专利名称：一种分体石墨坩埚以及在其埚内制阻碳涂层的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高熔点合金熔炼的加工容器，更具体地说，是指一种具有分 体结构的石墨坩埚，以及采用大气等离子喷涂工艺在分体石墨坩埚的埚内制备有 YP3阻碳涂层的方法。
背景技术：
目前熔炼Ti、 Nb等高活性元素含量较高的高熔点合金通常釆用水冷铜坩埚，该 类型坩埚的特点是铜本身熔点不髙，高温强度较差，使用时需有循环水冷却。但循环 水冷却往往造成熔池中的合金液温度不均匀，过热度低，熔体的成分均匀性差，最终 影响材料的性能。为改变这种现状，国内外投入了大量的人力、物力发展各种类型的 低反应耐高温坩埚，包括石墨坩埚、氧化物坩埚(如MgO、 CaO、 Al20s等)、难熔 金属坩埚(如Mo坩埚，W坩埚等)。
石墨材料由于具有耐高温、抗热震性好、易于加工以及价格低廉等优点，引起业 内人士的广泛关注。伹是碳在高温下具有很高的反应活性，很容易与Nb、 Ti、 Al等 金属反应生成MC从而引起碳污染。因此，选择合适的材料作为石墨坩埚的涂层， ^t^fe!^^染B^鹏離蟒腳吝MiW縫驗^v
针对石墨坩埚所设计的涂层要求具有抗热震、抗冲刷、耐高温等性能之外，还应 当达到一下要求
(1) 涂层不与溶体反应和浸润；
(2) 涂层不与石墨坩埚反应而导致涂层失效或产生有害气体；
(3) 涂层材料之间不发生导致涂层破坏的反应；
(4) 涂层材料的碳迁移率低；
(5) 涂层较致密，孔隙率可以满足组碳要求；
(6) 涂层和石墨坩埚，涂层材料之间具有很强的黏附力。
发明 内 容
本发明的目的是提供一种具有分体结构的，且在上、下埚体的内含有￥203阻碳 涂层的石墨坩埚。该石墨坩埚能够有效地阻止合金溶体在熔炼时的增碳影响，提高了 溶体纯净度和均匀性。
本发明的另一 目的是提出一种采用大气等离子喷涂方法在分体石墨坩埚的埚内 制备￥203阻碳涂层的方法，采用该方法制备的涂层具有与上、下埚体结合强度高， 与熔体的化学稳定性好等特点。
本发明的一种分体石墨坩埚，其上埚体的凸台安装在下埚体的凹腔内，且凸台的 端面与下埚体的凹腔底面紧密接合，上埚体的凸台面与下埚体的凹支撑面紧密接合； 所述上埚体的内腔壁上有50 250//m厚的A内涂层，所述下埚体的凹腔底面有 50 250//m厚的B内涂层。A内涂层和B内涂层的涂层材料为Y203 。
本发明分体石墨坩埚设计成分体结构，有利于在喷涂工艺中避免了因丫203的飘 逸和粘贴在石墨坩埚内侧面，造成￥203涂层和石墨基体结合强度不高。喷涂有￥203 阻碳涂层的坩埚能够提高熔炼物质的纯净度。
釆用等离子喷涂方法具有如下特点
(1) 等离子焰热量高度集中，可以获得很高的温度(喷枪出口处火焰平均温度
可以高达IOOO(TC以上)，足以熔化任何一种难熔材料；
(2) 等离子流速度较高，使得喷涂粒子以较大速度撞击到基体上，形成的涂 层与基体间结合强度较大；
(3) 基体热影响小，可以对已加工成形的工件进行表面喷涂；(4) 易于实现自动化，且成本适中。
等离子喷涂法相对于其它喷涂法更适合于喷涂陶瓷材料，使多种多样的喷涂的材
料形成涂层成为可能，并可促使新的喷涂材料的开发。因此，等离子喷涂法是制备涂 层的非常有吸引力的工艺方法，本发明采用等离子喷涂工艺。
图l是本发明含有￥203阻碳涂层的石墨坩埚的剖视图。
图2A是A喷枪在上埚体中的喷涂方向示意图。
图2B是B喷枪在下埚体中的喷涂方向示意图。
图中 l.上埚体 ll.A内涂层 12.凸台 13.凸台面
14.内腔 2.下埚体 21.B内涂层 22.凹支撑面 23.凹腔
3.A喷枪 4.B喷枪
具体实施例方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种具有分体结构的，且在上、下埚体的内含有￥203 阻碳涂层的分体石墨坩埚，所述分体石墨坩埚的上埚体1的凸台12安装在下埚体 12的凹腔23内，且凸台12的端面与下埚体2的凹腔23底面紧密接合，上埚体1 的凸台面13与下埚体2的凹支撑面22紧密接合；所述上埚体1的内腔14壁上有 50~250//附厚的A内涂层11，所述下埚体2的凹腔23底面有50 250//m厚的 B内涂层21。 A内涂层11和B内涂层21的涂层材料为Y203 。
在本发明中，上埚体1和下埚体2构成坩埚基体。
在坩埚基体的内壁采用大气等离子喷涂方法制备Y203阻碳涂层的步骤有 第一步制氧化钇(Y203)颗粒
(A) 配制第一混合物
第一混合物由氧化钇粉末、阿拉伯胶、柠檬酸铵和去离子水组成，其用量为每 1000g氧化钇粉末中添加阿拉伯胶8 30g、柠檬酸铵5 20g、去离子水500
■ g;
所述氧化钇粉末为纯度99.99%、粒径0.1 10/zm;
(B) 球磨制浆料，
将(A)步骤的第一混合物放入球磨机内研磨3~5/2后，获得浆料；
(C) 喷雾造粒
将(B)步骤的浆料通过软管接入喷雾干燥机的材料通道中，调节材料通道的进 口温度为150 200。C，出口温度120 150。C，获得粒径30 50〃附氧化钇(丫203)
颗粒；
第二步坩埚基体预处理
将机械加工好的上埚体1和下埚体2分别经喷砂处理后，用浓度95%以上的酒 精清洗1 3次，在18 25。C室温条件下自然风干后获得待喷涂坩埚；
喷砂后的坩埚基体内壁具有40 80/iw的表面粗糙度；
对上埚体1的内壁和下埚体2的底部进行喷砂处理是为了使坩埚基体内壁表面 产生近似正弦状微孔，从而有利于￥203颗粒与其表面之间呈喷合状，提高界面的结 合强度。
第三步大气等离子喷涂制￥203阻碳涂层
(A) 将第二步骤的待喷涂坩埚安装在等离子喷涂机的夹具上；
(B) 将第一步骤的氧化钇(Y203)颗粒放入等离子喷涂机的送粉器中；送粉器
与喷枪连接；
所述喷枪选用直头喷枪4和45°喷枪3两种；
(C) 调节等离子喷涂工艺参数 等离子喷涂机输出电压55 60V; 等离子喷涂机输出电流550~600A;
参见图2A、图2B所示，喷涂距离J (喷枪出口与待喷涂坩埚的喷涂面的距离) 80 100函j
A喷枪走速1 5wm/s; B喷枪走速1 5ww";
主气流氩气流量60 Z / min ，氢气流量1 2丄/ min ; 载气流量氢气流量l 5￡/min; 送粉速度25~30g/min。
通过上述工艺制得在上埚体1的内壁和下埚体2的底部具有￥203的阻碳涂层， 即如图1所示的A内涂层11、 B内涂层21。 实施例 一 制有100//附厚的丫203阻碳涂层
参见图1所示的分体石墨坩埚结构，釆用机械加工方法制作一个上埚体1的内 径为100wm，凸台12的厚度10/ww，下埚体12的内径为120m/n的坩埚。将上 埚体l的凸台12安装在下埚体12的凹腔23内，且凸台12的端面与下埚体2的 凹腔23底面紧密接合，上埚体1的凸台面13与下埚体2的凹支撑面22紧密接合。
下面将釆用大气等离子喷涂方法在坩埚内壁制备100//m厚的￥203阻碳涂层， 其制备步骤有
第一步制氧化钇(Y203)颗粒
(A) 配制第一混合物
第一混合物由氧化钇粉末、阿拉伯胶、柠檬酸铵和去离子水组成，其用量为每 1000g氧化钇粉末中添加阿拉伯胶20g、柠檬酸铵10g、去离子水700g;
所述氧化钇粉末为纯度99.99%、粒径5 10;/w;
(B) 球磨制浆料，
将(A)步骤的第一混合物放入球磨机(如无锡市鑫邦机械厂生产的SY3型搅拌 球墨机)内研磨3/z后，获得浆料；
(C) 喷雾造粒
将(B)步骤的浆料通过软管接入喷雾干燥机(如无锡市阳光干燥设备厂，生产 的GZ高速离心喷雾干燥机)的材料通道中，调节材料通道的进口温度为20(TC，出 口温度150。C，获得粒径40 50/zm氧化钇(Y203)颗粒；
第二步坩埚基体预处理
将机械加工好的上埚体1和下埚体2分别经喷砂处理后，用浓度95%以上的酒
精清洗3次，在18。C条件下自然风干后获得待喷涂坩埚；
所述喷砂处理采用北京长空喷砂设备有限公司的SS-2型液体喷砂机，
喷砂后的上埚体1和下埚体2内壁具有80//m的表面粗糙度；
对上埚体1和下埚体2内壁进行喷砂处理是为了使坩埚基体内壁表面产生近似
正弦状微孔，从而有利于￥203颗粒与其表面之间呈啮合状，提高界面的结合强度。 第三步大气等离子喷涂制￥203阻碳涂层
(A) 将第二步骤的待喷涂坩埚安装在等离子喷涂机(例如北京航空工艺研究所 研制的GP-80等离子喷涂送粉器)的夹具上；
(B) 将第一步骤的氧化钇(Y203)颗粒放入等离子喷涂机(例如北京航空工艺 研究所研制的GP-80等离子喷涂送粉器)的送粉器中；送粉器与喷枪连接；
所述喷枪选用直头喷枪4和45°喷枪3;
(C) 调节等离子喷涂工艺参数 等离子喷涂机输出电压55V; 等离子喷涂机输出电流550A; 参见图2A、图2B所示，喷涂距离J (喷枪出口与待喷涂坩埚的喷涂面的距离) lOOm附 ，A喷枪走速5mw/s ; B Bt;Jt^M: 5附m/s ;主气流氩气流量60 Z / min ，氢气流量1 Z / min ; 载气流量氢气流量3丄/min; 送粉速度25g/min。将上述制得的具有100//m厚的￥203阻碳涂层的分体石墨坩埚，用于真空感应 炉内进行熔炼Ti-47A1-2Cr-2Nb合金，经熔炼后的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金采用扫 描电镜进行能谱分析，发现Ti-47Al-2Cr-2Nb合金中无增碳现象。 实施例二 制有250/^厚的￥203阻碳涂层参见图1所示的分体石墨坩埚结构，采用机械加工方法制作一个上埚体1、下埚 体2。下面将采用大气等离子喷涂方法在坩埚内壁制备250//m厚的￥203阻碳涂层，其制备步骤有第一步制氧化钇(Y203)颗粒(A) 配制第一混合物第一混合物由氧化钇粉末、阿拉伯胶、柠檬酸铵和去离子水组成，其用量为每 1000g氧化钇粉末中添加阿拉伯胶30g、柠檬酸铵20g、去离子水900g; 所述氧化钇粉末为纯度99.99%、粒径0.1 10;/m;(B) 球磨制浆料，将(A)步骤的第一混合物放入球磨机(如无锡市鑫邦机械厂生产的SY3型搅拌 球墨机)内研磨5/z后，获得浆料；(C) 喷雾造粒将(B)步骤的浆料通过软管接入喷雾干燥机(如无锡市阳光干燥设备厂，生产 的GZ高速离心喷雾干燥机)的材料通道中，调节材料通道的进口温度为150°C，出 口温度120。C，获得粒径30 50;/m氧化钇(Y203)颗粒； 第二步坩埚基体预处理将上埚体1和下埚体2分别经喷砂处理后，用浓度95。/。以上的酒精清洗3次， 在25"C条件下自然风干后获得待喷涂坩埚；所述喷砂处理采用北京长空喷砂设备有限公司的SS-2型液体喷砂机， 喷砂后的上埚体1和下埚体2内壁具有60/^ 的表面粗糙度； 第三步大气等离子喷涂制丫203阻碳涂层(A) 将第二步骤的待喷涂坩埚安装在等离子喷涂机(例如北京航空工艺研究所 研制的GP-80等离子喷涂送粉器)的夹具上；(B) 将第一步骤的氧化钇(Y203)颗粒放入等离子喷涂机(例如北京航空工艺 研究所研制的GP-80等离子喷涂送粉器)的送粉器中；送粉器与喷枪连接；所述喷枪选用直头喷枪4和45°喷枪3;(C) 调节等离子喷涂工艺参数 等离子喷涂机输出电压60V; 等离子喷涂机输出电流600A;参见图2A、图2B所示，喷涂距离c/ (喷枪出口与待喷涂坩埚的喷涂面的距离) IOO附柳；B喷枪走速l附w";主气流氩气流量60丄/min，氢气流量2Z/min; 载气流量氢气流量5Z/min; 送粉速度30g/min。将上述制得的具有250//m厚的丫203阻碳涂层的分体石墨坩埚，用于真空感应 炉内进行熔炼Ti-47A1-2Cr-2Nb合金，经熔炼后的Ti-47Al-2Cr-2Nb合金采用扫 描电镜进行能谱分析，发现Ti-47Al-2Cr-2Nb合金中无增碳现象。
权利要求
1、一种分体石墨坩埚，其特征在于上埚体(1)的凸台(12)安装在下埚体(12)的凹腔(23)内，且凸台(12)的端面与下埚体(2)的凹腔(23)底面紧密接合，上埚体(1)的凸台面(13)与下埚体(2)的凹支撑面(22)紧密接合；所述上埚体(1)的内腔(14)壁上有50～250μm厚的A内涂层(11)，所述下埚体(2)的凹腔(23)底面有50～250μm厚的B内涂层(21)。
2、 根据权利要求1所述的分体石墨坩埚，其特征在于A内涂层(11)和B 内涂层(21)的涂层材料为￥203 。
3、 采用大气等离子喷涂方法在权利要求1所述的分体石墨坩埚的埚内制备Y203 阻碳涂层的方法，其特征在于有下列步骤第一步制氧化钇(Y203)颗粒(A) 配制第一混合物第一混合物由氧化钇粉末、阿拉伯胶、柠檬酸铵和去离子水组成，其用量为每 1000g氧化钇粉末中添加阿拉伯胶8 30g、柠檬酸铵5 20g、去离子水500 900 g ;所述氧化钇粉末为纯度99.99%、粒径0.1 10/zm;(B) 球磨制浆料，将(A)步骤的第一混合物放入球磨机内研磨3 5/z后，获得浆料；(C) 喷雾造粒将(B)步骤的浆料通过软管接入喷雾干燥机的材料通道中，调节材料通道的进 口温度为150 200。C，出口温度120 150。C,获得粒径30 50/W2氧化钇(Y203)颗粒；第二步坩埚基体预处理将机械加工好的上埚体(1)和下埚体(2)分别经喷砂处理后，用浓度95%以 上的酒精清洗1~3次，在18 25"C条件下自然风干后获得待喷涂坩埚； 喷砂后的坩埚基体内壁具有40 80///w的表面粗糙度； 第三步大气等离子喷涂制￥203阻碳涂层(A) 将第二步骤的待喷涂坩埚安装在等离子喷涂机的夹具上；(B) 将第一步骤的氧化钇(Y203)颗粒放入等离子喷涂机的送粉器中；送粉器 与喷枪连接； 所述喷枪选用直头喷枪4和45°喷枪3两种；(C)调节等离子喷涂工艺参数 等离子喷涂机输出电压55 60V; 等离子喷涂机输出电流550~600A; 喷涂距离d: 80 100mrn; A喷枪走速1 5wm/s; B喷枪走速1~5騰"；主气流氩气流量60丄/ min ，氢气流量1 2丄/ min ; 载气流量氢气流量1 5丄/min; 送粉速度25 30g/min。
全文摘要
本发明公开了一种具有分体结构的，且在上、下埚体的内含有Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>阻碳涂层的分体石墨坩埚，所述分体石墨坩埚的上埚体(1)的凸台(12)安装在下埚体(12)的凹腔(23)内，且凸台(12)的端面与下埚体(2)的凹腔(23)底面紧密接合，上埚体(1)的凸台面(13)与下埚体(2)的凹支撑面(22)紧密接合；所述上埚体(1)的内腔(14)壁上有50～250μm厚的A内涂层(11)，所述下埚体(2)的凹腔(23)底面有50～250μm厚的B内涂层(21)。所述A内涂层(11)、B内涂层(21)是采用大气等离子喷涂方法将Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>制备在分体石墨坩埚的埚内形成具有零阻碳的涂层。该阻碳涂层有效地起到了在熔炼过程中阻止碳与金属熔体之间的化学反应，避免了碳污染。
文档编号F27B14/10GK101162125SQ20071017856
公开日2008年4月16日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者虎 张, 徐惠彬, 田洪超, 龚路杰 申请人:北京航空航天大学