CN105066693B - 一种钇用Ta10W合金坩埚及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钇用Ta10W合金坩埚，包括坩埚本体，所述坩埚本体包括锅体和锅底，该锅底上端插入锅体一端而连接形成坩埚本体，且该连接处的锅底上端外周面与锅体端部内周面分别形成搭接面；同时该坩埚的焊接处通过电子束焊接法焊接而成。本发明中的坩埚由Ta10W合金制成，耐高温、耐腐蚀，同时该坩埚结构简单，由锅体和锅底两部分组装加工而成，可方便调整锅底的高度及厚度，从而提高坩埚的整体使用寿命，降低成本，锅体与锅底的组装过程中形成搭接面，不仅方便坩埚的加工制造，而且也可使坩埚整体结构稳固，提高成品率，该坩埚采用真空电子束焊接法焊接，避免了Ta10W合金焊接过程中吸收环境中的氮、氢、氧等气体对坩埚质量的影响，提高了成品坩埚的质量。
Description
技术领域
本发明涉及熔炼和焊接技术领域，尤其涉及一种钇用Ta10W合金坩埚及其制备方法。
背景技术
金属钇大量应用于电子器件中，钇的纯度直接影响了其材料性能及使用效果，因此金属钇应用的关键环节是钇的制备及提纯技术。而钇作为稀土金属，具有极高的活性，极易氧化，并且能与大多数金属形成固溶体，所以钇的提纯对坩埚的材质有苛刻的要求。目前，应用较为普遍的是钨坩埚，如申请号为201410516448.9(公开号为CN104289714A)的中国发明专利《一种稀土用钨坩埚的制备方法》。钨坩埚所用的原料钨硬度大，机械加工困难，所以一般钨坩埚制作时采用粉末烧结工艺，制作过程复杂，能耗大，且由于钨韧性差，在烧结过程中容易出现裂纹，造成成品率低，使用寿命短等问题。
Ta10W合金是一种高密度、高熔点、高强度的合金，具有很好的高温强度、延展性、可焊性和耐腐蚀性能，适用于高温、高压、强腐蚀等恶劣工作环境，利用Ta10W为原料制作坩埚，理论上可以解决钨坩埚存在的上述问题。然而Ta及其合金加热到500℃以上迅速氧化，在高温下会从环境中吸收氢、氧、氮等气体，少量的气体杂质就能显著影响钽的力学和耐蚀性能，这给焊接加工造成了困难，对焊接操作时的气氛、环境提出了较高的要求。例如用氩弧焊焊接Ta-12W合金得到的焊缝强度低，为母材强度的50％，焊接过程中存在热影响区大、晶粒粗大等问题；易形成裂纹，降低强度，虽然氩弧焊、氦弧焊效率高且成本低，但不能得到优质的焊缝。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术而提供一种耐高温、耐腐蚀的钇用Ta10W合金坩埚。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对现有技术而提供一种能有效解决Ta10W合金焊接吸气问题的钇用Ta10W合金坩埚的制备方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种钇用Ta10W合金坩埚，包括坩埚本体，其特征在于，所述坩埚本体包括锅体和锅底，该锅底上端插入锅体一端而连接形成坩埚本体，且连接处的锅底上端外周面与锅体端部内周面分别形成用于连接锅体与锅底的搭接面。
作为优选，所述搭接面沿坩埚本体高度方向的长度为5～8mm，有利于锅体与锅底稳固连接而形成坩埚本体。
为使坩埚本体内部结构稳固，作为优选，所述搭接面处形成有用于连接锅体内壁与锅底外壁的第一焊接缝；进一步，所述锅体由Ta10W合金板卷合而成且板的边沿对接面形成有纵向的第二焊接缝。
作为优选，所述锅体呈圆筒状，其内径为150～200mm，高度为150～200mm，厚度为1.0～1.8mm。
作为优选，所述锅底呈圆盆状，其外径为150～200mm，高度为25～35mm，锅底壁厚度为1.5～2.0mm。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：所述第一焊接缝和第二焊接缝均通过电子束焊接法焊接而成。
具体地，所述第二焊接缝通过以下步骤形成：
(1)清除Ta10W合金板边沿对接面处的油污，夹持Ta10W合金板并使对接面之间的间隙≤0.03mm，然后将其固定在电子束焊机真空室内并抽真空至10-3Pa；
(2)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第二焊接缝，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为205～210mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为2～5mA，焊接速度为295～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
所述第一焊接缝通过以下步骤形成：
(1)用Ta10W合金板经冲压模具冲压成锅底，清理锅底上端边沿的毛刺，清除锅底上端外周面轴向5～8mm范围内的油污；
(2)将锅底上端插入锅体一端并使搭接面沿坩埚本体长度方向的宽度为5～8mm，从而将锅底与锅体组装在一起形成坩埚本体；
(3)夹持组装在一起的坩埚本体，将其固定在电子束焊机真空室内并使坩埚本体与电子束成55°～65°角；
(4)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第一焊接缝，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为200～205mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～5mA，焊接速度为300～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本发明中的坩埚由Ta10W合金制成，耐高温、耐腐蚀，可广泛应用金属钇加工，同时该坩埚结构简单，由锅体和锅底两部分组装加工而成，可方便调整锅底的高度及厚度，从而提高坩埚的整体使用寿命，降低成本，锅体与锅底的组装过程中形成搭接面，不仅方便坩埚的加工制造，而且也可使坩埚整体结构稳固，提高成品率；此外，该坩埚的制备方法中采用真空电子束焊接法，避免了Ta10W合金焊接过程中吸收环境中的氮、氢、氧等气体对坩埚质量的影响，提高了成品坩埚的质量。
附图说明
图1为本发明实施例中钇用Ta10W合金坩埚的结构示意图；
图2为本发明实施例中钇用Ta10W合金坩埚的结构分解图；
图3为本发明实施例中钇用Ta10W合金坩埚的结构示意图；
图4为图3的俯视图；
图5为本发明实施例中锅底制备过程中所用冲压磨具结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为本发明实施例中第一焊接缝电子束焊接示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。
如图1～4所示，一种钇用Ta10W合金坩埚，用于金属钇的熔融和提纯等加工，包括坩埚本体1，而坩埚本体1包括锅体2和锅底3，锅底3上端插入锅体2一端而连接形成坩埚本体1，且连接处的锅底3上端外周面与锅体2端部内周面分别形成用于连接锅体2和锅底3的搭接面5。锅体2由Ta10W合金板卷合而成且板的边沿对接面形成有纵向的第二焊接缝6，上述搭接面5沿坩埚本体1高度方向的宽度d为5～8mm且搭接面5处形成有用于连接锅体2内壁与锅底3外壁的第一焊接缝4。锅体2呈圆筒状，其内径R为150～200mm，高度h1为150～200mm，厚度为1.0～1.8mm。锅底3呈圆盆状，其外径r为150～200mm，高度h2为25～35mm，锅底3壁厚度为1.5～2.0mm。
钇用Ta10W合金坩埚通过电子束焊接法焊接而成，具体过程如下：
(1)用有机溶剂清除Ta10W合金板边沿对接面处的油污，接着用夹具夹持Ta10W合金板对接面之间的间隙≤0.03mm，然后将其固定在电子束焊机真空室内并抽真空至10-3Pa。
(2)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第二焊接缝6，从而制成锅体2，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为205～210mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为2～5mA，焊接速度为295～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
(3)用Ta10W合金板经冲压模具冲压成盆状锅底3，冲压模具结构如图5、6所示，清理锅底3上端边沿的毛刺，清除锅底3上端外周面轴向5～8mm范围内的油污；
(4)将锅底3上端插入锅体2一端并使搭接面5沿坩埚本体1高度方向的宽度为5～8mm，从而将锅底3与锅体2组装在一起形成坩埚本体1，由上可见，坩埚本体1的高度H(即坩埚的高度)为167～230mm；
(5)夹持组装在一起的坩埚本体1，将其固定在电子束焊机真空室内并使坩埚本体与电子束成55～65°角(如图7中的α角所示)；
(6)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第一焊接缝4，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为200～205mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～5mA，焊接速度为300～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
以下通过具体的实施例对本发明进行进一步阐述：
实施例1：
本实施例中的坩埚高度为170mm，内径为150mm，锅体厚度为1mm，锅底厚度为1.5mm，制备过程如下：
(1)把厚度1mm的Ta10W合金板剪切成150mm×477mm的矩形板，用卷板机将其卷成内径150mm，高150mm的圆筒状；用丙酮擦洗去掉合金板边沿对接面上及周围5mm范围内的油污，然后将其用夹具夹持并使对接面之间间隙≤0.03mm，然后将其水平固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机的真空室内，抽真空至10-3Pa。
(2)按表1的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表1实施例1中锅体焊接加工(第二焊接缝)的焊接参数
(3)将厚度为1.5mm的Ta10W合金板加工成直径200mm的圆板，在孔径150mm的冲压模具中冲压成外径150mm、高度25mm的圆盆状锅底。
(4)用手砂轮清理去掉毛刺，用丙酮擦洗去除底上端外周面轴向5mm范围内的油污，将锅底上端插入锅体一端并使搭接面沿坩埚本体长度方向的宽度为5mm，从而将锅底与锅体组装在一起形成坩埚本体。
(5)用夹具将组装在一起的坩埚本体固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机真空室内，使坩埚轴向与电子束方向呈55°角，抽真空至10-3Pa。
(6)按表2的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表2实施例1中锅体与锅底焊接加工(第一焊接缝)的焊接参数
实施例2：
本实施例中的坩埚高度为194mm，内径为180mm，锅体厚度为1.5mm，锅底厚度为1.7mm，制备过程如下：
(1)把厚度1.5mm的Ta10W合金板剪切成170mm×477mm的矩形板，用卷板机将其卷成内径180mm，高170mm的圆筒状；用丙酮擦洗去掉合金板边沿对接面上及周围6mm范围内的油污，然后将其用夹具夹持并使对接面之间间隙≤0.03mm，然后将其水平固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机的真空室内，抽真空至10-3Pa。
(2)按表3的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表3实施例2中锅体焊接加工(第二焊接缝)的焊接参数
(3)将厚度为1.7mm的Ta10W合金板加工成直径200mm的圆板，在孔径180mm的冲压模具中冲压成外径180mm、高度30mm的盆状锅底。
(4)用手砂轮清理去掉毛刺，用丙酮擦洗去除底上端外周面轴向6mm范围内的油污，将锅底上端插入锅体一端并使搭接面沿坩埚本体长度方向的宽度为6mm，从而将锅底与锅体组装在一起形成坩埚本体。
(5)用夹具将组装在一起的坩埚本体固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机真空室内，使坩埚轴向与电子束方向呈60°角，抽真空至10-3Pa。
(6)按表4的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表4实施例2中锅体与锅底焊接加工(第一焊接缝)的焊接参数
实施例3：
本实施例中的坩埚高度为227mm，内径为200mm，锅体厚度为1.8mm，锅底厚度为2.0mm，制备过程如下：
(1)把厚度1.8mm的Ta10W合金板剪切成200mm×477mm的矩形板，用卷板机将其卷成内径200mm，高200mm的圆筒状；用丙酮擦洗去掉合金板边沿对接面上及周围5mm范围内的油污，然后将其用夹具夹持并使对接面之间间隙≤0.03mm，然后将其水平固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机的真空室内，抽真空至10-3Pa。
(2)按表5的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表5实施例3中锅体焊接加工(第二焊接缝)的焊接参数
(3)将厚度为2.0mm的Ta10W合金板加工成直径200mm的圆板，在孔径200mm的冲压模具中冲压成外径200mm、高度35mm的盆状锅底。
(4)用手砂轮清理去掉毛刺，用丙酮擦洗去除底上端外周面轴向8mm范围内的油污，将锅底上端插入锅体一端并使搭接面沿坩埚本体长度方向的宽度为8mm，从而将锅底与锅体组装在一起形成坩埚本体。
(5)用夹具将组装在一起的坩埚本体固定在EBW1500/30-150CNC电子束焊机真空室内，使坩埚轴向与电子束方向呈65°角，抽真空至10-3Pa。
(6)按表6的焊接参数调整焊接工艺参数，然后施焊，焊接两遍形成第二焊接缝，从而制成锅体，其中第一遍为聚焦焊接，第二遍为散焦焊接，焊后表面光滑、无焊偏及焊坑。
表6实施例3中锅体与锅底焊接加工(第一焊接缝)的焊接参数
Claims (4)
1.一种钇用Ta10W合金坩埚的加工方法，所述钇用Ta10W合金坩埚，包括坩埚本体，所述坩埚本体包括锅体和锅底，该锅底上端插入锅体一端而连接形成坩埚本体，且连接处的锅底上端外周面与锅体端部内周面分别形成用于连接锅体与锅底的搭接面，所述搭接面沿坩埚本体高度方向的长度为5～8mm，所述锅底呈圆盆状，锅底壁厚度为1.5～2.0mm；
所述搭接面之间形成有用于连接锅体与锅底的第一焊接缝，所述锅体由Ta10W合金板卷合而成且板的边沿对接面间形成有纵向的第二焊接缝，所述第一焊接缝和第二焊接缝均通过电子束焊接法焊接而成，其特征在于，
所述第二焊接缝通过以下步骤形成：
(1)清除Ta10W合金板边沿对接面处的油污，夹持Ta10W合金板并使对接面之间的间隙≤0.03mm，然后将其固定在电子束焊机真空室内并抽真空至10-3Pa；
(2)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第二焊接缝，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为205～210mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为2～5mA，焊接速度为295～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
2.如权利要求1所述的的钇用Ta10W合金坩埚的加工方法，其特征在于，所述第一焊接缝通过以下步骤形成：
(1)用Ta10W合金板经冲压模具冲压成锅底，清理锅底上端边沿的毛刺，清除锅底上端外周面轴向5～8mm范围内的油污；
(2)将锅底上端插入锅体一端并使搭接面沿坩埚本体长度方向的长度为5mm～8mm，从而将锅底与锅体组装在一起形成坩埚本体；
(3)夹持组装在一起的坩埚本体，将其固定在电子束焊机真空室内并使坩埚本体与电子束成55°～65°角；
(4)依次进行聚焦焊接和散焦焊接形成第一焊接缝，其中聚焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为200～205mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～5mA，焊接速度为300～305mm/min；散焦焊接的焊接工艺参数如下：电子束焦距为250～255mm，焊接电压为135～140KV，焊接电流为3～6mA，焊接速度为275～280mm/min。
3.如权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述锅体呈圆筒状，其内径为150～200mm，高度为150～200mm，厚度为1.0～1.8mm。
4.如权利要求3所述的加工方法，其特征在于，所述锅底的外径为150～200mm，高度为25～35mm。
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