CN109722554A

CN109722554A - 一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法

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Publication number: CN109722554A
Application number: CN201811576222.2A
Authority: CN
Inventors: 张花蕊; 李锦鹏; 张虎
Original assignee: Suzhou Institute Of Innovation Beijing University Of Aeronautics And Astronautics; Qingdao Research Institute Of Beihang University; Beihang University
Current assignee: Suzhou Institute Of Innovation Beijing University Of Aeronautics And Astronautics; Qingdao Research Institute Of Beihang University; Beihang University
Priority date: 2018-12-22
Filing date: 2018-12-22
Publication date: 2019-05-07
Anticipated expiration: 2038-12-22
Also published as: CN109722554B

Abstract

一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：依次包括下列步骤：步骤（1），制备母合金锭：按照重量比例将高温合金所需的各种金属元素至于氧化物陶瓷坩埚中，再加入Y元素，Y元素的添加量是高温合金重量的0.01~0.2%，再将氧化物陶瓷坩埚置于真空感应熔炼炉内进行熔炼；步骤（2），氧化物陶瓷基板的制备；步骤（3），采用座滴法在高温真空润湿炉内测量高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间的接触角。本发明的方法能够降低降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性，为制备高纯度的合金提出建设性的理论依据。

Description

一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法

技术领域

本发明涉及高温合金制备领域，具体涉及一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法。

背景技术

高温合金具有优异的抗氧化性能、抗腐蚀性能以及较高的高温强度。它被广泛地用作热障涂层覆盖或粘结涂层来保护涡轮叶片或其他高温部件。近些年，常采用的高温合金熔炼方法是真空感应熔炼(VIM)、真空电弧熔炼(VAR)、电渣重熔(ESR)、真空感应加电子束重熔(EBCHR)、电子束重熔(EBR)或其中两种或三种的结合，其中真空感应熔炼应用最为广泛。在整个合金冶炼过程中，当液态金属与1000℃以上的坩埚接触时，由于合金的高活性和制备过程中的超高温，导致合金熔体与坩埚反应，合金熔体中的微量杂质元素（O、N、S）增多，使合金的综合使用性能降低。坩埚材料与合金熔体之间的润湿性对于理解坩埚与合金之间的界面反应机理以及陶瓷结构与界面反应之间的关系尤为重要。如果合金熔体很好地润湿坩埚内壁，则合金熔体将通过坩埚内表面上的毛细管向陶瓷表面渗透，来自坩埚中的有害微量元素（例如，O，C，N）在熔化过程中有进入合金熔体的趋势，并导致力学性能的劣化。此外，合金熔体和陶瓷材料之间的界面反应倾向于在良好的润湿性条件下发生。这在界面处产生新的化合物并且使合金冶金质量下降。润湿性可以通过润湿的程度来表征，表观上我们一般用接触角θ来表示。固体表面的毛细力以及界面反应等都会对润湿速度产生影响。如果θ=180º我们就定义液体完全不润湿固体；如果θ=0º则液体完全润湿固体；其他情况比如θ＞90º，则称为不润湿；θ＜90º又称为润湿。因此，降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性，进而调控其界面处的化学反应，对改善高温合金铸件的表面质量，提高其力学性能具有重要意义。

发明内容

本发明目的是提供一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法。在高温合金熔炼过程中通过测量润湿角，该方法能够降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，依次包括下列步骤：

步骤（1），制备母合金锭：

按照重量比例将高温合金所需的各种金属元素置于氧化物陶瓷坩埚中，再加入Y原料，Y元素的添加量是所述高温合金重量的0.01~0.2%，再将所述氧化物陶瓷坩埚置于真空感应熔炼炉内进行熔炼；熔炼完成后得到母合金锭；将所述母合金锭制备成金属粒，备用；

步骤（2），氧化物陶瓷基板的制备：

先配制氧化物陶瓷粉，氧化物陶瓷粉中添加有粘结剂，再将混合均匀的氧化物陶瓷粉倒入模具中，在压片机中制备出氧化物陶瓷生坯，最后将所述氧化物陶瓷生坯放入高温烧结炉中，在1773K~~2000K下进行20~25h的烧结，得到所述氧化物陶瓷基板；

步骤（3），采用座滴法在高温真空润湿炉内测量高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间的接触角：

所述高温真空润湿炉包括炉体、真空系统、加热系统、滴落系统、摄像系统以及数据处理系统；所述炉体内设有升降台，在升降台的上方设有Al₂O₃储料管；座滴法的过程如下：首先在所述升降台上放置了纯Al₂O₃作为样品台，然后把制备好用的所述氧化物陶瓷基板水平放置在样品台上；把所述金属粒存放在所述Al₂O₃储料管中；关闭炉门，调节温度控制柜，使炉室内按照程序以18~22K/min的速率进行升温，当温度升高至1450~1500K时，向炉室内充入高纯氩气，然后继续升温至1870~1900K；保温3~10min使炉内温度稳定后，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到已经升至1870~2000K的氧化物陶瓷基板上，金属迅速融化并且在氧化物陶瓷基板上进行润湿铺展，此时数码相机开始拍照，将拍到的照片传输到计算机中，然后进行数据处理分析，最后等炉室冷却后，取出试样。

进一步地，所述高温合金为镍基高温合金。

进一步地，所述氧化物陶瓷坩埚为氧化钙陶瓷坩埚、氧化镁陶瓷坩埚、氧化铝陶瓷坩埚以及氧化钇陶瓷坩埚中的一种。所述步骤（2）中的氧化物陶瓷基板与氧化物陶瓷坩埚的成分相同，也就是说，氧化物陶瓷基板相当于是氧化物陶瓷坩埚的样品。

进一步地，在所述步骤（3）中，所述金属粒的尺寸为3×3×3mm³。

进一步地，在所述步骤（3）中，当所述炉体内温度升至1873K时，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到氧化物陶瓷基板上。

进一步地，在所述步骤（1）中，熔炼条件具体为：先将熔炼炉中的气氛抽真空到3.0×10^-2~3.4×10^-2Pa，然后再充入氩气到0.04~0.06MPa，以小功率 5~10 KW 加热 10~15min，之后增大功率至 10~15 KW 继续加热 5~10min 后，增大功率至18~22KW 直至炉料全部变为熔融态；当加热至炉料温度为1873~2073K时，开始精炼，精炼时间为3~15min；精炼结束后，停止送电2~5min，然后以功率10~15KW 给电，测得炉料温度为1673~1773K时，在石墨锭模中进行浇注成型，随炉冷却至室温后取出母合金锭。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点和效果：

1、本发明的方法可以降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性，经过座滴法测量接触角，接触角基本上大于140°，即表现不润湿。Y元素的添加可以降低镍基高温合金熔体与陶瓷坩埚间的润湿性。

2、本发明在制备母合金锭时添加了微量的Y，Y含量对镍基高温合金真空感应熔炼过程中熔体纯净化有显著的影响，且非润湿的体系更有利于合金真空感应熔炼的进行。可以使合金中的O脱至4~6ppm，S脱至3~5ppm。

总之，本发明的方法能够降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性。此外，通过本发明的方法可以更加深入地解释了润湿性、界面反应和熔体纯净化之间的相互作用机理，为制备高纯度的合金提出建设性的理论依据。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），制备母合金锭：

按照重量比例将镍基高温合金（具体为Ni-20Co-20Cr-10Al-0.01Y(wt %)）所需的各种金属元素至于氧化镁陶瓷坩埚中，再加入Y元素，Y元素的添加量是镍基高温合金重量的0.01%，再将所述氧化镁陶瓷坩埚置于真空感应熔炼炉内进行熔炼；熔炼条件：先将熔炼炉中的气氛抽真空到3.2×10^-2Pa，然后再充入氩气到0.05MPa，以小功率 5~10 KW 加热 10~15min，之后增大功率至 10~15 KW 继续加热 5~10min 后，增大功率至18~22KW 直至炉料全部变为熔融态；当加热至炉料温度为1873K时，开始精炼，精炼时间为3~15min；精炼结束后，停止送电2~5min，然后以功率10~15KW 给电，测得炉料温度为1673K时，在石墨锭模中进行浇注成型，随炉冷却至室温后取出母合金锭；将所述母合金锭制备成金属粒，备用；

步骤（2），氧化镁陶瓷基板的制备：

先配制氧化镁陶瓷粉，氧化镁陶瓷粉中添加有粘结剂，再将混合均匀的氧化镁陶瓷粉倒入模具中，在压片机（手动压片机，沈阳科晶自动化设备有限公司）中制备出氧化镁陶瓷生坯，最后将所述氧化镁陶瓷生坯放入高温烧结炉中，在1773K下进行20~25h的烧结，得到所述氧化镁陶瓷基板；

步骤（3），采用座滴法在高温真空润湿炉内测量高温合金熔体与氧化镁陶瓷坩埚间的接触角：

所述高温真空润湿炉包括炉体、真空系统、加热系统、滴落系统、摄像系统以及数据处理系统；所述炉体内设有升降台，在升降台的上方设有Al₂O₃储料管；座滴法的过程如下：首先在所述升降台上放置了纯Al₂O₃作为样品台，然后把制备好用的所述氧化镁陶瓷基板水平放置在样品台上，同时通过水平球调整基板使其变成水平状态；把3×3×3mm³所述金属粒存放在所述Al₂O₃储料管中，以防在加热过程中金属粒滑落到炉室内；关闭炉门，调节温度控制柜，使炉室内按照程序以18~22K/min的速率进行升温，当温度升高至1470~1475K时，向炉室内充入高纯氩气，然后继续升温至1873K；保温3~7min使炉内温度稳定后，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到已经升至1873K的氧化镁陶瓷基板上，金属迅速融化并且在氧化镁陶瓷基板上进行润湿铺展，此时数码相机开始拍照，将拍到的照片传输到计算机中，然后进行数据处理分析，最后等炉室冷却后，取出试样。

其中，数据处理软件有ADSA（Axisymmeteric drop shape anailsis）、SESDROPD和FTA32等。润湿之后的实验数据处理可分为两步：第一是将液滴图像矢量化提取融滴的轮廓数据，第二对融滴轮廓数据的拟合分析并计算出熔滴的表观接触角、表面张力和表面自由能等。在MgO基板上，平衡角为140°。这表明Ni-20Co-20Cr-10Al-0.01Y合金和氧化镁陶瓷是不润湿的。

实施例2：一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），制备母合金锭：

按照重量比例将镍基高温合金（具体为Ni-20Co-20Cr-10Al-0.05Y(wt %)）所需的各种金属元素至于氧化钇陶瓷坩埚中，再加入Y元素，Y元素的添加量是镍基高温合金重量的0.05%，再将所述氧化钇陶瓷坩埚置于真空感应熔炼炉内进行熔炼；熔炼条件：先将熔炼炉中的气氛抽真空到3.2×10^-2Pa，然后再充入氩气到0.05MPa，以小功率 5~10 KW 加热 10~15min，之后增大功率至 10~15 KW 继续加热 5~10min 后，增大功率至18~22KW 直至炉料全部变为熔融态；当加热至炉料温度为2073K时，开始精炼，精炼时间为3~15min；精炼结束后，停止送电2~5min，然后以功率10~15KW 给电，测得炉料温度为1773K时，在石墨锭模中进行浇注成型，随炉冷却至室温后取出母合金锭；将所述母合金锭制备成金属粒，备用；

步骤（2），氧化钇陶瓷基板的制备：

先配制氧化钇陶瓷粉，氧化钇陶瓷粉中添加有粘结剂，再将混合均匀的氧化钇陶瓷粉倒入模具中，在压片机（手动压片机，沈阳科晶自动化设备有限公司）中制备出氧化钇陶瓷生坯，最后将所述氧化钇陶瓷生坯放入高温烧结炉中，在1973K下进行20~25h的烧结，得到所述氧化钇陶瓷基板；

步骤（3），采用座滴法在高温真空润湿炉内测量高温合金熔体与氧化钇陶瓷坩埚间的接触角：

所述高温真空润湿炉包括炉体、真空系统、加热系统、滴落系统、摄像系统以及数据处理系统；所述炉体内设有升降台，在升降台的上方设有Al₂O₃储料管；座滴法的过程如下：首先在所述升降台上放置了纯Al₂O₃作为样品台，然后把制备好用的所述氧化钇陶瓷基板水平放置在样品台上，同时通过水平球调整基板使其变成水平状态；把3×3×3mm³所述金属粒存放在所述Al₂O₃储料管中，以防在加热过程中金属粒滑落到炉室内；关闭炉门，调节温度控制柜，使炉室内按照程序以18~22K/min的速率进行升温，当温度升高至1470~1475K时，向炉室内充入高纯氩气，然后继续升温至1873K；保温3~7min使炉内温度稳定后，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到已经升至1873K的氧化钇陶瓷基板上，金属迅速融化并且在氧化钇陶瓷基板上进行润湿铺展，此时数码相机开始拍照，将拍到的照片传输到计算机中，然后进行数据处理分析，最后等炉室冷却后，取出试样。

其中，数据处理软件有ADSA（Axisymmeteric drop shape anailsis）、SESDROPD和FTA32等。润湿之后的实验数据处理可分为两步：第一是将液滴图像矢量化提取融滴的轮廓数据，第二对融滴轮廓数据的拟合分析并计算出熔滴的表观接触角、表面张力和表面自由能等。在Y₂O₃基板上，平衡角为148°。这表明Ni-20Co-20Cr-10Al-0.05Y合金和氧化镁陶瓷是不润湿的。

实施例3：一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法

该方法依次包括下列步骤：

步骤（1），制备母合金锭：

按照重量比例将镍基高温合金（具体为Ni-20Co-20Cr-10Al-0.15Y(wt %)）所需的各种金属元素至于氧化铝陶瓷坩埚中，再加入Y元素，Y元素的添加量是镍基高温合金重量的0.15%，再将所述氧化铝陶瓷坩埚置于真空感应熔炼炉内进行熔炼；熔炼条件：先将熔炼炉中的气氛抽真空到3.2×10^-2Pa，然后再充入氩气到0.05MPa，以小功率 5~10 KW 加热 10~15min，之后增大功率至 10~15 KW 继续加热 5~10min 后，增大功率至18~22KW 直至炉料全部变为熔融态；当加热至炉料温度为2073K时，开始精炼，精炼时间为3~15min；精炼结束后，停止送电2~5min，然后以功率10~15KW 给电，测得炉料温度为1773K时，在石墨锭模中进行浇注成型，随炉冷却至室温后取出母合金锭；将所述母合金锭制备成金属粒，备用；

步骤（2），氧化铝陶瓷基板的制备：

先配制氧化铝陶瓷粉，氧化铝陶瓷粉中添加有粘结剂，再将混合均匀的氧化铝陶瓷粉倒入模具中，在压片机（手动压片机，沈阳科晶自动化设备有限公司）中制备出氧化铝陶瓷生坯，最后将所述氧化铝陶瓷生坯放入高温烧结炉中，在2000K下进行20~25h的烧结，得到所述氧化铝陶瓷基板；

步骤（3），采用座滴法在高温真空润湿炉内测量高温合金熔体与氧化铝陶瓷坩埚间的接触角：

所述高温真空润湿炉包括炉体、真空系统、加热系统、滴落系统、摄像系统以及数据处理系统；所述炉体内设有升降台，在升降台的上方设有Al₂O₃储料管；座滴法的过程如下：首先在所述升降台上放置了纯Al₂O₃作为样品台，然后把制备好用的所述氧化铝陶瓷基板水平放置在样品台上，同时通过水平球调整基板使其变成水平状态；把3×3×3mm³所述金属粒存放在所述Al₂O₃储料管中，以防在加热过程中金属粒滑落到炉室内；关闭炉门，调节温度控制柜，使炉室内按照程序以18~22K/min的速率进行升温，当温度升高至1470~1475K时，向炉室内充入高纯氩气，然后继续升温至1873K；保温3~7min使炉内温度稳定后，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到已经升至1873K的氧化铝陶瓷基板上，金属迅速融化并且在氧化铝陶瓷基板上进行润湿铺展，此时数码相机开始拍照，将拍到的照片传输到计算机中，然后进行数据处理分析，最后等炉室冷却后，取出试样。

其中，数据处理软件有ADSA（Axisymmeteric drop shape anailsis）、SESDROPD和FTA32等。润湿之后的实验数据处理可分为两步：第一是将液滴图像矢量化提取融滴的轮廓数据，第二对融滴轮廓数据的拟合分析并计算出熔滴的表观接触角、表面张力和表面自由能等。在Al₂O₃基板上，平衡角为154°。这表明Ni-20Co-20Cr-10Al-0.15Y合金和氧化镁陶瓷是不润湿的。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：依次包括下列步骤：

步骤（1），制备母合金锭：

步骤（2），氧化物陶瓷基板的制备：

2.根据权利要求1所述的一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：所述高温合金为镍基高温合金。

3.根据权利要求1所述的一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：所述氧化物陶瓷坩埚为氧化钙陶瓷坩埚、氧化镁陶瓷坩埚、氧化铝陶瓷坩埚以及氧化钇陶瓷坩埚中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，熔炼条件具体为：先将熔炼炉中的气氛抽真空到3.0×10^-2~3.4×10^-2Pa，然后再充入氩气到0.04~0.06MPa，以小功率 5~10 KW 加热 10~15min，之后增大功率至 10~15 KW 继续加热 5~10min 后，增大功率至18~22KW 直至炉料全部变为熔融态；当加热至炉料温度为1873~2073K时，开始精炼，精炼时间为3~15min；精炼结束后，停止送电2~5min，然后以功率10~15KW 给电，测得炉料温度为1673~1773K时，在石墨锭模中进行浇注成型，随炉冷却至室温后取出母合金锭。

5.根据权利要求1所述的一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，所述金属粒的尺寸为3×3×3mm³。

6.根据权利要求1所述的一种降低高温合金熔体与氧化物陶瓷坩埚间润湿性的方法，其特征在于：在所述步骤（3）中，当所述炉体内温度升至1873K时，将Al₂O₃储料管中的金属粒滴落到氧化物陶瓷基板上。