氧化釔摻雜氧化釹坩堝及其採用熱壓燒結制坩堝的方法

2023-05-16 23:25:31 2

專利名稱：氧化釔摻雜氧化釹坩堝及其採用熱壓燒結制坩堝的方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬熔煉設備，更特別地說，是指一種能夠用於真空熔煉高活性 金屬(Ti、 Nb、 Hf等金屬或合金)的坩堝及其採用熱壓燒結制坩堝的方法。
技術背景現有真空熔煉高活性金屬使用的坩堝材料主要為氧化鈣CaO、氧化鎂MgO、 氮化硼BN、氟化鈣CaF2等，坩堝的使用溫度一般為1200~1500°C，對於熔煉 Ti、 Nb、 Hf等金屬或合金具有一定困難。氧化釔(Y203)陶瓷是一種高性能透明陶瓷，具有優良的耐熱、耐腐蝕和高 溫穩定性。氧化釔的熔點大於240(TC，且在高溫下難以與某些活潑金屬(如鈦、 鋁等)發生反應，故可作為潛在的熔煉用耐火材料使用。但工業生產中氧化釔陶瓷造型困難，燒結時體積變化較大，故傳統的耐火材 料製備工藝中氧化釔僅是以添加劑形式存在，在氧化釔陶瓷中固相體積分數不到 25%,大大降低了產品的使用溫度。一般的熱壓設備(參見圖2所示)包括有密封圈1、石磨氈2、加熱線圈3、 爐體4、壓坯5、石磨模具6、電源7。熱壓燒結(Hot-Pressing, HP)是在燒 結過程中同時施加一定的外力(一般壓力在10 40MP"之間，取決與石磨模具 材料所能承受的強度)，使材料加速流動、重排和緻密化。通常熱壓燒結溫度要比 常壓燒結溫度低IO(TC左右，視不同對象及有無液相生成而異。可以預成型或把 粉末直接裝於模腔內，工藝簡單。熱壓燒結通常獲得的製品密度較高，可達理論 密度的99%以上，由於在較低的溫度下燒結，抑制了晶粒的生長，所得的燒結體 晶粒較細，且有較高的強度。 發明 內容本發明的目的是提供一種能夠適用於真空熔煉高活性金屬或合金的氧化釔摻雜 氧化釹坩堝，以及採用熱壓燒結方法製備氧化釔摻雜氧化釹坩堝的工藝。本發明氧化釔摻雜氧化釹坩堝的成分為每10g的氧化釔￥203中摻雜有0.2 1.3^的氧化釹賊03。本發明採用熱壓燒結方法製備氧化釔摻雜氧化釹坩堝的具體步驟如下 第一步製漿料將按目標成分配製的粒徑0.01 20//w的Y203、粒徑0.01~20/^的Nd203 與無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為每100g的氧化釔Y2O3中加入0.05 0.2丄。 第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度60~100°C,幹 燥時間8 15/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節壓力至10 20M屍fl ,升溫速率5 10。C/min，燒結溫度1400~1800°C， 並在溫度1400 180(TC條件下保溫5 10A ;最後脫模製得氧化釔摻雜氧化釹坩堝。本發明氧化憶摻雜氧化釹坩堝的優點在於(l)可使用的溫度為1600~2000°C, 適用於真空熔煉製備活性金屬或合金的熔煉設備；(2)該氧化釔摻雜氧化釹坩堝中 的成分不與熔體反應，可以提高熔體的純淨度。本發明採用熱壓燒結工藝制氧化釔摻雜氧化釹坩堝的優點在於(1)造形簡單; (2)製得的坩堝內表面光潔度髙；(3)燒結過程中工藝參數可控。


圖1是採用本發明氧化釔摻雜氧化釹坩堝在真空熱處理爐內熔煉的Ti合金的 XRD圖。圖2是熱壓設備的簡示圖。
具體實施方式
下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。本發明氧化釔摻雜氧化釹坩堝的成分為每lOg的氧化釔￥203中摻雜有0.2~ 1.3^的氧化釹賊03。在本發明中，製備氧化釔摻雜氧化釹坩堝所需的氧化釔丫203為粒徑0.01~ 20//w的細粉，氧化釹Nd203為粒徑0.01 20//w的細粉。在本發明中，採用熱壓燒結方法製備氧化釔摻雜氧化釹柑堝的具體步驟如下 第一步製漿料將按目標成分配製的粒徑0.01 20//m的Y203、粒徑0.01 20〃w的Nd203 與無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為每lOOg的氧化釔Y203中加入0.05 0.2 ￡ 。 第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度60~100°C，幹 燥時間8 15/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節壓力至10 20M屍"，升溫速率5 10。C/min，燒結溫度1400 1800°C， 並在溫度1400 1800。C條件下保溫5 10h ;最後脫模製得氧化憶摻雜氧化釹坩堝。將上述製得的氧化釔摻雜氧化釹坩堝放入真空熔煉設備中，並將活性金屬塊放入 坩堝內，在真空(真空度10 1X10-3P")或惰性氣氛(氬氣、氦氣、氖氣)下， 熔煉溫度1600 2000。C下，熔煉高活性金屬如Ti、 Nb、 Hf等金屬或合金。在本發明中，使用的氧化釔￥203粉材也可以是多級粒徑的級配粉，即第一級氧 化釔丫203粉材粒徑為0.01 0.5〃《7、第二級氧化釔丫203粉材粒徑為0.5 2/i附、 第三級氧化釔丫203粉材粒徑為2 6//附、第四級氧化釔丫203粉材粒徑為6~20//附。 由於不同粒徑的氧化釔￥203粉材在混合配製過程中小顆粒進入大顆粒的空隙中，從 而可以增加緻密度，減少了高溫燒結的體積變化。 實施例1 :制一個能熔0.5《g鈦Ti合金的氧化釔摻雜氧化釹坩堝該氧化釔摻雜氧化釹坩堝的目標成分為368 g的氧化釔Y203中摻雜有46.2 g的 氧化釹Nd203 。釆用熱壓燒結製備目標成分的坩堝步驟如下 第一步製漿料將按目標成分配製的80%粒徑在4.8/mz的Y203、 80%粒徑5.0///w的Nd203 與無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為0.5Z;第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在恆溫烘乾箱烘乾製得坯料，烘乾溫度6(TC，烘乾時間第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節壓力至15M屍a,升鵬率lCrC/min，燒結溫度160(TC，並在溫度1600°C 條件下保溫;最後脫模製得目標成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。採用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進行真空熔煉Ti合金。將0.5《g的 Ti合金塊材放入坩堝內，然後將坩堝與材料一併安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國普發拓普公司)內；調節熔煉工藝參數抽真空至2.4X10—2屍fl， 熔煉溫度1600°C，並在160(TC溫度下保溫20min後，隨爐冷卻至室溫(25°C)後 取出；並對坩堝進行檢測，發現坩堝內表面未參與Ti合金的反應，經對Ti合金進行 XRD測試，其中不含￥203成分。如圖l中所示，不含Y元素或Y2(D3的衍射峰。 實施例2 :制一個能熔0.5《g鈦Ti合金的多級配粉氧化釔摻雜氧化釹坩堝該氧化憶摻雜氧化釹坩堝的目標成分為368g的氧化釔Y203中摻雜有46.2 g的 氧化釹Nd203 。釆用熱壓燒結製備目標成分的坩堝步驟如下第一步製漿料按目標成分配製選取0.02/^第一級￥203細粉、1/iw第二級Y203細粉、5// 7 第三級￥203細粉、15/^第四級￥203細粉，其中，第一級￥203細粉佔總￥203粉 量的5%，第二級￥203細粉佔總￥203粉量的20%,第三級丫203細粉佔總￥203粉 量的30%，第四級￥203細粉佔總丫203粉量的45%; 80%粒徑5.0pm的Nd203與 無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為0.5丄；第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度8(TC,乾燥時間io; ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節壓力至IOM屍"，升MM率6。C/min,燒結溫度1700°C,並在溫度1700°C 條件下保溫6 A ;最後脫模製得目標成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。採用上述的目標成分氧化憶摻雜氧化釹坩堝進行真空熔煉Ti合金。將0.5Kg的 Ti合金塊材放入坩堝內，然後將坩堝與材料一併安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國普發拓普公司)內；調節熔煉工藝參數抽真空至2.4X10—2 熔煉溫度1600。C,並在160(TC溫度下保溫20min後，隨爐冷卻至室溫(25°C)後 取出；並對坩堝進行檢測，發現坩堝內表面未參與Ti合金的反應，Ti合金中不含Y2o3 成分。本實例採用級配粉進行熱壓燒結制坩堝，燒結後的坩堝尺寸比實施例1製得 的坩堝變形量有所減小，即實施例2製得的坩堝收縮率是實施例1製得的坩堝收縮 率的50%左右。 實施例3 :制一個能熔1《g鉿Hf合金的氧化釔摻雜氧化釹坩堝該氧化釔摻雜氧化釹坩堝的目標成分為550g的氧化釔Y203中摻雜有69.0g的 氧化釹^203 。釆用熱壓燒結製備目標成分的坩堝步驟如下 第一步製漿料將按目標成分配製的90%粒徑在15//附的丫203、 80%粒徑10pm的Nd2O3與無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為ll; 第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度80°C，乾燥 時間8/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯； 調節壓力至15M屍"，升ffl率5°C/min,燒結溫度1750°C,並在溫度1750°C 條件下保溫5/2;最後脫模製得目標成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。採用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進行真空熔煉鉿Hf合金。將0.5^ 的鉿Hf合金塊材放入坩堝內，然後將坩堝與材料一併安裝在真空熱處理爐(261W 真空熱處理爐，德國普發拓普公司)內；調節熔煉工藝參數抽真空至1.9X 10_2屍"， 熔煉溫度1700°C，並在170CTC溫度下保溫15min後，隨爐冷卻至室溫(25°C)後 取出；並對坩堝迸行檢測，發現坩堝內表面未參與鉿Hf合金的反應，經對鉿Hf合 金進行XRD測試，其中不含￥203成分。 實施例4 :制一個能熔1《g鈮Nb合金的氧化釔摻雜氧化釹坩堝該氧化釔摻雜氧化釹坩堝的目標成分為552 g的氧化釔Y203中摻雜有69.3 g的 氧化釹配203 。採用熱壓燒結製備目標成分的坩堝步驟如下 第一步製漿料將按目標成分配製的80%粒徑在15//m的Y203、 80%粒徑貝€1203與 無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為l丄； 第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度ioo。c,乾燥 時間8/7;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節壓力至19MPa ，升MM率5°C/min,燒結溫度1750°C,並在溫度1750°C 條件下保溫;最後脫模製得目標成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。採用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進行真空熔煉Nb合金。將0.5《g的 Nb合金塊材放入坩堝內，然後將坩堝與材料一併安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國普發拓普公司)內；調節熔煉工藝參數抽真空至ixi(r3/>fl,熔 煉溫度1950°C，並在1950。C溫度下保溫30min後，隨爐冷卻至室溫(25°C)後取 出；並對坩堝進行檢測，發現坩堝內表面未參與Nb合金的反應，經對Nb合金進行 XRD測試，其中不含￥203成分。
權利要求
1、一種氧化釔摻雜氧化釹坩堝，其特徵在於氧化釔摻雜氧化釹坩堝的成分為每10g的氧化釔Y2O3中摻雜有0.2～1.3g的氧化釹Nd2O3。
2、 根據權利要求1所述的氧化釔摻雜氧化釹坩堝，其特徵在於氧化釔摻雜氧化釹 坩堝使用溫度為1600 2000°C。
3、 採用熱壓燒結工藝製備如權利要求1所述的氧化憶摻雜氧化釹坩堝的方法，其特 徵在於有下列步驟第一步製漿料將按目標成分配製的粒徑0.01 20//w的Y203、粒徑0.01 20//m的Nd203 與無水乙醇混合均勻後製得漿料；無水乙醇的用量為每lOOg的氧化釔Y203中加入0.05 0.2丄。 第二步烘乾制坯料將第一步驟中製得的漿料在乾燥箱中烘乾製得坯料，乾燥溫度60 10CTC，幹 燥時間8 15/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步製得的坯料放入熱壓設備的f莫腔中，蓋上壓坯；調節壓力至10 20MPa ,升溫速率5 l(TC/min，燒結溫度1400~1800°C， 並在溫度1400 1800。C條件下保溫5 10A ;最後脫模製得氧化憶摻雜氧化釹坩堝。
4、 根據權利要求3所述的釆用熱壓燒結工藝制氧化釔摻雜氧化釹坩堝的方法，其特 徵在於在第一步驟中使用的氧化釔￥203粉材是多級粒徑的級配粉，即第一級氧 化釔￥203粉材粒徑為0.01 0.5//w、第二級氧化釔丫203粉材粒徑為0.5 2//m、第三級氧化釔丫203粉材粒徑為2 6/// 、第四級氧化釔￥203粉材粒徑為 6 20 /iw 。
全文摘要
本發明公開了一種氧化釔摻雜氧化釹坩堝及其採用熱壓燒結制坩堝的方法，氧化釔摻雜氧化釹坩堝的成分為每10g的氧化釔Y2O3中摻雜有0.2～1.3g的氧化釹Nd2O3。在用於熱壓燒結的氧化釔Y2O3粒徑為0.01～20μm，氧化釹Nd2O3粒徑為0.01～20μm。本發明氧化釔摻雜氧化釹坩堝使用溫度為1600～2000℃，且在該溫度環境下作為真空熔煉的器具，坩堝內表面未參與活性金屬或合金的反應，從而提高了熔體的純淨度。
文檔編號C04B35/622GK101239832SQ200810101790
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月12日 優先權日2008年3月12日
發明者唐曉霞, 虎 張, 徐惠彬, 明 高, 龔路傑 申請人:北京航空航天大學