[发明专利]用于钛合金熔炼的BaZrO3耐火材料及其坩埚的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于钛及钛合金熔炼坩埚的耐火材料及坩埚的制备方法，属于高温熔炼耐火材料技术领域。

技术背景

钛合金具有比强度高、密度小、耐腐蚀等一系列优良特性，广泛应用于现代工业中，例如生物科学、医学工程、航空航天工业、能源、海洋、军事工业等领域。钛合金不能得到广泛的应用，主要是碍于其高昂的价格。在其成本构成之中，熔炼费用占30%～40%。

目前，工业中常用自耗电极电弧炉配搭水冷铜坩埚作为冶炼钛合金的装置。但是水冷铜坩埚带走大量热量，严重浪费能源，且造成热场不均匀，使得钛合金组织不均匀，影响其使用性能。

有人采用石墨作为冶炼钛及钛合金的坩埚材料。使用石墨坩埚进行钛合金熔炼后，钛锭增碳严重，生成大尺度脆性层，降低钛合金性能。

另外有采用氧化物耐火材料坩埚作为熔炼容器。但是金属钛的熔点高，在熔融状态下，钛的化学活性大，在目前的熔炼条件下，几乎会和所有常用的耐火材料发生不同程度的反应，因此普通的耐火材料，如氧化铝、氧化镁和氧化硅等，均不适合作为冶炼钛合金的坩埚材料。还有采用氧化钙坩埚，但是氧化钙坩埚一方面达不到钛合金对氧含量的控制要求，另一方面氧化钙坩埚不易烧结成型，且在空气中易水化，不易保存。有报道称，氧化钇作为熔炼钛合金的耐火材料和钛合金的反应较小，可形成中间层，有效地抑制钛合金和耐火材料的进一步反应，是理想的钛合金熔炼耐火材料。但其价格太高，直接提高钛合金的成本，不适合大规模使用。

经过相图计算及查阅相关数据，给出如下结论：化合物BaZrO₃熔点可达2600℃，具有良好的热抗震性，立方钙钛矿结构，密度为5.652g/cm³并且价格较低。锆酸钡虽然现如今尚未被用来熔炼钛及其合金，但它已经被某些熔炼中用作耐火材料，它是在目前熔炼高质量的单晶体钇钡铜氧超导材料中最为稳定的坩埚材料。这种新型的坩埚材料用于钇钡铜氧超导材料有几个优点：在结晶形成后晶体中不再含有来自坩埚的杂质，同时由于坩埚腐蚀所带来的变化不再影响熔融的合金组成，这样就能避免那些不可控的生成物。在所有的立方钙钛矿物质中，锆酸钡的晶格常数最大。由此，BaZrO₃是较稳定的坩埚材料，高温时，几乎不与活泼金属反应，性能稳定，是一种潜在的钛及钛合金熔炼坩埚的耐火材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于钛及钛合金的BaZrO₃耐火材料及其坩埚的制备方法。

本发明一种用于钛合金熔炼的BaZrO₃耐火材料的制备方法，其特征在于具有以下的过程和步骤：

采用高纯度的碳酸钡和氧化锆为原料，两者配合的摩尔比即BaCO₃：ZrO₂=1:1；另外再加入0.5~5.0 mol%的TiO₂；将此配合料在1200~1400℃温度下反复烧结，制成BaZrO₃耐火材料。

本发明一种用于钛合金熔炼的BaZrO₃坩埚的制备方法，其特征在于是有以下的过程和步骤：

a)        配料：采用高纯度的碳酸钡和氧化锆为原料，两者配合的摩尔比即BaCO₃：ZrO₂=1:1；另外再加入0.5~5.0 mol%的TiO₂；

b)        球磨：在上述配合料中加入适量的无水乙醇，并加入氧化锆球，在球磨机中球磨10~24小时，得粉料；

c)        干燥：将球磨好的粉料置于烘干箱中，于80~120℃下烘干；

d)        成型：在烘干的粉料中，加入粘结剂，在自制的模具中压制成坩埚坯；粘结剂为石蜡，丙三醇，无水乙醇中的至少一种，粘结剂的加入量为粉料质量的1~5%；

e)        预烧结：将上述坩埚坯慢速升温加热至800~1200℃，保温4~10小时，得到素坯；

f)          烧结：将上述素坯快速升温至1650~1750℃，烧结5~10小时，然后自然冷却至室温，即制得成品BaZrO₃坩埚。

附图说明

图1 烧结完成前后的坩埚样品图（左为烧结前样品图、右为烧结后样品图）。

图2 真空条件、1500±10℃下熔炼钛合金后的坩埚状态图。

图3 本发明所用的传统常用的熔炼装置总体示意图。

 具体实施方式

现将本发明的具体实施例叙述于后