专利名称：组合式热解氮化硼坩埚内衬的制作方法
技术领域：
本发明属于钛及钛合金熔炼坩埚材料，特别是涉及热解氮化硼坩埚内衬。
背景技术：
由于钛的熔点高和化学性质非常活泼，在其熔炼时液态钛几乎能与所有坩埚用耐火材料如氧化锆、氧化镁、氧化硅和氧化铝均发生反应，因此，导致其熔炼不能采用常规的耐火材料制造的坩埚进行真空感应熔炼。目前工业上钛及钛合金熔炼常采用真空自耗电极电弧凝壳炉熔炼和强制水冷铜坩埚冷却。真空电弧凝壳炉熔炼时先在铜坩埚壁上凝固一薄层“凝壳”，起到保护钛液不被坩埚材料污染和隔热作用，以便在坩埚内形成一个熔池。由于水冷铜坩埚冷却很快和形成凝壳使钛液温度场不均匀，加上钛合金在液态保持时间短，使得浇注后钛合金铸件成分不均匀。成分不均匀对合金的性能影响很大，如钛镍形状记忆合金的相变点对成分很敏感。真空电弧凝壳炉熔炼与真空感应炉熔炼相比能耗大，熔炼钛合金耗电为40～60kw/kg。为解决上述问题，有人提出用氧化钙作钛及钛合金熔炼坩埚。但氧化钙很难烧结成型，而且氧化钙坩埚在空气下易于水解，此外用氧化钙坩埚熔炼的钛合金中氧含量会增高，影响钛合金的性能。在中国专利ZL200410025119.0中发明人公开了一种钛及钛合金熔炼坩埚材料及由该材料制成坩埚的制造方法，采用氮化硼和适量的助熔剂为原料，通过经冷等静压压制成坩埚毛坯，在1800℃下烧结1小时，即可得熔炼坩埚成品，并在实验室规模应用上取得了良好的效果，具有高温下与钛不发生反应，不与合金粘结；能耗低、熔炼浇注后的合金成分均匀，性能稳定的优点。但上述专利公开的技术，由于采用氮化硼加适量的助熔剂经冷等静压制坯后烧结成形的制造整体坩埚的技术方案，无法满足工业化生产的要求，因为工业化的生产所需的熔炼坩埚体积大，采用专利ZL200410025119.0的技术难以生产制造，其原因在于(1)、工业化生产使用坩埚(一般以吨为单位)体积大，氮化硼坩埚整体制造时所需的冷等静压、烧结等设备要求高价格贵，设备要特别制造。(2)、整体制造的氮化硼坩埚价格太贵、一旦损坏无法修复，必须整体更换，经济成本不合算。(3)、整体制造的氮化硼坩埚制造和使用过程中易产生裂纹。
此外，赵凤鸣等在文献《热解氮化硼坩埚在特种熔炼上的应用》和《热解氮化硼坩埚材料生长与性能》2篇论文中公开了一种热解氮化硼坩埚在钛及钛合金熔炼中的初步应用效果以及一种热解氮化硼坩埚的制造方法。热解氮化硼(PBN)坩埚有许多独特的性能，如热解氮化硼坩埚有极好的化学和热的稳定性，3000℃升华，其强度随温度的升高而提高，当温度为2200℃时，强度达最大值；在室温下耐酸、碱、盐和有机试剂便于储存，在高温下耐酸；热解氮化硼坩埚致密度高，无气孔，其密度接近材料的理论密度(2.27g/cm3)，熔融状态的金属很难渗入坩埚壁内，当用小坩埚熔炼钛及钛合金时，甚至在随炉冷却至室温的情况也极易倒出，坩埚内壁光洁，无粘结现象，不留残渣，坩埚容易清洗，可反复使用；与经过冷等静压后烧结成形的氮化硼坩埚相比较，热解氮化硼坩埚在力学，热学和电学等性能方面有明显的各向异性，同时还具有透微波和红外线的良好性能，在沉积方向和垂直于沉积面方向上的热导率相差20倍左右，也就是说坩埚表面为热的良导体，而垂直于坩埚表面方向为隔热体，当用此坩埚熔炼钛时，坩埚内部热场均匀，而热量又很难通过坩埚壁散出，故提高了保温性能，可节省电力近二分之一；另外PBN坩埚的抗热震性能良好，2000℃直接投入水中未见裂纹。
与中国专利ZL200410025119.0公开的技术一样，赵凤鸣等在文献《热解氮化硼坩埚在特种熔炼上的应用》和《热解氮化硼坩埚材料生长与性能》中公开了一种热解氮化硼坩埚为整体制造的氮化硼坩埚，仅适合于实验室和小批量生产，在工业化规模生产中都存在前面论及的整体制造的氮化硼坩埚三大缺点，因而需要对现有的技术进行改进，提出新的技术方案，改进现有技术的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式热解氮化硼坩埚内衬，以满足工业化、大容积、低成本、易维修、寿命长的要求。
组合式热解氮化硼坩埚内衬，所述的坩埚内衬是用热解氮化硼砖堆砌成的能装钛及钛合金液体的杯形结构。
——所述热解氮化硼砖之间能形成凹凸配合的定位结构。
——所述坩埚内衬是用热解氮化硼砖堆砌成的单层砖形成的杯形结构或双层砖形成的杯形结构或两层以上的砖形成的杯形结构。
——所述热解氮化硼砖采用化学气相沉积工艺制造。
——所述热解氮化硼砖是采用化学气相沉积工艺制造的热解氮化硼坯料通过机加工成能相互组装的砖形。
——所述坩埚内衬的外表面包裹有与坩埚内衬形状相匹配的具有绝热、保温、承力功能的壳体。
本发明的优点在于(1)、小尺寸的热解氮化硼砖的制造工艺成熟，高温强度大。与用氮化硼粉末为原料加适量的助熔剂通过冷等静压制坯后烧结成型制造的烧结氮化硼砖相比，性能更加优异。烧结氮化硼砖的致密度比热解氮化硼砖低，而空隙率高；特别是含有低熔点助熔剂，降低了烧结氮化硼砖高温强度、化学稳定性和热稳定性、以及抗热震性能；烧结氮化硼砖在力学、热学和电学等性能方面为各向同行。因而，热解氮化硼砖与烧结氮化硼砖相比有更高的高温强度、更好的抗热震性能、更好的抗冲刷性能，更好的化学和热的稳定性、热解氮化硼砖在力学、热学和电学等性能方面有明显的各向异性，用热解氮化硼砖为内衬堆砌组装的组合式热解氮化硼坩埚内部热场均匀，而热量又很难通过坩埚壁散出，提高了保温性能，可节省电力近二分之一，更适合于钛及钛合金的熔炼。
(2)热解氮化硼砖可以制造成有相互配合的凹凸定位结构，方便堆砌成坩埚的内衬，也在损坏时方便拆下更换，维修成本低。
(3)可堆砌成工业化生产使用的大坩埚(一般以吨为单位)，成本低。
(4)热解氮化硼砖体积小，生产制造和使用过程中不容易产生裂纹，坩埚寿命长。
(5)本发明之坩埚内衬内可形成大的熔池，便于合金元素的扩散，熔炼浇注后的合金成分均匀，合金性能稳定。同时坩埚的热解氮化硼内衬与钛不发生反应，不与合金粘结，无强制水冷铜坩埚熔炼钛及钛合金时出现的“凝壳”现象，成材率高。
(6)大大降低了能耗，钛及钛合金熔炼时的耗电量仅为2～3kw/kg。
图1为本发明之坩埚内衬的结构示意图。
图2为双层砖堆砌成的本发明之坩埚内衬的结构示意图。
图3为三层砖堆砌成的本发明之坩埚内衬的结构示意图。
图4为构成本发明之坩埚内衬的方形热解氮化硼砖的结构示意图。
图5为构成本发明之坩埚内衬的带凹槽的方形热解氮化硼砖的结构示意图。
图6为构成本发明之坩埚内衬的带凸棱的方形热解氮化硼砖的结构示意图。
图7为构成本发明之坩埚内衬的带凸棱及凹槽的方形热解氮化硼砖的结构示意图。
图8为构成本发明之坩埚内衬的弧形热解氮化硼砖的结构示意图。
图9为构成本发明之坩埚内衬的带凹槽的弧形热解氮化硼砖的结构示意图。
图10为构成本发明之坩埚内衬的带凹槽的弧形热解氮化硼砖的结构示意图。
图11为本发明之坩埚内衬的堆砌方法的原理图。
图12为本发明之坩埚内衬安置在坩埚壳体内的结构示意图。
上述图中1为本发明之坩埚的内衬，2为构成本发明之坩埚内衬的热解氮化硼砖，3为壳体，4为凹槽，5为凸棱。
具体实施例方式
热解氮化硼砖的制造采用化学气相沉积工艺制造的热解氮化硼砖的坯料，然后机加工成所需的形状和尺寸，即可得到热解氮化硼砖，具体如下将高纯的原料气体BCl3和NH3，按一定的比例混合通入高温反应室内，反应室的温度高达2000℃，混合气体在反应室内，按下列化学反应方程进行BCl3+NH3＝BN+3HCl在热解氮化硼(PBN)材料的生长过程中，人们总是习惯于把它比喻为落雪，即反应中生长的六角形BN小雪片，不断地堆落在加热的石墨基体(芯模)上，随着时间的延长，堆积层在加厚，即形成了热解氮化硼的壳体，脱模取下即是独立的、纯的热解氮化硼坯料。热解氮化硼有良好的机加工性能，将热解氮化硼坯料加工成图纸要求的形状和尺寸，即得到了本发明所需的热解氮化硼砖。
热解氮化硼材料的化学汽相沉积既简单又复杂。设备简单，原理简单，操作简单；但工艺的影响因素复杂，譬如，原料的进气方式、装炉方式、炉膛的尺寸、几何形状、芯模的摆放位置和方式等等，都要对汽相沉积产生影响，严重时也会造成整炉的报废。但汽相沉积的主要影响参数还是基体的温度、炉内的压力和气体的流量比。一般选用温度1800～1900℃，炉内压力1～2mmHg，气体的流量要视炉体空间的大小、沉积物的要求而定，对于生长坩埚内衬用的热解氮化硼砖，通常选用高温工艺。
热解氮化硼砖可以有不同的几何形状，特别是可以设计成凹凸配合的能相互定位的形状，不仅可以方便堆砌成内衬，而且在热解氮化硼砖损毁后便于更换。参考图4至图11。
组合式热解氮化硼坩埚内衬的制造将做好的热解氮化硼砖，按坩埚图纸设计要求进行堆砌组装，即得到本发明之组合式热解氮化硼坩埚内衬。
采用热解氮化硼砖堆砌内衬时，可以用单层热解氮化硼砖堆砌，也可以采用双层或多层热解氮化硼砖堆砌，可以根据具体要堆砌的坩埚的大小和容量来决定。参考图1至图3组合式热解氮化硼坩埚内衬的应用将组装好的组合式热解氮化硼坩埚内衬安装在与之相匹配的外壳中，壳体可以采用耐火材料(如石墨、氧化钙、氧化锆等)制造，达到绝热、保温、承力的功能。壳体可以减少热量的扩散，节省能源，并有利于保持钛及钛合金熔池的温度，即得到以组合式热解氮化硼为内衬的坩埚，可用于钛及钛合金的熔炼。将这种坩埚安装置于真空感应炉中熔炼钛合金，其平均耗电量为2-3kw/kg。熔炼时坩埚的内衬在高温下与钛不发生反应，不与合金粘结。熔池流动性好，熔炼浇注后的合金成分均匀，性能稳定。
应该注意，本文中公开和说明的结构可以用其它效果相同的结构代替，同时本发明所介绍的实施例并非实现本发明的唯一结构。虽然本发明的优先实施例已在本文中予以介绍和说明，但本领域内的技术人员都清楚知道这些实施例不过是举例说明而已，本领域内的技术人员可以做出无数的变化、改进和代替，而不会脱离本发明，因此，应按照本发明所附的权利要求书的精神和范围来的限定本发明的保护范围。
权利要求
1.组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述的坩埚内衬是用热解氮化硼砖堆砌成的能装钛及钛合金液体的杯形结构。
2.根据权利要求1所述的组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述的热解氮化硼砖之间能形成凹凸配合的定位结构。
3.根据权利要求1所述的组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述坩埚内衬是用热解氮化硼砖堆砌成的单层砖形成的杯形结构或双层砖形成的杯形结构或两层以上的砖形成的杯形结构。
4.根据权利要求1所述的组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述热解氮化硼砖采用化学气相沉积工艺制造。
5.根据权利要求4所述的组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述热解氮化硼砖是采用化学气相沉积工艺制造的热解氮化硼坯料通过机加工成能相互组装的砖形。
6.根据权利要求1所述的组合式热解氮化硼坩埚内衬，其特征在于，所述坩埚内衬的外表面包裹有与坩埚内衬形状相匹配的具有绝热、保温、承力功能的壳体。
全文摘要
组合式热解氮化硼坩埚内衬，本发明属于钛及钛合金熔炼坩埚材料，特别是涉及热解氮化硼坩埚内衬。所述的坩埚内衬是用热解氮化硼砖堆砌成的能装钛及钛合金液体的杯形结构。本发明之坩埚内衬可以安装在具有绝热、保温、承力功能的壳体内，能满足工业化生产的大容积、低成本、易维修、寿命长的要求。制作工艺成熟、设备简单、性能稳定、维修方便。钛及钛合金熔炼时不粘结坩埚内衬，并可在坩埚内衬内形成大的熔池，便于合金元素的扩散，熔炼浇注后的合金成分均匀、性能稳定。
文档编号C04B35/583GK1995884SQ20061003263
公开日2007年7月11日 申请日期2006年1月4日 优先权日2006年1月4日
发明者朱明 , 周星, 刘宏葆, 李重河, 毛协民 申请人:朱明 , 周星