[发明专利]一种微纳双尺度氧化钇坩埚及制备方法

说明书

本发明公开一种微/纳双尺度氧化钇坩埚，外层由微米级氧化钇制成，内层由纳米级氧化钇构成，且内层纳米级氧化钇与外层微米级氧化钇紧密结合。纳米级氧化钇内层，在烧结过程中通过自粘结作用形成致密的氧化钇壳，在TiAl合金的熔炼与精密铸造过程中，抵抗合金熔体的侵蚀，防止合金受到污染；微米级氧化钇外层，烧结后具有一定的孔隙率，可提高坩埚的强度，在TiAl合金的熔炼与精密铸造过程中，提高了坩埚的抗热震性能，可满足合金熔炼时的高过热度需求；微/纳双尺度氧化钇坩埚内外层结合紧密，所述氧化钇坩埚纯度高达99.99%，避免熔炼与精密铸造过程中杂质元素对TiAl合金造成污染。

技术领域

本发明属于陶瓷坩埚技术领域，具体涉及一种TiAl合金高温熔炼与精密铸造用的微/纳双尺度氧化钇坩埚及其制备方法。

背景技术

现阶段TiAl合金在航空航天及发动机领域展现出巨大的应用前景，世界各国都将TiAl合金材料作为重点研究对象，但熔融TiAl合金化学性质极其活泼，与常见的坩埚材料均存在不同程度的界面反应且机理较复杂，例如，熔融合金对型壳内表面的冲刷与腐蚀，在高温条件下合金元素之间的相互作用，材料之间的扩散、化学反应等。这些因素相互影响、相互作用，在铸件表面形成污染层，对铸件内部质量造成不良影响，严重限制了TiAl合金的熔炼与精密铸造。因此，寻找一种热力学及化学性质稳定的坩埚材料成为亟需解决的问题。

针对TiAl合金的熔炼与精密铸造，目前所使用的坩埚主要有石墨坩埚、高熔点金属坩埚、氧化物坩埚和锆酸盐坩埚。氧化物坩埚表面干净、光亮、细腻，无毒无害，化学性质稳定，具有耐酸碱盐、耐大气水分侵蚀能力强、热稳定性能好、耐高温且热导率低、急热聚冷不易炸裂等特点。相比其他类型的坩埚材料，氧化物来源广泛，价格低廉，适用于铸造TiAl合金。因此，近年来对于熔炼与精密铸造TiAl合金用坩埚的研究主要集中在氧化物坩埚方面。

目前使用较多的氧化物坩埚有CaO坩埚、Al₂O₃坩埚、ZrO₂坩埚、Y₂O₃坩埚等。其中CaO坩埚易与空气中的水分反应，坩埚制造工艺存在一定困难；Al₂O₃坩埚熔炼TiAl合金后污染层较厚，达200μm；ZrO₂坩埚熔炼TiAl合金后污染层厚度在50-150μm。根据氧化物标准自由能，Y₂O₃在与高温熔融合金的界面反应中稳定性最高，因此，Y₂O₃是TiAl合金熔炼与精密铸造用坩埚的优选材料。

由于高纯氧化钇坩埚制备难度大，现有氧化钇坩埚往往是使用Y₂O₃作为坩埚内层材料。氧化钇面层与坩埚本体往往使用SiO₂作为粘结剂，在TiAl合金的熔炼过程中，Ti元素会与SiO₂发生化学反应，该反应直接导致坩埚中的氧化钇颗粒从坩埚壁脱落而进入合金熔体，随着熔炼时间的增加，Ti与SiO₂的反应不断进行，大量的氧化钇颗粒游离在熔体内部，对TiAl合金造成了严重污染，降低合金质量。因此，在使用氧化钇坩埚进行合金熔炼时，合金熔体的过热度有限。然而，较低的过热度，使得TiAl合金熔体黏度大，流动性差，导致TiAl合金熔体的铸造性能变差，不易获得形状复杂且质量好的铸件。所以，为获得质量良好的TiAl合金制品，需要在TiAl合金熔炼与精密铸造时合金熔体要具有较高的过热度。但随着熔炼温度的升高，TiAl合金熔体与坩埚粘接剂间的化学反应程度、合金熔体对坩埚材料的侵蚀与冲刷作用加剧，导致坩埚损伤加速、合金熔体质量变差，难以满足TiAl熔炼与精密铸造的需求。因此，亟需开发一种满足TiAl合金熔炼时高过热度的需求且内层材料不脱落的氧化钇坩埚。

发明内容

为了解决现有技术中TiAl合金熔炼与精密铸造存在的问题，本发明提供一种微/纳双尺度氧化钇坩埚及制作方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：