用于熔化钛合金的坩锅的制作方法

专利名称：用于熔化钛合金的坩锅的制作方法
技术领域：
在此描述的实施方案一般涉及适于熔化钛合金的坩锅。更具体地，实施方案在此 一般涉及适于熔化高活性钛合金比如铝化钛(titanium aluminide)的耐火坩锅。
背景技术：
涡轮发动机设计人员一直在寻求具有如下改进性能的新材料减轻发动机重量并 获得更高的发动机工作温度。钛合金，更具体地是以铝化钛(TiAl)为基础的合金，具有低 温力学性能(如室温延展性和韧性)和高中等温度强度和抗蠕变的非常有前途的组合。因 为这些原因，TiAl基合金具有代替现有正在用于制造多种涡轮发动机部件的镍基超合金的 潜力。真空感应熔化方法是一种经常用于制作涡轮发动机部件例如螺旋桨的方法，该方 法一般包括在由非传导性耐火合金氧化物制成的坩锅内加热金属，直至该坩锅内的金属物 料被熔化为液态。当熔化高活性金属例如钛或钛合金时，典型采用的是利用冷壁坩锅或者 石墨坩锅的真空感应熔化。这是因为由陶瓷坩锅熔化和铸造会在坩锅上产生明显的热应 力，从而能够导致坩锅开裂。这种开裂会降低坩锅的寿命并导致正铸造的部件中产生夹杂。进一步的，在熔化例如TiAl的高活性合金时会出现困难，这是因为合金中的元素 在熔化所需的温度所存在的活性。如前所述，尽管大多数真空感应熔化系统采用耐火合金 氧化物制作感应炉中的坩锅，但是合金例如TiAl的活性高得能够侵蚀坩锅中存在的所述 耐火合金，而且污染钛合金。例如，典型地避免采用陶瓷坩锅，这是因为高活性的TiAl合金 会使得坩锅破裂，并且来自氧化物的氧和耐火合金均污染钛合金。相似地，如果采用石墨坩 锅，铝化钛会从坩锅中熔化大量的碳进入钛合金，由此导致污染。这种污染导致钛合金的力 学性能的丢失。另外地，尽管采用冷坩锅熔炼能够在处理如上所述的高活性合金时提供冶金上的 优点，但它还是具有很多技术和经济上的局限包括低的过热、因凝壳(skull)导致的产量 损失、高耗能。这些局限会限制商业适用性。因此，在熔化高活性合金时仍然需要比现有技术具有更低污染合金可能性和更少 技术和经济局限性的陶瓷坩锅。

发明内容
本文的实施方案一般涉及用于熔化钛合金的坩锅，其包含表面涂覆物(facecoat) 和背衬(backing)，所述表面涂覆物包括至少一个包含选自氧化钪、3.氧化钇、氧化铪、镧 系氧化物及其组合的氧化物的表面涂覆物层(facecoat layer)，所述背衬包括至少一个背衬层(backing layer)，其中所述坩锅的背衬与表面涂覆物的厚度比为约6. 5 1到约 20 1。本文的实施方案也一般涉及用于熔化钛合金的坩锅，其包含表面涂覆物和背衬，所述表面涂覆物包括至少一个包含选自氧化钪、氧化钇、氧化铪、镧系氧化物及其组合的 氧化物的表面涂覆物层，所述背衬包括至少一个背衬层，其中所述坩锅的的总体壁厚为约 6. 5mm 到约 40mm。本文的实施方案也一般涉及用于熔化钛合金的坩锅，其包含包括至少一个表面涂 覆物层的表面涂覆物、包括至少一个背衬层的背衬、以及施加到每个表面涂覆物层和每个 背衬层上的灰泥层(Stucco layer)，所述表面涂覆物层包含选自氧化钪、氧化钇、氧化铪、 镧系氧化物及其组合的氧化物，所述背衬层由背衬浆料制备，所述背衬浆料包括位于胶态 氧化硅悬浮体中的选自氧化铝、硅酸锆、二氧化硅及其组合的耐火材料，其中每个表面涂覆 物层的厚度为大约50微米到大约500微米，和其中所述坩锅的背衬与表面涂覆物的厚度比 为大约6. 5 1到大约20 1。对于本领域技术人员来说，这些和其它特征、方面和优点会在接下来的阐述中变
得明显。


虽然说明书以具体指明并明确要求对本发明的保护的权利要求作为总结，但是相 信接下来的说明结合附图使本文所述的实施方案得以更好的理解，其中相同的附图标记标 识相同的要素。图1是根据本文描述的坩锅的一个实施方案的示意性透视图；图2是根据本文描述的成型体(form)的一个实施方案的透视图；图3是根据本文描述的坩锅模具的一个实施方案的示意性横截面视图；图4是图3所示坩锅模具的实施方案的横截面的一部分的示意性放大图 (schematic close-up view)；图5是根据本文描述的已经移出了所述成型体并且施加了顶涂覆物(topcoat)的 坩锅模具的一个实施方案的示意性横截面视图；和图6是根据本文描述的在第二次烧制后的坩锅横截面的一个实施方案的按比例 的显微镜照片。
具体实施例方式本文描述的实施方案一般涉及适用于熔化钛合金的耐火坩锅。特别地，本文描述 的实施方案一般涉及用于熔化钛合金的坩锅，所述坩锅包括表面涂覆物和包括至少一个背 衬层的背衬，所述表面涂覆物包括至少一个表面涂覆物层，所述表面涂覆物层包括选自氧 化钪、氧化钇、氧化铪、镧系氧化物及其组合的氧化物。尽管本文所述的实施方案一般针对 于熔化TiAl用于制造近净成型螺旋桨(airfoil)，但是本描述不应限于此。本领域技术人 员将理解本实施方案可以用于熔化任何钛合金以用于制造任何近净成型燃气轮机部件。转到图1，本文所述实施方案涉及适用于熔化钛合金的耐火坩锅8。坩锅8可以具 有内部9，并且可以根据以下描述制成。首先，可以制作坩锅模具。这里用的“模具”指的是未经烧制的部件，当它在合适条件下烧制时形成图1所示的坩锅8。为了制作坩锅模具， 可以先提供图2所示的成型体10。虽然成型体10可以包括任何能从坩锅模具中脱离的材 料，但是在一个实施方案中，成型体10可以包括蜡、塑料或者木头，可以是空心的也可以是 实心的。此外，成型体10可以是制备坩锅所需内部而需要的任何形状和任意尺寸，可以包 括手柄12或者其它易于夹持的类似机构。如图3所示，可以将表面涂覆物16施加到成型体10上，所述表面涂覆物包括至少 一个表面涂覆物层18并任选地包括至少一个灰泥层20。本文所说的“至少一个”意思是可 以是一个或多于一个，特定的层可以在全文中标记为“第一表面涂覆物层”、“第二表面涂覆 物层”等等。因为表面涂覆物层18会在熔化过程中暴露到TiAl，所以表面涂覆物层18应 当对于活性TiAl保持惰性，以免在熔化过程中使得合金变质和污染。因此，在一个实施方 案中，表面涂覆物层18可以包括氧化物。这里通篇使用的“氧化物”指的是选自氧化钪、氧 化钇、氧化铪、镧系氧化物及其组合的组合物。进一步的，镧系氧化物(也被称为“稀土”组 合物)可以包括选自氧化镧、氧化铈、氧化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧 化铽、氧化镝氧化钬、氧化铒、氧化镱、氧化镥及其组合的氧化物。表面涂覆物层18可以包括由氧化物粉末混入胶态悬浮体 (colloidalsuspension)中制成的表面涂覆物浆料。在一个实施方案中，氧化物粉末可以 是尺寸小于约70微米的小粒子粉末；在另一个实施方案中，尺寸在大约0. 001微米到大约 50微米；在又一个实施方案中，尺寸在大约1微米到大约50微米。胶体可以是由受控方式 凝胶并对TiAl成惰性的任何胶体，比如例如，胶态氧 化硅、胶态氧化钇、胶态氧化铝、胶态 氧化钙、胶态氧化镁、胶态二氧化锆、胶态镧系氧化物和它们的混合物。尽管前述所列任意 氧化物均可以用作制作表面涂覆物层18的表面涂覆物浆料，但是在一个实施方案中，表面 涂覆物浆料可以包含位于胶态氧化硅悬浮体中的氧化钇粒子；在另一个实施方案中，表面 涂覆物浆料可以包括在胶态氧化钇悬浮体中的氧化钇粒子。表面涂覆物浆料的组成可以变 化，但是，一般地，表面涂覆物浆料可以包含占大约40%到大约100%重量的所述氧化物和 大约0%到大约60%重量的所述胶体。一旦表面涂覆物层18的表面涂覆物浆料由常规实践准备，那么成型体10可以采 用选自浸渍、喷涂及其组合的方法暴露到所述表面涂覆物浆料。一般而言，一旦施加，表面 涂覆物层18的厚度可以在大约50微米到大约500微米，在一个实施方案中，厚度在大约 150微米到大约300微米；在另外一个实施方案中，厚度为大约200微米。当表面涂覆物层18仍然湿润的时候，可以任选地如图3所示用灰泥层20涂敷它。 此处所述的“灰泥”指的是一般具有大于约100微米，在一个实施方案中大约100微米到大 约5000微米的尺寸的粗陶瓷颗粒。灰泥20可以施加到每个表面涂覆物层以帮助构建坩锅 壁的厚度和提供附加的强度。多种材料可以用作灰泥层20，但是，在一个实施方案中，灰泥 可以包括耐火材料和氧化物，耐火材料例如但不限于氧化铝或者铝硅酸盐，氧化物如本文 所定义。但是，灰泥层20中的耐火材料与氧化物之间的比例是可以变化的，在一个实施方 案中，灰泥层20可以包括大约0%到大约60%重量的耐火材料和大约40%到大约100%重 量的氧化物。灰泥层20可以用任何可接受的方式例如涂敷(dusting)的方式施加在表面 涂覆物层18上。一般地，灰泥层20的厚度可以为大约100微米到大约2000微米，在一个 实施方案中，厚度大约150微米到大约300微米；在另外一个实施方案中，厚度为大约200微米。表面涂覆物层18和任选的灰泥层20可以风干，如果需要，附加的表面涂覆物层和 灰泥层也可以按照前述的方式施加以完成表面涂覆物16。在如图3和4所示的实施方案 中，示出了第一和第二表面涂覆物层18和交替的灰泥层20，但是本领域技术人员理解表面 涂覆物16可以包括任意数目的表面涂覆物层和灰泥层。虽然每个表面涂覆物层18可以包 括不同的氧化物/胶体混合物，但是在一个实施方案中，每个表面涂覆物层18包括相同的 氧化物/胶体混合物。一旦施加了所需数目的表面涂覆物层18和灰泥层20，那么表面涂覆 物16就完成了，可以施加背衬22 了。背衬22可以帮助为完成的坩锅8提供附加的强度和耐久性。这样，如图4所示， 背衬22可以由至少一个背衬层24组成，背衬层24能够包含背衬浆料，所述背衬浆料包括 在胶态氧化硅悬浮体中的选自氧化铝、硅酸锆、二氧化硅及其组合的耐火材料。特定的层在 全文中可以指定为“第一背衬层”、“第二背衬层”等等。例如，在一个实施方案中，背衬层24 可以包含由在胶态氧化硅悬浮体中的氧化铝粒子制成的背衬浆料。背衬浆料的组成是可以 变化的，但是一般地，背衬浆料可以包含大约10%到大约40%重量的耐火材料和大约60% 到大约90%重量的胶体。与表面涂覆物层类似，每个背衬层24可以任选地包括粘附在其 上的灰泥层20，如图4所示，这里的灰泥层可以与此前用于制备表面涂覆物的灰泥相同或 不同。每个背衬层24(包含灰泥)可以具有大约150微米到大约4000微米的厚度，在一个 实施方案中，厚度为大约150微米到大约1500微米；在另一个实施方案中，厚度为大约700 微米。与表面涂覆物层类似，每个背衬层24可以使用选自浸渍、喷涂及其结合的方法施 加。尽管可以施加任意数目的背衬层24，但是在一个实施方案中，可以有2到40个背衬层。 每个背衬层24可以包括耐火材料和胶体的相同组合物，或者每层可以不同，或者它们可以 包括介于两者之间的某种组合。在施加了所需数目的背衬层和任选的灰泥层之后，所得的 坩锅模具26可以进一步处理。应该注意的是，在一些情况下，可能合意的是在施加灰泥层时通过改变颗粒尺寸、 层厚度和/或组成来对灰泥层进行分级。在这里，术语“分级”以及所有它的形式指的是，通 过比如增加灰泥材料的颗粒大小、增加灰泥层的厚度以及/或者利用逐渐更强的耐火材料 /胶体组合物作为灰泥层，来逐步增加后续施加的灰泥层的强度。这种分级可以允许灰泥 层得到定制，以解决它们所施加到的各种表面涂覆物层和背衬层的热膨胀和化学性质的不 同。更特定地，给灰泥层分级提供了不同的孔隙率并可以调节坩锅的模量，这二者结合时， 可以有助于解决如前所述的热膨胀的差异。坩锅模具26接下来可以以常规措施干燥，并可以去除成型体10。有多种方法可以 用来使成型体10从坩锅模具26上去除。如前所述，成型体10可以包括蜡，因此可以通过 将坩锅模具26置于炉子、蒸汽高压釜、微波炉、或者其它类似设备中并熔化成型体10来去 除，从而在坩锅模具26中留下敞开的内部9，如图5所示。使成型体10从坩锅模具26中熔 化所需的温度一般能够是低的，在一个实施方案中，此温度范围可以是大约40摄氏度到大 约120摄氏度。任选地，坩锅模具26的内部9接下来可以用胶态浆料清洗以形成顶涂覆物 28(topcoat)，如图5所示。清洗一般能够包括在烧制该坩锅之前，以本领域技术人员熟知的任何方法例如喷涂来施加涂料到坩锅的内部。顶涂覆物28的厚度可以为任何需要的值， 但是，在一个实施方案中，顶涂覆物28具有至多大约500微米的厚度；在另外一个实施方案 中，厚度大约20微米到大约400微米。顶涂覆物28可以包含胶态浆料，所述胶态浆料选自 在胶态氧化钇悬浮体中的氧化钇、在胶态氧化硅悬浮体中的氧化钇、及其组合。这个顶涂覆 物可以帮助进一步确保坩锅在熔化过程中保持对钛合金的惰性。中空的坩锅模具26接下来可以被烧制到更高的温度。烧制坩锅模具26可以帮助 为最终的坩锅提供附加的强度，这是因为在这个加热过程中，构成表面涂覆物层、灰泥和背 衬层的材料能互相扩散和烧结在一起。起初，坩锅模具可以被烧制到从大约800摄氏度到 大约1400摄氏度的温度，在一个实施方案中，此温度在大约900摄氏度到大约1100摄氏度 之间；在另外一个实施方案中，此 温度为大约1000摄氏度。该第一烧制的持续时间可以是 帮助烧尽任何残留的成型体材料同时提供坩锅的陶瓷组分之间的有限程度互相扩散所需 的任何时间长度，在一个实施方案中可以从大约0. 5小时到大约50小时；在另外一个实施 方案中可以从大约1小时到大约30小时；在又一个实施方案中为大约2小时。接下来，该 坩锅模具可以被烧制到大约1400摄氏度到大约1800摄氏度的温度。在一个实施方案中， 可以为大约1500摄氏度到大约1800摄氏度；在另外一个实施方案中为大约1600摄氏度 到大约1700摄氏度。该第二烧制的持续时间可以是基本完成陶瓷组分的互相扩散并引起 表面涂覆物氧化物中存在的胶体反应所需的任何时间长度，在一个实施方案中可以为大约 0. 5小时到大约50小时；在另外一个实施方案中为大约1小时到大约30小时；在又一个实 施方案中为大约2小时。例如，胶态二氧化硅可以形成硅酸盐，而胶态氧化钇可以与表面涂 覆物浆料中存在的氧化钇颗粒烧结。一旦烧制完成，形成的坩锅可以适用于熔化钛合金。转向图6，“A”是第一表面涂 覆物层，包含氧化钇和硅酸钇，“B”是氧化钇灰泥层，“C”是第二表面涂覆物层，包含氧化钇 和硅酸钇，“D”包含铝酸钇和硅酸钇，源自第二表面涂覆物层和随后的灰泥层(分别是C和 E)的相互作用，“E”是氧化铝灰泥，“F”是包含氧化铝和硅酸铝的背衬层，“G”是氧化铝灰 泥层。尽管坩锅8的特定特性可以根据所需用途改变或调整，但是在一个实施方案中， 坩锅8的包含了所有表面涂覆物层、灰泥层和背衬层的总体壁厚可以为至少大约3mm，在另 外一个实施方案中至少大约6mm，而在又一个实施方案中大约6. 5mm到大约40mm。大于大 约40mm的壁厚会导致不合需要的长高加热时间。相似地，背衬相对于表面涂覆物的厚度比 在一个实施方案中可以为大约6. 5 1到大约20 1。如上所述，大于大约20 1的厚度 比会因为氧化铝背衬层的厚度而导致不合需要的长高加热时间。不管特定的构造如何，坩锅8可以用来熔化具有低填隙原子水平 (lowinterstitial level)和低陶瓷夹杂含量的钛合金。特别地，TiAl可以按照本领域技 术人员熟知的常规熔化与铸造方法在本文描述的坩锅中熔化。本文所述的坩锅能够用于这 样高活性的合金，是因为用于制作表面涂覆物的材料对于该活性TiAl具有惰性。或者说， 表面涂覆物可以在熔化过程中暴露在TiAl中，而不会降解和污染该合金。而且，本文所述 坩锅可以在真空感应熔化周期内的熔化、灌注、铸造和冷却阶段中的任何阶段快速加热而 不开裂。该改进的坩锅性能的净结果是于其中熔化的TiAl保持更高的纯度并具有改善的疲劳寿命。这里讲的“纯度”指的是合金具有低于大约1200ppm重量的氧含量，并包括小于 大约500ppm重量的在该熔化过程中由该坩锅产生的钇或者硅污染物。因为这改善的纯度， 由该TiAl制作的部件比由常规方法由TiAl制作的那些部件具有更少的裂缝和更少的缺 陷。上述描述采用实施例来公开本发明，包括最佳模式，也能使本领域的任何技术人 员能够制作和使用本发明。本发明的专利范围由权利要求书限定，并可以包括对本领域技 术人员而言可以预见的其它实施例。这些其它实施例旨在落在权利要求书的范围之内，如 果它们具有的结构要素与本权利要求文字表述没有不同的话，或者如果它们包括的结构要 素与本权利要求的文字表述没有本质不同的话。部件列表8 坩锅9 (坩锅的)内部10成型体12 手柄1416表面涂覆物18表面涂覆物层20灰泥层22 背衬24背衬层26坩锅模具28顶涂覆物
权利要求
用于熔化钛合金的坩锅(8)，包括包括至少一个表面涂覆物层(18)的表面涂覆物(16)，所述至少一个表面涂覆物层(18)包含选自氧化钪、氧化钇、氧化铪、镧系氧化物及其组合的氧化物；以及包括至少一个背衬层(24)的背衬(22)，其中所述坩锅(8)的背衬(22)与表面涂覆物(16)的厚度比为6.5∶1至20∶1。
2.根据权利要求1所述的坩锅(8)，其中所述镧系氧化物包括选自氧化镧、氧化铈、氧 化镨、氧化钕、氧化钷、氧化钐、氧化铕、氧化钆、氧化铽、氧化镝、氧化钬、氧化铒、氧化镱、氧 化镥及其组合的氧化物。
3.根据权利要求1或2任一所述的坩锅(8)，其中所述至少一个表面涂覆物层(18)包 含40%至100%重量的所述氧化物。
4.根据权利要求1、2或3任一所述的坩锅(8)，其中所述至少一个表面涂覆物层(18) 由表面涂覆物浆料制成，所述表面涂覆物浆料包括位于胶态悬浮体中的氧化物粉末，其中 所述胶态悬浮体包括选自胶态氧化硅、胶态氧化钇、胶态氧化铝、胶态氧化钙、胶态氧化镁、 胶态氧化锆、胶态镧系氧化物及其混合物的胶体。
5.根据权利要求1、2、3或4任一权利要求所述的坩锅(8)，其中所述至少一个背衬层 (24)由背衬浆料制成，所述背衬浆料包含位于胶态氧化硅悬浮体中的耐火材料，所述耐火 材料选自氧化铝、硅酸锆、二氧化硅及其组合。
6.根据权利要求1、2、3、4或5任一权利要求所述的坩锅(8)，其中所述表面涂覆物 (16)包括至少两个表面涂覆物层(18)。
7.根据权利要求6所述的坩锅(8)，其中每个表面涂覆物层(18)包括相同的氧化物。
8.根据权利要求4所述的坩锅(8)，其中所述表面涂覆物浆料包括位于胶态悬浮体中 的氧化钇粉末，其中所述胶态悬浮体包括选自胶态氧化硅、胶态氧化钇、胶态氧化铝、胶态 氧化钙、胶态氧化镁、胶态氧化锆、胶态镧系氧化物及其混合物的胶体。
9.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7或8任一权利要求所述的坩锅(8)，进一步包括施加 到每个表面涂覆物层(18)上的灰泥层(20)，其中所述灰泥层(20)包括氧化物和耐火材料 的组合。
10.根据权利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9任一权利要求所述的坩锅(8)，进一步包括顶 涂覆物(28)，所述顶涂覆物(28)包括位于胶态悬浮体中的氧化钇粉末，其中所述胶态悬浮 体包括选自胶态氧化硅、胶态氧化钇、胶态氧化铝、胶态氧化钙、胶态氧化镁、胶态氧化锆、 胶态镧系氧化物及其混合物的胶体。
全文摘要
本发明涉及用于熔化钛合金的坩锅(8)，其具有包含至少一个表面涂覆物层(18)的表面涂覆物(16)和包含至少一个背衬层(24)的背衬(22)，其中所述至少一个表面涂覆物层(18)包含选自氧化钪、氧化钇、氧化铪、镧系氧化物及其组合的氧化物，所述坩锅(8)的背衬(22)与表面涂覆物(16)之间的厚度比为6.5∶1到20∶1。
文档编号F27B14/10GK101832710SQ20091013461
公开日2010年9月15日 申请日期2009年3月13日 优先权日2009年3月13日
发明者B·M·艾利斯, B·P·布莱, J·C·乌库西克, M·F·X·吉格利奥蒂, M·J·韦默, M·拉曼, S·F·鲁特科夫斯基, T·J·凯利 申请人:通用电气公司