專利名稱：氧化釔摻雜氧化鋯坩堝及其采用熱壓燒結制坩堝的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種金屬熔煉設備，更特別地說，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制坩堝的方法。
技術背景現(xiàn)有真空熔煉高活性金屬使用的坩堝材料主要為氧化f丐CaO、氧化鎂MgO、 氮化硼B(yǎng)N、氟化鋁CaF2等，坩堝的使用溫度一般為1200~1500°C，對于熔煉 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，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，燒結時體積變化較大，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數(shù)不到 25%,大大降低了產(chǎn)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l、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 40Mi^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、重排和致密化。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?？梢灶A成型或把 粉末直接裝于模腔內，工藝簡單。熱壓燒結通常獲得的制品密度較高，可達理論 密度的99%以上，由于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(fā)明 內容本發(fā)明的目的是提供一種能夠適用于真空熔煉髙活性金屬或合金的氧化釔摻雜 氧化鋯坩堝，以及采用熱壓燒結方法制備氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的工藝。氧化鋯坩堝的成分為每10g的氧化釔￥203中摻雜有0.2 1.5g的氧化鋯。本發(fā)明采用熱壓燒結方法制備氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的具體步驟如下 第一步制漿料將按目標成分配制的粒徑0.01 20//w的Y203、粒徑0.01 20的Zr02與 無水乙醇混合均勻后制得漿料；無水乙醇的用量為每100g的氧化釔Y203中加入0.05~0.2 Z 。 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 燥時間8~15/7;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的l莫腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至10 20M尸a，升溫速率5 lCTC/min，燒結溫度1400~ 1800°C， 并在溫度1400 180CTC條件下保溫5~10/2 ;最后脫，莫制得氧化憶摻雜氧化鋯坩堝。本發(fā)明氧化憶摻雜氧化鋯坩堝的優(yōu)點在于(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備；(2)該氧化釔摻雜氧化鋯坩堝中 的成分不與熔體反應，可以提高熔體的純凈度。本發(fā)明釆用熱壓燒結工藝制氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的優(yōu)點在于(1)造形簡單; (2)制得的坩堝內表面光潔度高；(3)燒結過程中工藝參數(shù)可控。


圖1是釆用本發(fā)明氧化釔摻雜氧化鋯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(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的成分為每10g的氧化釔￥203中摻雜有0.2~ 1.5g的氧化鋯。在本發(fā)明中，制備氧化釔摻雜氧化鋯坩堝所需的氧化釔丫203為粒徑0.01 20//m的細粉，氧化鋯ZrO2為粒徑0.01 20;/附的細粉。在本發(fā)明中，采用熱壓燒結方法制備氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的具體步驟如下 第一步制漿料將按目標成分配制的粒徑0.01 20///n的Y203、粒徑0.01 20//m的Zr02與 無水乙醇混合均勻后制得漿料；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 燥時間8 15/z;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至10 20M尸a ,升溫速率5 10。C/min，燒結溫度1400 1800°C， 并在溫度1400 180(TC條件下保溫5~10/ ;最后脫模制得氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。將上述制得的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝放入真空熔煉設備中，并將活性金屬塊放入 坩堝內，在真空(真空度10 lXlO^Pfl)或惰性氣氛(氬氣、氦氣、氖氣)下， 熔煉溫度1600 200(TC下，熔煉髙活性金屬如Ti、 Nb、 Hf等金屬或合金。在本發(fā)明中，使用的氧化釔￥203粉材也可以是多級粒徑的級配粉，即第一級氧 化釔丫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//m 。 由于不同粒徑的氧化釔￥203粉材在混合配制過程中小顆粒進入大顆粒的空隙中，從 而可以增加致密度，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鋯坩堝該氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的目標成分為368 g的氧化釔Y203中摻雜有38 g的氧 化鋯。采用熱壓燒結制備目標成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標成分配制的80%粒徑在4 8 /iw的Y203、 80%粒徑5.0//w的Zr02與 無水乙醇混合均勻后制得槳料；無水乙醇的用量為0.5￡;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60。C,烘干 時間15/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至15M尸fl ,升,率10°C/min,燒結溫度16CXTC，并在溫度1600°C 條件下保溫;最后脫模制得目標成分的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。釆用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化鋯坩堝進行真空熔煉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，德國普發(fā)拓普公司)內；調節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至2.4X1(T2/^， 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；并對坩堝進行檢測，發(fā)現(xiàn)坩堝內表面未參與Ti合金的反應，經(jīng)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Y203的衍射峰。 實施例2 :制一個能熔0.5尺g鈦Ti合金的多級配粉氧化釔摻雜氧化鋯坩堝該氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的目標成分為368 g的氧化釔Y203中摻雜有38 g的氧 化鋯。采用熱壓燒結制備目標成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料按目標成分配制選取0.02//附第一級￥203細粉、1/^第二級丫203細粉、5;/m 第三級丫203細粉、15//m第四級Y203細粉，其中，第一級丫203細粉占總￥203粉 量的5%，第二級￥203細粉占總￥203粉量的20%,第三級￥203細粉占總￥203粉 量的30%,第四級丫203細粉占總丫203粉量的45%; 80%粒徑5.0//w的Zr02與 無水乙醇混合均勻后制得漿料；無水乙醇的用量為0.5Z;第二步烘干制坯料將第一步驟中制得的漿料在干燥箱中烘干制得坯料，干燥溫度8CTC，干燥 時間10/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至lOM尸a ,升MM率6。C/min，燒結溫度1700°C，并在溫度1700°C 條件下保溫6 /;;最后脫模制得目標成分的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。釆用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化鋯坩堝進行真空熔煉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，德國普發(fā)拓普公司)內；調節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至2.4X10—2/>"， 熔煉溫度160(TC，并在160CrC溫度下保溫20min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后 取出；并對坩堝進行檢測，發(fā)現(xiàn)坩堝內表面未參與Ti合金的反應,Ti合金中不含Y203 成分。本實例釆用級配粉進行熱壓燒結制坩堝，燒結后的坩堝尺寸比實施例1制得 的坩堝變形量有所減小，即實施例2制得的坩堝收縮率是實施例1制得的坩堝收縮 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鋯坩堝該氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的目標成分為550 g的氧化釔Y203中摻雜有50 g的氧 化鋯。采用熱壓燒結制備目標成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標成分配制的90%粒徑在15//w的Y203、 80%粒徑10/^2的Zr02與無 水乙醇混合均勻后制得漿料；無水乙醇的用量為iz; 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8CTC，干燥 時間8/z;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯； 調節(jié)壓力至15M尸"，升^t率5。C/min，燒結溫度1750°C，并在溫度1750°C 條件下保溫;最后脫模制得目標成分的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。采用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化鋯坩堝進行真空熔煉鉿Hf合金。將0.5《g 的鉿Hf合金塊材放入坩堝內，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，德國普發(fā)拓普公司)內；調節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至1.9Xl0-s尸"， 熔煉溫度1700°C，并在1700。C溫度下保溫15min后，隨爐冷卻至室溫(25°C)后 取出；并對坩堝進行檢測，發(fā)現(xiàn)坩堝內表面未參與鉿Hf合金的反應，經(jīng)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鋯坩堝該氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的目標成分為552 g的氧化釔￥203中摻雜有57g的氧 化鋯。采用熱壓燒結制備目標成分的坩堝步驟如下 第一步制漿料將按目標成分配制的80%粒徑在15//m的Y203、 80%粒徑10/^的Zr02與無 水乙醇混合均勻后制得槳料；無水乙醇的用量為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10CTC，干燥 時間8/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至19M尸fl ,升,率5°C/min，燒結溫度1750°C,并在溫度175CTC 條件下保溫;最后脫模制得目標成分的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。釆用上述的目標成分氧化釔摻雜氧化鋯坩堝進行真空熔煉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，德國普發(fā)拓普公司)內；調節(jié)熔煉工藝參數(shù)抽真空至1X10—3尸"，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；并對坩堝進行檢測，發(fā)現(xiàn)坩堝內表面未參與Nb合金的反應，經(jīng)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鋯坩堝，其特征在于氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的成分為每10g的氧化釔Y2O3中摻雜有0.2～1.5g的氧化鋯。
2、 根據(jù)權利要求l所述的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝，其特征在于氧化釔摻雜氧化鋯 坩堝使用溫度為1600 2000°C。
3、 釆用熱壓燒結工藝制備如權利要求1所述的氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的方法，其特 征在于有下列步驟第一步制漿料將按目標成分配制的粒徑0.01 20//附的Y203、粒徑0.01 20//w的Zr02與 無水乙醇混合均勻后制得漿料；無水乙醇的用量為每100g的氧化釔Y2O3中加入0.05 0.2i:。 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 燥時間8 15/ ;第三步熱壓燒結制坩堝將第二步制得的坯料放入熱壓設備的模腔中，蓋上壓坯；調節(jié)壓力至10 20MP"，升溫速率5 l(TC/min，燒結溫度1400 1800°C， 并在溫度1400 180(TC條件下保溫5 10/z ;最后脫^莫制得氧化釔摻雜氧化鋯坩堝。
4、 根據(jù)權利要求3所述的釆用熱壓燒結工藝制氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的方法，其特 征在于在第一步驟中使用的氧化釔￥203粉材是多級粒徑的級配粉，即第一級氧 化釔丫203粉材粒徑為0.01 0.5//m、第二級氧化釔￥203粉材粒徑為0.5 2//附、第三級氧化釔￥203粉材粒徑為2 6/^、第四級氧化釔￥203粉材粒徑為 6~20萍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氧化釔摻雜氧化鋯坩堝及其采用熱壓燒結制坩堝的方法，氧化釔摻雜氧化鋯坩堝的成分為每10g的氧化釔Y₂O₃中摻雜有0.2～1.5g的氧化鋯。在用于熱壓燒結的氧化釔Y₂O₃粒徑為0.01～20μm，氧化鋯ZrO₂粒徑為0.01～20μm。本發(fā)明氧化釔摻雜氧化鋯坩堝使用溫度為1600～2000℃，且在該溫度環(huán)境下作為真空熔煉的器具，坩堝內表面未參與活性金屬或合金的反應，從而提高了熔體的純凈度。
文檔編號C04B35/622GK101239834SQ20081010179
公開日2008年8月13日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權日2008年3月12日
發(fā)明者唐曉霞, 虎 張, 徐惠彬, 明 高, 龔路杰 申請人:北京航空航天大學