CN103217014B - 真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚 - Google Patents

Abstract

真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，它涉及一种钛及钛合金用复合坩埚。该装置解决真空反重力铸造钛及钛合金时使用的复合坩埚易出现表面开裂、脱落及坩埚内熔体上表面过热度低的问题。保温圈设置在内衬的上方，背层由氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物构成，内衬由氧化钇、氧化锆和氧化钙构成，所述坩埚内衬由内至外氧化钇的质量百分比由100％依次减少至20％，氧化锆和氧化钙的质量百分比由0％依次增加至80％。本发明用于真空反重力铸造钛及钛合金成形领域。

Description

真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚

技术领域

本发明涉及一种真空反重力成形用复合坩埚。

背景技术

真空反重力铸造具有充型平稳、复杂铸件成形性好、铸件内部质量好的优点，目前广泛应用于铝合金、镁合金以及铜合金复杂铸件生产。几年来随着钛合金铸件复杂性、可靠性以及规模性的要求越来越高，对于真空反重力铸造生产钛合金件的需求急剧上升。但由于钛及钛合金的熔点高，并且熔融状态下化学活性非常高，几乎可以与目前现有的工程材料均发生反应，因此其熔炼难度特别大。目前工业应用的钛及钛合金熔炼方式主要是真空自耗电极凝壳熔炼和真空非自耗电极冷坩埚熔炼方式(包括强制水冷铜坩埚熔炼和非水冷氧化物、氮化物坩埚熔炼)。对于真空自耗电极凝壳熔炼，由于电极的引入位置与真空反重力成形过程升液管位置冲突，因此在实际钛及钛合金真空反重力成形中极少应用。冷坩埚熔炼钛及钛合金熔体冷却很快，坩埚内钛及钛合金熔体温差巨大，顶部温度较低，表面合金层熔体过热度只有几十度至一百度左右，表面熔体较低的过热度经常导致升液管进入熔体后，合金液冻在升液管内，进而导致无法完成整个反重力成形工艺过程，严重的还会导致设备损坏，目前现有的熔炼钛及钛合金使用的坩埚无法满足真空反重力铸造生产的工艺要求。

因此，制造适合真空反重力铸造生产钛及钛合金用的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，有必要开发新的坩埚使其能改变表面合金层熔体过热度低的现状，推进真空反重力铸造钛及钛合金成形技术的大规模应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，为解决真空反重力铸造钛及钛合金时使用的复合坩埚易出现表面开裂、脱落及埚内合金熔体表面层过热度低问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述坩埚包括保温圈、内衬和至少一个背层，内衬的外部设有至少一个背层，保温圈设置在内衬的上方，背层由氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物构成，内衬由氧化钇、氧化锆和氧化钙构成，所述坩埚内衬由内至外氧化钇的质量百分比由100％依次减少至20％，氧化锆和氧化钙的质量百分比由0％依次增加至80％。

本发明具有以下有益效果：1、坩埚顶部设置保温圈，保温圈内表面为光滑曲面结构，可有效反射熔体中辐射热量，加之熔化过程保温圈本身可以作为加热体使坩埚顶部保持较高温度，最终可有效增加坩埚内钛及钛合金熔体表面层的过热度，彻底满足真空反重力铸造钛及钛合金成形过程的需要；

2、坩埚内可形成较深的熔池，坩埚上下温度均匀性好，便于合金元素扩散，熔炼真空反重力成形后合金成分均匀，性能稳定；

3、内衬最内层为氧化钇，与钛及钛合金的化学稳定性好，所需设备简单，产品质量稳定性好，适合大批量生产。

4、内衬由内向外由氧化钇、氧化锆和氧化钙组成梯度结构，热应力通过梯度分布缓解了材料热胀系数不匹配的问题，烧结后坩埚内表面抗裂性好，坩埚使用寿命长。

5、背层中加入了氧化锆纤维网增强层作为增强体，属同源增强，无热效应，比传统的金属网增强效果更好，减小了烧结过程产生微裂纹的倾向，使坩埚壁的强度大幅增加整体力学性能，坩埚在真空反重力铸造成形过程中抗压能力大幅提高，成型工艺的安全性大幅提高。

附图说明

图1是本发明整体结构主视图，图2是保温圈结构示意图，图3是具体实施方式九的结构示意图，图4是具体实施方式十的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的坩埚包括保温圈1、内衬2和至少一个背层3，内衬2的外部设有至少一个背层3，保温圈1设置在内衬2的上方，背层3由氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物构成，内衬2由氧化钇、氧化锆和氧化钙构成，所述坩埚内衬由内至外氧化钇的质量百分比由100％依次减少至20％，氧化锆和氧化钙的质量百分比由0％依次增加至80％。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的内衬2的厚度为2-15mm，氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物的粒度为5-1000目，此结构的优点是由内向外由氧化钇、氧化锆和氧化钙组成梯度结构，热应力通过梯度分布缓解了材料热胀系数不匹配的问题，烧结后坩埚内表面抗裂性好，坩埚使用寿命长。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的保温圈为纯石墨、纯钨、纯铼、纯钽、纯钼或钨、铼、钽、钼任意组合的合金保温圈。此材料的优点是保温圈本身可以作为加热体使坩埚顶部保持较高温度，最终可有效增加坩埚内钛及钛合金熔体表面层的过热度，彻底满足真空反重力铸造钛及钛合金成形过程的需要。其它实施方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述坩埚内衬厚度为6mm时，由内至外厚度范围为0-3mm时氧化钇的质量百分比为100％；厚度范围为3-4.5mm时氧化钇的质量百分比90％-99％，氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的质量百分比为1％-10％；厚度范围为4.5-6mm时氧化钇的质量百分比80％-89％，氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的质量百分比为11％-20％。此结构的优点是内衬最内层为氧化钇，与钛及钛合金的化学稳定性好，由内向外由氧化钇、氧化锆和氧化钙组成梯度结构，热应力通过梯度分布缓解了材料热胀系数不匹配的问题，烧结后坩埚内表面抗裂性好，坩埚使用寿命长。其它实施方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的所述保温圈1为圆柱体，该圆柱体的中心设有倒置碗形凹槽1-1，内衬2内由第一腔2-1和第二腔2-2连通构成，第二腔2-2的直径小于第一腔2-1的直径，保温圈1设置在与其相对应的第一腔2-1内。此结构的优点是保温圈1定位准确、固定强度好、反射热效率高、可充分对坩埚内熔体表面的加热。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的所述坩埚还包括至少一层氧化锆纤维网增强层4，每个背层3的外部设有至少一层氧化锆纤维网增强层4。此结构的优点是保温圈内表面为光滑曲面结构，可有效反射熔体中辐射热量，增加坩埚内钛及钛合金熔体表面层的过热度。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式的保温圈光滑反射面的聚焦点保持在钛合金熔体内表面层3-8mm范围内。此结构的优点是能提高热效率，增加坩埚内熔体表面过热度。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式的保温圈1由均等的四个分体构成。此结构的优点是保温圈1制造难度大大降低，有效减低坩埚成。其它实施方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图3说明本实施方式，本实施方式的保温圈1与内衬的第一腔2-1卡接。此结构的优点是可有效固定保温圈位置，充分发挥对坩埚内熔体表面的加热作用。其它实施方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式十：结合图4说明本实施方式，本实施方式的所述坩埚还包括多个定位柱5，保温圈1的底端面上设有四个定位柱5，第一腔2-1的底端面上开有与定位柱5相匹配的凹槽6，保温圈1通过四个定位柱5与内衬的第一腔2-1插接。此结构的优点是保温圈1定位更加精确，对坩埚内熔体表面的加热更加容易控制。其它实施方式与具体实施方式五相同。

工作原理：将坩埚捣实于锆砂之内既可以在真空感应条件下熔炼钛合金，熔炼时复合坩埚的内衬在高温下仍保持稳定，不与钛合金粘结。熔池流动性好，熔体顶部过热度可在原有过热度基础上提升30℃至200℃。可以满足ZTC4、Ti55、Ti6242s、Ti-1100、Ti60、Ti600、IM1834、BT36、BT20、ZTA15等钛合金熔炼以及真空反重力成形的需求。

Claims (9)

1.一种真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于所述坩埚包括保温圈(1)、内衬(2)和至少一个背层(3)，内衬(2)的外部设有至少一个背层(3)，保温圈(1)设置在内衬(2)的上方，背层(3)由氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物构成，内衬(2)由氧化钇、氧化锆和氧化钙构成，所述坩埚内衬由内至外氧化钇的质量百分比由100％依次减少至20％，氧化锆和氧化钙的质量百分比由0％依次增加至80％。

2.根据权利要求1所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于内衬(2)的厚度为2-15mm，氧化钙、氧化锆或氧化钙和氧化锆的混合物的粒度为5-1000目。

3.根据权利要求1或2所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于所述保温圈为纯石墨、纯钨、纯铼、纯钽、纯钼或钨、铼、钽、钼任意组合的合金保温圈。

4.根据权利要求1所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于所述保温圈(1)为圆柱体，该圆柱体的中心设有倒置碗形凹槽(1-1)，内衬(2)内由第一腔(2-1)和第二腔(2-2)连通构成，第二腔(2-2)的直径小于第一腔(2-1)的直径，保温圈(1)设置在与其相对应的第一腔(2-1)内。

5.根据权利要求1所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于所述坩埚还包括至少一层氧化锆纤维网增强层(4)，每个背层(3)的外部设有至少一层氧化锆纤维网增强层(4)。

6.根据权利要求1所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于保温圈光滑反射面的聚焦点保持在钛合金熔体内表面层3-8mm范围内。

7.根据权利要求1所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于保温圈(1)由均等的四个分体构成。

8.根据权利要求4所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于保温圈(1)与内衬的第一腔(2-1)卡接。

9.根据权利要求4所述真空反重力铸造钛及钛合金用复合坩埚，其特征在于所述坩埚还包括多个定位柱(5)，保温圈(1)的底端面上设有四个定位柱(5)，第一腔(2-1)的底端面上开有与定位柱(5)相匹配的凹槽(6)，保温圈(1)通过四个定位柱(5)与内衬的第一腔(2-1)插接。