炉内烘12小时，待型模内无水乙醇及水蒸气挥发完毕后取出；
(5).将型模后的坩埚连同钛铝合金一起放入热处理炉内，随炉加热到500℃后，再关闭热处理炉电源随炉冷却到室温，取出后即可装入定向凝固系统进行定向凝固工艺。
2.根据权利要求1所述的钛铝合金定向凝固用坩埚型模的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的高温坩埚为高纯氧化铝、氮化硼或石墨坩埚。
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