專利名稱：氧化釔摻雜氧化釹坩堝及其采用熱壓燒結(jié)制坩堝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬熔煉設(shè)備，更特別地說(shuō)，是指一種能夠用于真空熔煉高活性 金屬(Ti、 Nb、 Hf等金屬或合金)的坩堝及其采用熱壓燒結(jié)制坩堝的方法。
技術(shù)背景現(xiàn)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B(yǎng)N、氟化鈣CaF2等，坩堝的使用溫度一般為1200~1500°C，對(duì)于熔煉 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(yōu)良的耐熱、耐腐蝕和高 溫穩(wěn)定性。氧化釔的熔點(diǎn)大于240(TC，且在高溫下難以與某些活潑金屬(如鈦、 鋁等)發(fā)生反應(yīng)，故可作為潛在的熔煉用耐火材料使用。但工業(yè)生產(chǎn)中氧化釔陶瓷造型困難，燒結(jié)時(shí)體積變化較大，故傳統(tǒng)的耐火材 料制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?jǐn)?shù)不到 25%,大大降低了產(chǎn)品的使用溫度。一般的熱壓設(shè)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(jié)(Hot-Pressing, HP)是在燒 結(jié)過(guò)程中同時(shí)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(qiáng)度)，使材料加速流動(dòng)、重排和致密化。通常熱壓燒結(jié)溫度要比 常壓燒結(jié)溫度低IO(TC左右，視不同對(duì)象及有無(wú)液相生成而異?？梢灶A(yù)成型或把 粉末直接裝于模腔內(nèi)，工藝簡(jiǎn)單。熱壓燒結(jié)通常獲得的制品密度較高，可達(dá)理論 密度的99%以上，由于在較低的溫度下燒結(jié)，抑制了晶粒的生長(zhǎng)，所得的燒結(jié)體 晶粒較細(xì)，且有較高的強(qiáng)度。 發(fā)明 內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種能夠適用于真空熔煉高活性金屬或合金的氧化釔摻雜 氧化釹坩堝，以及采用熱壓燒結(jié)方法制備氧化釔摻雜氧化釹坩堝的工藝。本發(fā)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(fā)明采用熱壓燒結(jié)方法制備氧化釔摻雜氧化釹坩堝的具體步驟如下 第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的粒徑0.01 20//w的Y203、粒徑0.01~20/^的Nd203 與無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為每100g的氧化釔Y2O3中加入0.05 0.2丄。 第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度60~100°C,干 燥時(shí)間8 15/ ;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至10 20M尸fl ,升溫速率5 10。C/min，燒結(jié)溫度1400~1800°C， 并在溫度1400 180(TC條件下保溫5 10A ;最后脫模制得氧化釔摻雜氧化釹坩堝。本發(fā)明氧化憶摻雜氧化釹坩堝的優(yōu)點(diǎn)在于(l)可使用的溫度為1600~2000°C, 適用于真空熔煉制備活性金屬或合金的熔煉設(shè)備；(2)該氧化釔摻雜氧化釹坩堝中 的成分不與熔體反應(yīng)，可以提高熔體的純凈度。本發(fā)明采用熱壓燒結(jié)工藝制氧化釔摻雜氧化釹坩堝的優(yōu)點(diǎn)在于(1)造形簡(jiǎn)單; (2)制得的坩堝內(nèi)表面光潔度髙；(3)燒結(jié)過(guò)程中工藝參數(shù)可控。


圖1是采用本發(fā)明氧化釔摻雜氧化釹坩堝在真空熱處理爐內(nèi)熔煉的Ti合金的 XRD圖。圖2是熱壓設(shè)備的簡(jiǎn)示圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)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(fā)明中，制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(xì)粉，氧化釹Nd203為粒徑0.01 20//w的細(xì)粉。在本發(fā)明中，采用熱壓燒結(jié)方法制備氧化釔摻雜氧化釹柑堝的具體步驟如下 第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的粒徑0.01 20//m的Y203、粒徑0.01 20〃w的Nd203 與無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為每lOOg的氧化釔Y203中加入0.05 0.2 ￡ 。 第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度60~100°C，干 燥時(shí)間8 15/ ;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至10 20M尸"，升溫速率5 10。C/min，燒結(jié)溫度1400 1800°C， 并在溫度1400 1800。C條件下保溫5 10h ;最后脫模制得氧化憶摻雜氧化釹坩堝。將上述制得的氧化釔摻雜氧化釹坩堝放入真空熔煉設(shè)備中，并將活性金屬塊放入 坩堝內(nèi)，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(fā)明中，使用的氧化釔￥203粉材也可以是多級(jí)粒徑的級(jí)配粉，即第一級(jí)氧 化釔丫203粉材粒徑為0.01 0.5〃《7、第二級(jí)氧化釔丫203粉材粒徑為0.5 2/i附、 第三級(jí)氧化釔丫203粉材粒徑為2 6//附、第四級(jí)氧化釔丫203粉材粒徑為6~20//附。 由于不同粒徑的氧化釔￥203粉材在混合配制過(guò)程中小顆粒進(jìn)入大顆粒的空隙中，從 而可以增加致密度，減少了高溫?zé)Y(jié)的體積變化。 實(shí)施例1 :制一個(gè)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(biāo)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(jié)制備目標(biāo)成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的80%粒徑在4.8/mz的Y203、 80%粒徑5.0///w的Nd203 與無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為0.5Z;第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在恒溫烘干箱烘干制得坯料，烘干溫度6(TC，烘干時(shí)間第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至15M尸a,升鵬率lCrC/min，燒結(jié)溫度160(TC，并在溫度1600°C 條件下保溫;最后脫模制得目標(biāo)成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。采用上述的目標(biāo)成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進(jìn)行真空熔煉Ti合金。將0.5《g的 Ti合金塊材放入坩堝內(nèi)，然后將坩堝與材料一并安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國(guó)普發(fā)拓普公司)內(nèi)；調(diào)節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至2.4X10—2尸fl， 熔煉溫度1600°C，并在160(TC溫度下保溫20min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后 取出；并對(duì)坩堝進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)表面未參與Ti合金的反應(yīng)，經(jīng)對(duì)Ti合金進(jìn)行 XRD測(cè)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(shí)施例2 :制一個(gè)能熔0.5《g鈦Ti合金的多級(jí)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(biāo)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(jié)制備目標(biāo)成分的坩堝步驟如下第一步制漿料按目標(biāo)成分配制選取0.02/^第一級(jí)￥203細(xì)粉、1/iw第二級(jí)Y203細(xì)粉、5// 7 第三級(jí)￥203細(xì)粉、15/^第四級(jí)￥203細(xì)粉，其中，第一級(jí)￥203細(xì)粉占總￥203粉 量的5%，第二級(jí)￥203細(xì)粉占總￥203粉量的20%,第三級(jí)丫203細(xì)粉占總￥203粉 量的30%，第四級(jí)￥203細(xì)粉占總丫203粉量的45%; 80%粒徑5.0pm的Nd203與 無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為0.5丄；第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度8(TC,干燥時(shí)間io; ;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至IOM尸"，升MM率6。C/min,燒結(jié)溫度1700°C,并在溫度1700°C 條件下保溫6 A ;最后脫模制得目標(biāo)成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。采用上述的目標(biāo)成分氧化憶摻雜氧化釹坩堝進(jìn)行真空熔煉Ti合金。將0.5Kg的 Ti合金塊材放入坩堝內(nèi)，然后將坩堝與材料一并安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國(guó)普發(fā)拓普公司)內(nèi)；調(diào)節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至2.4X10—2 熔煉溫度1600。C,并在160(TC溫度下保溫20min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后 取出；并對(duì)坩堝進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)表面未參與Ti合金的反應(yīng)，Ti合金中不含Y2o3 成分。本實(shí)例采用級(jí)配粉進(jìn)行熱壓燒結(jié)制坩堝，燒結(jié)后的坩堝尺寸比實(shí)施例1制得 的坩堝變形量有所減小，即實(shí)施例2制得的坩堝收縮率是實(shí)施例1制得的坩堝收縮 率的50%左右。 實(shí)施例3 :制一個(gè)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(biāo)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(jié)制備目標(biāo)成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的90%粒徑在15//附的丫203、 80%粒徑10pm的Nd2O3與無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為ll; 第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度80°C，干燥 時(shí)間8/ ;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯； 調(diào)節(jié)壓力至15M尸"，升ffl率5°C/min,燒結(jié)溫度1750°C,并在溫度1750°C 條件下保溫5/2;最后脫模制得目標(biāo)成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。采用上述的目標(biāo)成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進(jìn)行真空熔煉鉿Hf合金。將0.5^ 的鉿Hf合金塊材放入坩堝內(nèi)，然后將坩堝與材料一并安裝在真空熱處理爐(261W 真空熱處理爐，德國(guó)普發(fā)拓普公司)內(nèi)；調(diào)節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至1.9X 10_2尸"， 熔煉溫度1700°C，并在170CTC溫度下保溫15min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后 取出；并對(duì)坩堝迸行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)表面未參與鉿Hf合金的反應(yīng)，經(jīng)對(duì)鉿Hf合 金進(jìn)行XRD測(cè)試，其中不含￥203成分。 實(shí)施例4 :制一個(gè)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(biāo)成分為552 g的氧化釔Y203中摻雜有69.3 g的 氧化釹配203 。采用熱壓燒結(jié)制備目標(biāo)成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的80%粒徑在15//m的Y203、 80%粒徑貝€1203與 無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為l丄； 第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度ioo。c,干燥 時(shí)間8/7;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的模腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至19MPa ，升MM率5°C/min,燒結(jié)溫度1750°C,并在溫度1750°C 條件下保溫;最后脫模制得目標(biāo)成分的氧化釔摻雜氧化釹坩堝。采用上述的目標(biāo)成分氧化釔摻雜氧化釹坩堝進(jìn)行真空熔煉Nb合金。將0.5《g的 Nb合金塊材放入坩堝內(nèi)，然后將坩堝與材料一并安裝在真空熱處理爐(261W真空 熱處理爐，德國(guó)普發(fā)拓普公司)內(nèi)；調(diào)節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至ixi(r3/>fl,熔 煉溫度1950°C，并在1950。C溫度下保溫30min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后取 出；并對(duì)坩堝進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)坩堝內(nèi)表面未參與Nb合金的反應(yīng)，經(jīng)對(duì)Nb合金進(jìn)行 XRD測(cè)試，其中不含￥203成分。
權(quán)利要求
1、一種氧化釔摻雜氧化釹坩堝，其特征在于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(jù)權(quán)利要求1所述的氧化釔摻雜氧化釹坩堝，其特征在于氧化釔摻雜氧化釹 坩堝使用溫度為1600 2000°C。
3、 采用熱壓燒結(jié)工藝制備如權(quán)利要求1所述的氧化憶摻雜氧化釹坩堝的方法，其特 征在于有下列步驟第一步制漿料將按目標(biāo)成分配制的粒徑0.01 20//w的Y203、粒徑0.01 20//m的Nd203 與無(wú)水乙醇混合均勻后制得漿料；無(wú)水乙醇的用量為每lOOg的氧化釔Y203中加入0.05 0.2丄。 第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度60 10CTC，干 燥時(shí)間8 15/ ;第三步熱壓燒結(jié)制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設(shè)備的f莫腔中，蓋上壓坯；調(diào)節(jié)壓力至10 20MPa ,升溫速率5 l(TC/min，燒結(jié)溫度1400~1800°C， 并在溫度1400 1800。C條件下保溫5 10A ;最后脫模制得氧化憶摻雜氧化釹坩堝。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的釆用熱壓燒結(jié)工藝制氧化釔摻雜氧化釹坩堝的方法，其特 征在于在第一步驟中使用的氧化釔￥203粉材是多級(jí)粒徑的級(jí)配粉，即第一級(jí)氧 化釔￥203粉材粒徑為0.01 0.5//w、第二級(jí)氧化釔丫203粉材粒徑為0.5 2//m、第三級(jí)氧化釔丫203粉材粒徑為2 6/// 、第四級(jí)氧化釔￥203粉材粒徑為 6 20 /iw 。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化釔摻雜氧化釹坩堝及其采用熱壓燒結(jié)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。在用于熱壓燒結(jié)的氧化釔Y₂O₃粒徑為0.01～20μm，氧化釹Nd₂O₃粒徑為0.01～20μm。本發(fā)明氧化釔摻雜氧化釹坩堝使用溫度為1600～2000℃，且在該溫度環(huán)境下作為真空熔煉的器具，坩堝內(nèi)表面未參與活性金屬或合金的反應(yīng)，從而提高了熔體的純凈度。
文檔編號(hào)C04B35/622GK101239832SQ200810101790
公開日2008年8月13日 申請(qǐng)日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者唐曉霞, 虎 張, 徐惠彬, 明 高, 龔路杰 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)