[发明专利]一种具有高温抗热震性的氮化铝-铝酸钇复相陶瓷及制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高温抗热震性的氮化铝‑铝酸钇复相陶瓷及制备方法；称取AlN为82～89％、YAlO₃为3～10％和MO为3～8％，并使用乙醇作为溶剂球磨混料3～5h，然后将球磨后的浆料在60～90℃烘箱中烘干6～12h浆料烘干；研磨，过100目筛；将过筛后的粉料加入石蜡作为粘结剂，待混合均匀后造粒晾干过40目筛，取筛下物；将筛下物放入成型磨具进行干压成型；取干压成型后的坯体，放入等静压机中，进行等静压；将等静压后的坯体放入气氛烧结炉中烧结，制得氮化铝‑铝酸钇复相陶瓷。将制备的复相陶瓷制成坩埚材料，在1000～1600℃循环30次的热震实验后不开裂，满足坩埚材料在高温热循环条件下要求。

技术领域

本发明涉及一种具有高温抗热震性的氮化铝-铝酸钇复相陶瓷及制备方法，属无机非金属材料技术领域。该氮化铝-铝酸钇复相陶瓷具有高的力学性能和高温抗热震性等优异性能。

背景技术

具有特殊使用性和功能性的金属及高温合金成为了高端制造中的关键材料，被广泛地应用于航空航天、船舶工程、石油化工、电子电气和生物医疗等领域。熔炼用坩埚会直接影响熔炼金属及高温合金的纯度，进而影响金属和高温合金材料的性能，因此熔炼用坩埚的选材至关重要。在高温使用过程中，为了坩埚材料不与熔炼金属/合金发生反应，用于熔炼金属/合金的坩埚材料应具备优良的热化学稳定性和抗侵蚀性；与此同时，坩埚材料应兼顾优良的高温力学性能和抗热震性能，保证熔炼用坩埚在高温热循环、强辐射等苛刻条件下必要的服役寿命。

熔炼很多金属/合金并不需要特殊材料的坩埚，常用金属/合金的熔炼坩埚材料为石墨，而对于一些特殊的金属/合金，如金属铀及其合金，尤其是采用电子束熔炼金属铀及其合金，就需要坩埚材料具有良好的高温化学稳定性、耐高温和抗热震性能等。由于石墨坩埚具有耐高温、抗热震性能好，不易与熔融金属和熔渣发生浸润的特性而被广泛应用。中国专利CN103787694B公开了一种原位反应法制备石墨坩埚表面SiC涂层的方法，该发明将制备的带有SiC涂层的石墨坩埚与无涂层的石墨坩埚在管式炉中升温至700℃并保温2h，取出冷却，冷却后继续升温，共循环6次，结果表明带有SiC涂层的石墨坩埚抗循环热冲击性能有所提高。石墨坩埚虽然被广泛应用，但高温时石墨本身较高的蒸气压导致石墨活性较高，易与诸多元素反应形成稳定碳化物，如900℃时与B作用生成B₄C，在1160℃与U反应生成UC，在1600℃时和Nb反应生成Nb₂C，进而影响熔炼材料的纯度和性能。因此，需要开发可以取代石墨的坩埚材料。Y₂O₃由于其良好的热稳定性、耐腐蚀和耐高温等特性备受研究者的关注。中国专利CN 105110793A公开了一种具有高抗热震性的氧化钇陶瓷的制备方法。这种发明以质量百分比为Y₂O₃85～90％，SiO₂7～12％，添加剂为CaO3～8％，在1700～1750℃烧成，制备的坩埚材料致密度提升约4.96％，抗弯强度为157.5MPa，在室温～1200±10℃下测试其抗热震性能，可平均循环5次。研究表明，由于Y₂O₃位错势垒高，材料的韧性较差，使其不能经受大的热冲击和机械冲击，用其制备的坩埚在经历反复热震和局部受热时极易引起破坏，因此难以在工业上广泛使用。由于无机材料拥有的高熔点，高温稳定性好等优异特性，所以在熔炼金属/合金坩埚领域得到了研究和发展。例如，Pirowski(Pirowski Z.Archives ofFoundry Engineering,2014,14(4)：83-90.)等利用Al₂O₃坩埚熔炼H282镍基高温合金，结果表明Al₂O₃坩埚与合金界面反应层明显并存在大量元素的富集。中国专利CN 104860686A公开了一种利用注浆成型制备氧化镁稳定氧化锆坩埚的方法。该发明通过加入氧化镁稳定氧化锆，从而提高坩埚的热稳定性和耐侵蚀性，提高金属及合金的熔炼纯度。但由于ZrO₂具有多晶型的相结构，在转变过程中的体积变化会导致开裂，降低其使用寿命。目前，大多数的热震试验是在水冷或风冷条件下，于1100℃冷却至室温，而未见有关高温阶段的热震性能的研究或报道，如1000～1600℃循环热震。现下所使用或研制的坩埚材料，不能满足特定高温条件的要求，因此开发新的坩埚材料成为研究热点。