专利名称：一种熔钛用坩埚及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用于熔炼钛及钛合金熔液的坩埚及其制造方法，属钛合金熔炼技 术领域。
背景技术：
由于钛的熔点高，化学性质活泼，在熔炼时，几乎能与所有坩埚用耐火材料如氧 化锆、氧化镁、氧化硅等发生反应，因此，通常不能采用感应炉熔炼。目前，钛及钛 合金的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形成一个薄层"凝壳"，起到保护钛液，使之不被坩 埚材料污染及隔热作用。由于水冷铜坩埚冷却速度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很短，使得浇注后的铸件成分不均匀，对性能影响很 大。同时能耗高，增加了熔钛的熔炼成本。为此氧化钙或氮化硼坩埚曾用来熔炼钛及 钛合金。但由于氧化钙琳埚很难烧结成型，而且在空气下容易水解。如用氧化钙坩埚 熔炼，合金中的氧含量会增加，影响合金性能；氮化硼坩埚制作成本很高，强度低， 存在B、 N元素对合金液的污染，因此，氧化钙或氮化硼坩埚就无法满足高质量合金 的要求。
石墨具有很高的耐熔炼度和强度，抗热震性能优良，是一种很好的耐高温材料， 常用作熔铜等有色金属的熔炼坩埚。但石墨与钛会发生反应，造成污染，严重影响钛 及钛合金的性能，因此不能直接作熔钛的坩埚。
发明内容
为了克服现有技术中高温熔炼钛合金过程中工艺复杂，能耗巨大，污染严重，成 分不均匀的问题，本发明提供一种熔钛用坩埚。
本发明的另一目的是提供一种熔钛用坩埚的制造方法。 本发明的任务是这样实现的
一种熔钛用坩埚，其特征在于该坩埚为石墨坩埚的内表面有一复合涂层，该复 合涂层为内层、过渡梯度涂层和外层三层结构，内层为SiC薄层，过渡层由高温稳定 化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种与难熔金属钨、钼或钽中的一种组成，外层 为高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种。
3一种熔钛用柑埚的制造方法，其特征在于该方法的工艺过程如下将加工好的石
墨坩埚的内表面进行超声波净化处理，再在900 1100'C下进行高温热处理0，5 1 小时；然后石墨坩埚包埋在硅粉末中进行表面高温渗硅处理，形成致密SiC内层；用 热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)将难熔金属钨、钼或钽中的一种与高温稳定化 合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种的混合物喷涂在内层上形成过渡梯度涂层；并 将高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种喷涂在过渡梯度涂层上形成外 层；最后坩埚在氩气保护下在1100 130(TC进行0.5 1小时热处理，形成牢固致密 并具有良好的抗热震性的复合涂层。
上述制造方法中所述的过渡梯度涂层是由高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化 铈中的一种的粉末与难熔金属钨、钼或钽中的一种的粉末以不同质量比混合并用热喷 涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)制备的亚三层，从内向外，以高温稳定化合物与难 熔金属质量比计，第一亚层为l: 3，第二亚层为l: 1，第三亚层为3: 1。
具体实施例方式
熔钛坩埚复合涂层的制备方法包括如下环节-
(1) 石墨基底预处理
(2) 石墨表面渗硅层的制备
(3) 高稳定性化合物与难熔金属组合形成的梯度涂层的制备
(4) 涂层整体化处理
石墨基底预处理，即将加工好的石墨坩埚的内表面进行超声波净化处理，再在 IOO(TC下进行高温热处理1小时，以减少挥发性碳源和附着在表面的石墨粉尘，同时， 在石墨基底表面形成微孔，使SiC内层与石墨之间形成咬合，提高SiC内层与石墨的 界面结合强度，并提高石墨与涂层间的物理相容性。
本发明用硅粉末包埋加热工艺(化学热处理)的方法进行表面高温渗硅处理，制 备SiC内层。此工艺制备SiC层制备温度低(105(TC)，而且均匀致密，对气体碳有良 好阻挡作用，热膨胀系数(4. OX 1(T/cm)间于石墨(1. OX 10—7cm)与难熔金属钨(5. 5 Xl(T7cm)之间。缓解了石墨和钨、钼或钽等金属之间的热膨胀失配，因此具有良好 的物理相容性。
氧化钇、锆酸钙或硫化铈是迄今为止发现的最不容易和钛液起反应的氧化物，热 膨胀系数低，熔点高。钨、钼或钜等金属熔点高，但热膨胀系数间于氧化钇、锆酸钙或硫化铈和石墨之间。用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)将氧化钇、锆酸钙或 硫化铈和鸽、钼或钽等金属粉喷涂在石墨坩埚内表面，组合成复合涂层，既利用了 Y203、 CaZr03或CeS质点对钛液的高稳定性，又利用高熔点金属钨、钼或钽等做为粘 结相，克服YA、 CaZr(X或CeS较硬易碎，充分发挥了复合材料取长补短的优势。
以难熔金属钨和高温稳定化合物氧化钇为例。用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷 涂等)将金属钩粉与氧化钇粉的混合物喷涂在内层上形成过渡梯度涂层；并将氧化钇 粉喷涂在过渡梯度涂层上形成外层。
过渡梯度涂层是由高温稳定化合物氧化钇与难熔金属钨按不同比例混合(1:3、 1:1、 3:1)，用热喷涂法逐层喷涂，形成亚三层的过渡梯度涂层，从内向外，以高温 稳定化合物与难熔金属质量比计，第一亚层为1:3,第二亚层为1:1，第三亚层为3:1。 其高温稳定化合物的含量从外层到内层逐层递减。
涂层整体化处理是在氩气保护下在120(TC进行1小时热处理。复合涂层制备之 后，各层之间还存在明显的界面。需要通过在保护性气氛下的热处理，消除层与层之 间明显的界面。并且使涂层烧结，与基底形成整体。形成高温稳定化合物的含量由外 层处的100%到内层处的0%的浓度梯度连续过渡。
本发明的熔钛复合涂层坩埚具有以下优点
(1) 用本发明的坩埚进行钛及钛合金的真空感应熔炼，熔炼合金成分均匀；
(2) 通过内外复合梯度涂层完成阻碳的功能，可以实现钛合金熔炼的无增碳；
(3) 坩埚涂层具有良好的抗热震性能和烧结强度，熔炼过程不易损坏，可以实 现重复使用；
(4) 大幅度降低熔炼能耗，成本低廉。
权利要求
1、一种熔钛用坩埚，其特征在于该坩埚为石墨坩埚的内表面有一复合涂层，该复合涂层为内层、过渡梯度涂层和外层三层结构，内层为SiC薄层，过渡层由高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种与难熔金属钨、钼或钽中的一种组成，外层为高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种。
2、 一种用于权利要求1所述的熔钛用坩埚的制造方法，其特征在于该方法的工艺过 程如下将加工好的石墨坩埚的内表面进行超声波净化处理，再在900 1100°C下进行高温热处理0. 5 1小时；然后石墨坩埚包埋在硅粉末中进行表面高温渗硅 处理，形成致密SiC内层；用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)将难熔金属 钨、钼或钽中的一种与高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种的混合 物喷涂在内层上形成过渡梯度涂层；并将高温稳定化合物氧化钇、锆酸钙或硫化 铈中的一种喷涂在过渡梯度涂层上形成外层；最后柑埚在氩气保护下在1100 130(TC进行0.5 1小时热处理，形成牢固致密并具有良好的抗热震性的复合涂 层。
3、 如权利要求2所述的制造方法，其特征在于所述的过渡梯度涂层是由高温稳定化 合物氧化钇、锆酸钙或硫化铈中的一种的粉末与难熔金属钨、钼或钽中的一种的 粉末以不同质量比混合并用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)制备的亚三层， 从内向外，以高温稳定化合物与难熔金属质量比计，第一亚层为l: 3，第二亚层 为1: 1，第三亚层为3: 1。
全文摘要
本发明涉及一种用于熔钛坩埚及其制造方法，主要用于钛合金熔炼，也可用于其他特种合金的熔铸。将高稳定性化合物(氧化钇、锆酸钙或硫化铈等)作为熔钛坩埚外层；并用难熔金属(钨、钼或钽)等与上述化合物组合成为过渡梯度涂层，用热喷涂法(激光熔覆、离子体喷涂等)将过渡层与层逐层喷涂在石墨容器的内表面，形成牢固致密并具有良好的抗热震性的复合涂层。用本发明的坩埚进行钛及钛合金的真空感应熔炼，熔炼合金成分均匀，熔炼耗能小，坩埚对钛熔液的污染少。
文档编号F27B14/10GK101493284SQ200910046508
公开日2009年7月29日 申请日期2009年2月24日 优先权日2009年2月24日
发明者浡 孔, 李重河, 毛协民, 王小康 申请人:上海大学