TWI404901B - 用以熔化鈦合金之坩堝 - Google Patents

Description

用以熔化鈦合金之坩堝

本文所描述之具體實例大致關於適於熔化鈦合金之坩堝。更詳細地說，本文之具體實例大致描述適於熔化高度反應性鈦合金諸如鋁化鈦之耐火坩堝。

渦輪引擎設計師一直不停地尋找具有減輕引擎重量並且獲得較高引擎操作溫度之經改良性質的新穎材料。鈦合金(特別是以鋁化鈦(TiAl)為基底之合金)具有低溫機械性質(諸如室溫延展性與韌性)和中溫強度與抗潛變力高的有希望組合。因此，以TiAl為基底之合金具有取代目前用以製造眾多渦輪引擎組件之以鎳為基底的超合金的潛力。

真空感應熔煉係經常用以製造渦輪引擎組件(諸如翼形)的方法之一，並且通常包括於一個由非傳導性耐火合金氧化物製得之坩堝中加熱一種金屬直至該坩堝內裝載之金屬熔化成液態為止。當熔化諸如鈦或鈦合金等高度反應性金屬時，通常採用使用冷壁或石墨坩堝的真空感應熔煉。此係因為來自陶瓷坩堝之熔化與鑄製會對該坩堝導入明顯熱應力，其造成該坩堝龜裂。此種龜裂會縮短坩堝使用期限，並在鑄製中之組件裡造成夾雜物。

此外，當熔化諸如TiAl之高度反應性合金時，因在發生熔化必要之溫度下該合金中的元素的反應性之故，會 造成許多困難。如前文提及，雖然大部分真空感應熔煉系統使用耐火合金之氧化物作為感應爐中之坩堝，但諸如TiAl等合金的反應性相當高，故其會腐蝕存在該坩堝中之耐火合金並污染該鈦合金。例如，由於高度反應性TiAl合金會令該坩堝並以來自該氧化物之氧與耐火合金二者污染該鈦合金，因此通常避免陶瓷坩堝。同樣地，若使用石墨坩堝，則該鋁化鈦會從該坩堝令大量碳溶解入該鈦合金，因而造成污染。此種污染導致該鈦合金的機械性質耗損。

另外，雖然冷坩堝熔化可對前述高度反應性合金之處理提供冶金優點，但其亦有許多技術與經濟限制，包括低度過熱、因形成凝殼而導致產率損失以及高電力需求。此等限制會令工業生存力受限。

因此，仍需要用於熔化高度反應性合金之陶瓷坩堝，比起現有應用，此等陶瓷坩堝較不會污染該合金，並且所具有的技術與經濟限制較少。

本文之具體實例大致關於用以熔化鈦合金之坩堝，其包含具有至少一層表面塗層的表面披覆，該表面塗層含有選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之氧化物，以及包含至少一層底襯層之底襯，其中該坩堝之底襯對表面披覆的厚度比自約6.5：1至約20：1。

本文之具體實例亦大致關於用以熔化鈦合金之坩堝， 其包含具有至少一層表面塗層的表面披覆，該表面塗層含有選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之氧化物，以及包含至少一層底襯層之底襯，其中該坩堝之整體壁厚度為約6.5mm至約40mm。

本文之具體實例亦大致關於用以熔化鈦合金之坩堝，其包含具有至少一層表面塗層的表面披覆，該表面塗層含有選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之氧化物，包含至少一層底襯層之底襯，該底襯層係由膠態氧化矽懸浮液中之底襯漿體製得，其包含選自氧化鋁、矽酸鋯、二氧化矽與其組合之耐火材料，以及一層塗覆於各表面塗層與各底襯層之粉刷灰泥層，其中各表面塗層具有之厚度為約50微米至約500微米，且其中該坩堝之底襯對表面披覆的厚度比為約6.5：1至約20：1。

從下列揭示將令熟悉本技術之人士明白此等與其他特性、樣態與優點。

本文所述之具體實例大致關於適於熔化鈦合金之耐火坩堝。更明確地說，本文所描述之具體實例大致關於用以熔化鈦合金之坩堝，其包含具有至少一層表面塗層的表面披覆，該表面塗層含有選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之氧化物，以及包含至少一層底襯層之底襯。雖然本文之具體實例大致著重於用以製造近淨成形翼形之熔化TiAl用的坩堝，但該描述不應局限於此。熟 悉本技術之人士將會暸解本具體實例可用於熔化用以製造任何近淨成形氣體渦輪組件的例如鈦合金。

茲參考圖1，本文之具體實例有關適於熔化鈦合金之耐火坩堝8。坩堝8可具有內部9，並且可根據下文描述製造。首先，製造一坩堝模。此處所使用之「模」係指未經燒製組件，當於適當條件下加以燒製時此等組件時，其形成圖1之坩堝8。為了製造坩堝模，可提出如圖2所示之樣式10。雖然樣式10可包含能從該坩堝模移除之任何材料，但在一具體實例中，樣式10可包含蠟、塑膠或木材，並且可能為中空或實心。此外，樣式10可採用任何形狀並具有製造所期望之坩堝內部必要的任何尺寸，而且可能包含把手12或其他類似機構以便容易操作。

如圖3所示，可令包含至少一層表面塗層18之表面披覆16與選擇性至少一層粉刷灰泥層20塗覆於樣式10。本文通篇所使用之「至少一者」意指可能有一者或一者以上，而且全文指定之特定層為「第一表面塗層」、「第二表面塗層」等等。由於表面塗層18於熔化處理期間會曝露於該TiAl下，表面塗層18應對於該反應性TiAl呈惰性，以免於熔化期間變質且污染該合金。因此，在一具體實例中，表面塗層18可能包含一種氧化物。本文全文所使用之「氧化物」係指選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之組成物。此外，該鑭系氧化物(亦習知為「稀土」組成物)可能包含選自氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化鉕、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧 化鋱、氧化鏑、氧化鈥、氧化鉺、氧化鐿、氧化鎦與其組合之氧化物。

表面塗層18可能包含一種表面披覆漿體，其係由混入膠態懸浮液之氧化物的粉末而製成。一具體實例中，該氧化物之粉末可能為大小低於約70微米之小型粒子粉末，而在另一具體實例中，為約0.001微米至約50微米，在又一具體實例中，為約1微米至約50微米。該膠體可以呈受控制形式凝膠並且對TiAl呈惰性之任何膠體，諸如例如膠態氧化矽、膠態氧化釔、膠態氧化鋁、膠態氧化鈣、膠態氧化鎂、膠態二氧化鋯、膠態鑭系氧化物及其混合。雖然上列氧化物中之任一者可用以製造表面塗層18之表面披覆漿體，但在一具體實例中，該表面披覆漿體可能包含在膠態氧化矽懸浮液中氧化釔粒子，而在另一具體實例中，該表面披覆漿體可能包含在膠態氧化釔懸浮液中之氧化釔粒子。不過，該表面披覆漿體之組成會改變，通常該表面披覆漿體可能包含以重量計約40%至約100%該種氧化物以及約0%至約60%該種膠體。

若該表面塗層18之表面披覆漿體係使用傳統粒子製備，則可能使用選自浸漬、噴淋與其組合之方法而令樣式10曝於該表面披覆漿體。大致上，一但塗覆表面塗層18之後，該表面塗層18可具有之厚度為約50微米至約500微米，而在一具體實例中為約150微米至約300微米，在又一具體實例中為約200微米。

表面塗層18於仍然潮濕時可隨意塗覆以粉刷灰泥層 20，如圖3所示。本文所使用之「粉刷灰泥」係指大致具有大於約100微米大小之粗陶瓷粒子，在一具體實例中為約100微米至約5000微米。粉刷灰泥20可塗覆在各表面塗層以助構成該坩堝壁厚度，並提供額外強度。各種材料可能適合作為粉刷灰泥層20，不過在一具體實例中，該粉刷灰泥可能包含耐火材料，諸如但不局限於氧化鋁或鋁矽酸鹽，其係與本文所界定之氧化物結合。粉刷灰泥層20中該耐火材料對該氧化物之比會有所變化，不過在一具體實例中，粉刷灰泥層20可包含以重量計約0%至約60%該耐火材料與約40%至約100%該氧化物。可以任何可接受方式令粉刷灰泥層20塗覆於表面塗層18，該方式係諸如例如撒粉。通常，粉刷灰泥層20可的厚度為約100微米至約2000微米，在一具體實例中為約150微米至約300微米，而在另一具體實例中為約200微米。

表面塗層18與選擇性之粉刷灰泥層20可加以空氣乾燥，而且視情況需要可以上述方式塗覆額外表面塗層與粉刷灰泥層，以完成表面披覆16。圖3與4所示之具體實例中，存在第一與第二表面塗層18以及交錯之粉刷灰泥層20，惟熟悉本技術之人士將會暸解表面披覆16可能包含任何數量之表面塗層與粉刷灰泥層。雖然各表面塗層18可能包含不同氧化物/膠體混合物，但在一具體實例中，各表面塗層18包含相同氧化物/膠體混合物。塗覆所希望數量之表面塗層18與粉刷灰泥層20之後，完成表面披覆16，並且可加以塗覆底襯22。

底襯22有助於對完成之坩堝8提供額外強度與耐用性。就此而論，底襯22可能由至少一層底襯層24所組成，如圖4所示，該底襯層24可包含底襯漿體，該漿體包括在膠態氧化矽懸浮液中之選自氧化鋁、矽酸鋯、二氧化矽與其組合的耐火材料。本文全文可將特殊層指稱為「第一底襯層」、「第二底襯層」等等。其實例係，在一具體實例中，底襯層24可能包含由膠態氧化矽懸浮液中之氧化鋁具有製成的底襯漿體。該底襯漿體的組成會有所變化，不過該底襯漿體通常可能包含約10%至約40%該耐火材料與約60%至約90%該膠體，此二者均以重量計。與表面塗層相似的是，各底襯層24可能選擇性包含黏附於其上之粉刷灰泥層20，如圖4所示，該粉刷灰泥層20可能與前述構成該表面披覆所使用的粉刷灰泥相同或不同。各底襯層24(包括該粉刷灰泥)可具有之厚度為約150微米至約4000微米，在一具體實例中為約150微米至約1500微米，且在另一具體實例中為約700微米。

與表面塗層相似之處係，可使用選自浸漬、噴淋與其組合之方法加以塗覆各底襯層24。雖然可塗覆任何數量之底襯層24，但在一具體實例中，可能有2至40層底襯層。各底襯層24可包含與相同之耐火材料與膠體的組成，可能各不相同，或者可能包含在居中之某些組合。塗覆所希望層數之底襯層與選擇性粉刷灰泥層之後，可進一步處理該形成的坩堝模26。

應暸解在某些情況下，可能希望於塗覆該等粉刷灰泥 層時藉由改變粒度、層厚及/或組成而令其具有某等級。本文所使用之「分級」一辭與其所有形式係指藉由例如加大該粉刷灰泥材料之粒度、增加該粉刷灰泥層之厚度，及/或使用強度漸增之耐火材料/膠體組成物作為該粉刷灰泥層，而逐漸增加隨後塗覆之粉刷灰泥層的強度。此種分級使得可以訂製該粉刷灰泥層以說明受塗覆之各種表面塗層與底襯層的熱膨脹係數與化學性質差異。更明確地說，分級該粉刷灰泥層提供不同孔隙度，並且可調整該坩堝的模數，此二者一起採用有助於說明前述之熱膨脹係數差異。

然後可使用傳統方法令坩堝模26乾燥，並且可移除樣式10。可使用各種方法從坩堝模26移除樣式10。如前文所述，樣式10可能包含蠟，因此可能藉由將坩堝模26放置於一爐、蒸汽熱壓器、微波或其他相似裝置中，並熔化樣式10且在坩堝模26中留下開放式內部9而去除樣式10，如圖5所示。從坩堝模26熔化樣式10所需要的溫度通常可以很低，在一具體實例中可為約40℃至約120℃。

然後可選擇性以膠態漿體對坩堝模26的內部9塗漿以形成面塗層28，如圖5所示。塗漿大致上有關在燒製該坩堝之前，使用熟悉本技術之人士所習知的任何方法(諸如噴淋)對該坩堝內部塗覆塗層。面塗層28可具有任何所希望的厚度，不過，在一具體實例中，面塗層28具有的厚度至多達約500微米，在另一具體實例中，自約20微米至約400微米。面塗層28可包含選自在膠態氧化 釔懸浮液中之氧化釔、在膠態氧化矽懸浮液中之氧化釔與其組合的膠態漿體。此面塗層有助於進一步確保該坩堝於熔化期間仍對鈦合金保持惰性。

然後可對該中空坩堝模26燒製至更高溫。由於加熱處理期間該等構成表面塗層、粉刷灰泥與底襯層的材料會彼此交互擴散並燒結在一起，故燒製坩堝模26有助於對完成之坩堝提供額外強度。最初，該坩堝模可燒製至約800℃至約1400℃之溫度，在一具體實例中，為約900℃至約1100℃，在一具體實例中為約1000℃。該第一次燒製可能進行任何所需之時間長度以利燒掉任何殘留之樣式材料，並且在該坩堝之陶瓷構份之間提供有限之交互擴散度，於一具體實例中該時間長度為約0.5小時至約50小時，另一具體實例中為約1小時至約30小時，而在又一具體實例中為約2小時。其次，該坩堝模可燒製至約1400℃至約1800℃之溫度，在一具體實例中為約1500℃至約1800℃，且在又一具體實例中為約1600℃至約1700℃。該第二次燒製可進行所需之任何時間長度以便實質上完成該等陶瓷構份的交互擴散，並且導致存在該表面披覆氧化物中之膠體反應，於一具體實例中該時間長度可能為約0.5小時至約50小時，另一具體實例中為約1小時至約30小時，而在又一具體實例中為約2小時。例如，膠態氧化矽會形成矽酸鹽類，而膠態氧化釔會與存在該表面披覆之漿體中的氧化釔粒子燒結。

燒製完成之後，所得之坩堝適用於熔化鈦合金。茲參 考圖6，'A'係包含氧化釔與矽酸釔之第一表面塗層，'B'係氧化釔粉刷灰泥層，'C'係包含氧化釔與矽酸釔之第二表面塗層，'D'包含由該第二表面塗層與後續之粉刷灰泥層(分別為C與E)交互使用而形成的鋁酸釔與矽酸釔，'E'為氧化粉刷灰泥，'F'為包含氧化釔與矽酸釔之底襯層，而'G'係氧化鋁粉刷灰泥層。

雖然可視所希望用途而改變或修改坩堝8之特定特徵，在一具體實例，坩堝8的整體壁厚(包括所有表面塗層、粉刷灰泥層與底襯層)至少約為3mm，另一具體實例中，至少約為6mm，在又一具體實例中為約6.5mm至約40mm。大於約40mm之壁厚會導致不良的長高溫加熱時間。同樣地，在一具體實例中，該底襯對該表面披覆的厚度比可為約6.5：1至約20：1。如上述，大於約20：1之厚度比會因該氧化鋁底襯層的厚度之故而導致不良之長高溫加熱時間。

不論該特定構造，坩堝8可用以熔化具有低間隙度與低陶瓷夾雜物含量之鈦合金。特別是，可於本文所述之坩堝中使用熟悉本技術之人士習知的傳統熔化與鑄製技術而令TiAl熔化。由於用以製造該表面披覆的材料對反應性TiAl呈惰性，故本文所述之坩堝可與此種高反應性合金合用。換言之，該表面披覆可於熔化期間曝於該TiAl，不會令該合金變質與受到污染。此外，於該真空感應熔煉循環中之熔化、澆鑄與冷卻任一處理期間可令本文之坩堝迅速加熱而不會產生龜裂。

本經改良坩堝性能的淨結果係於其中熔化的TiAl純度更高，並且具有經改良疲乏壽命。本文所使用之「純度」一辭意指該合金之氧含量低於約1200重量ppm，並包括低於約500重量ppm之由熔化處理期間該坩堝所產生的釔或矽污染物。由於此種經改良純度之故，由該TiAl製成之組件比使用現有方法從TiAl製成之組件顯示出較少龜裂與較少瑕疵。

上述說明使用實例以揭示本發明，其包括最佳模式，並使熟悉本技術之任何人士均可製造並使用本發明。本發明之專利範圍係由申請專利範圍所界定，並且可包括熟悉本技術之人士所產生的其他實例。若此等其他實例具有與申請專利範圍之字面義意相同的結構元件，或者若其包含具有與申請專利範圍之字面義意有非實質差異的同等結構元件，則希望此等實例包括在申請專利範圍範圍內。

8‧‧‧坩堝

9‧‧‧(坩堝之)內部

10‧‧‧樣式

12‧‧‧把手

16‧‧‧表面披覆

18‧‧‧表面塗層

20‧‧‧粉刷灰泥層

22‧‧‧底襯

24‧‧‧底襯層

26‧‧‧坩堝模

28‧‧‧面塗層

雖然本說明以特別指出並清楚主張本發明權項之申請專利範圍作為結論，但一般認為由下列描述合併參考附圖可以更明暸本文所列出之具體實例，其中相似的參考數字認為相似元件。

圖1係根據本文描述之坩堝的具體實例之一的示意透視圖；圖2係根據本文描述之樣式的具體實例之一的示意透視圖； 圖3係根據本文描述之坩堝模的具體實例之一的示意透視圖；圖4係圖3之坩堝模具體實例的橫剖面一部分的示意特寫圖；圖5係根據本文描述已移除該樣式並施加面塗層後之坩堝模的具體實例之一的示意橫剖面圖；以及圖6係一顯微照片，其為根據本文描述經過第二次燒製後之坩堝橫剖面的具體實例之一所提供的比例。

10‧‧‧樣式

16‧‧‧表面披覆

18‧‧‧表面塗層

20‧‧‧粉刷灰泥層

Claims (10)

1. 一種用以熔化鈦合金之坩堝(8)，包含：表面披覆(16)，其包含至少一層含有選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物與其組合之氧化物的表面塗層(18)；以及底襯(22)，其包含至少一層底襯層(24)，該底襯層包含膠態氧化矽懸浮液中之選自氧化鋁、矽酸鋯、二氧化矽與其組合之耐火材料，其中坩堝(8)之底襯(22)對表面披覆(16)的厚度比自6.5：1至20：1。
2. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，其中鑭系氧化物包括選自氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化鉕、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化鋱、氧化鏑、氧化鈥、氧化鉺、氧化鐿、氧化鎦與其組合之氧化物。
3. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，其中該至少一層表面塗層(18)包含以重量計為40%至100%之氧化物。
4. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，其中該至少一層表面塗層(18)係由包含於膠態懸浮液中之氧化物粉末的表面披覆漿體製得，其中該膠態懸浮液包含選自膠態氧化矽、膠態氧化釔、膠態氧化鋁、膠態氧化鈣、膠態氧化鎂、膠態氧化鋯、膠態鑭系氧化物及其混合所組成之群的膠體。
5. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，其中至少一 層底襯層(24)係由底襯漿體製得。
6. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，其中表面披覆(16)包含至少兩層表面塗層(18)。
7. 如申請專利範圍第6項之坩堝(8)，其中各表面塗層(18)包含相同氧化物。
8. 如申請專利範圍第4項之坩堝(8)，其中表面披覆漿體包含於膠態懸浮液中之氧化釔粉末，其中該膠態懸浮液包含選自膠態氧化矽、膠態氧化釔、膠態氧化鋁、膠態氧化鈣、膠態氧化鎂、膠態氧化鋯、膠態鑭系氧化物及其混合所組成之群的膠體。
9. 如申請專利範圍第1項之坩堝(8)，進一步包含塗覆於各表面塗層(18)之粉刷灰泥層(20)，其中粉刷灰泥層(20)包含與耐火材料結合之氧化物。
10. 如申請專利範圍第1至8項中任一項之坩堝(8)，進一步包含包括於膠態懸浮液中之氧化釔粉末之面塗層(28)，其中膠態懸浮液包含選自膠態氧化矽、膠態氧化釔、膠態氧化鋁、膠態氧化鈣、膠態氧化鎂、膠態氧化鋯、膠態鑭系氧化物及其混合所組成之群的膠體。