氧化钇‑钨梯度材料及其制备方法和在制造合金熔炼用坩埚中的应用技术

本发明专利技术涉及氧化钇‑钨梯度材料及其制备方法和在制造合金熔炼用坩埚中的应用。所述梯度材料包括氧化钇层和多个过渡层，第m过渡层的氧化钇和钨的体积分数根据CWm＝1‑CYm和计算，其中CYm和CWm分别为第m过渡层中的氧化钇和钨的体积分数；m为1至(n‑1)的自然数；l为所述多个过渡层的总厚度；n为氧化钇层和各过渡层的总层数且n≥3；Hi为第i层的厚度，Hm为第m过渡层的厚度。所述方法包括称取钨粉末和氧化钇粉末；用各粉末铺制相应的层，并成型和烧结。所述梯度材料具有高热导率和密度、低热膨胀系数、优良的耐蚀性和优异的抗热冲击性，可广泛用于高温合金熔炼；所述方法工艺简单、易操作、能耗低、环境友好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料领域，具体地说，本专利技术涉及一种氧化钇-钨梯度材料及其制备方法和在制造合金熔炼用坩埚中的应用。技术背景随着科学的发展，一些具有特殊性能的金属及合金材料被广泛地用在汽车工业，航空航天、电气电子、化工、石油、国防军工等方面。包括镁合金、铝合金、镍合金、铜合金、铀合金等。对于这些合金材料，在使用过程中要求具有很高的纯度以保证性能。因此，合金的熔炼具有重要的国民价值。石墨材料由于具有耐高温、抗热震性能好、易加工以及价格低廉等优点，已成为熔炼金属中重要的和普遍采用的坩埚和模具材料。活泼金属的精炼可以采用石墨坩埚表面涂覆涂层的方法代替贵重金属坩埚和陶瓷坩埚。但研究发现，其存在基体与内衬之间的结合状况不良、高温环境或热冲击条件下内衬的抗热震性能和耐侵蚀性能难以兼顾等缺点。关于石墨坩埚的研究也主要集中在对涂层材料的选择和喷涂工艺的探索。通常使用的的涂层材料除了有高熔点氧化物(Al2O3，MgO，CaO,ZrO2，Y2O3，YSZ(7-8％Y2O3))和氮化物(TiN，ZrN，HfN)外，还有一部分碳化物。此外,还有MgZrO2、CaZrO2等锆酸盐和Al2TiO5等。LosAlamos报道了实验室使用石墨或高温氧化物涂层的金属模具熔炼金属时，使用的氧化物涂层通常为MgO或Al2O3，但其效果不佳。Vasconcelos的研究结果表明，在1700K时TiN与熔融合金之间没有发生任何化学反应。A.Shankar采用磁控溅射法制备具有TiN，ZrN和HfN涂层石墨坩埚，涂层厚度在3.62～3.85μm，并计算了涂层材料与高温合金反应的吉布斯自由能，计算结果表明在低于1500℃的温度范围内，涂层材料能够与合金保持良好的化学稳定性。CondonJ.B等人研究了近50种陶瓷材料(包括金属氧化物，氮化物，碳化物，硼化物，硅化物)的涂层，设计了高温合金熔融反应性实验，大多数金属氧化物在于合金反应中保持了较好的化学稳定性。其中，以Y2O3涂层的抗合金侵蚀性能最佳，热稳定性最好。张显、成来飞等人分别对Y2O3、CaO、BeO、Ce2O3、MgO、ZrO2等涂层或内衬材料与金属在高温下的化学反应进行了热力学计算。结果表明在1200K～1900K温度区间内，Y2O3、CaO、BeO和Ce2O3不会与高温合金发生化学反应，具有良好的热化学稳定性，Y2O3对高温合金的热化学稳定性最好。但是，Y2O3的热膨胀系数较大，高温力学性能较低，因此以纯Y2O3作为高温合金熔炼坩埚材料不能满足使用要求。纯W具有高热导率、低热膨胀系数、优良的耐蚀性、抗热冲击以及抗中子辐照性等性能。但作为熔炼坩埚材料，由于金属间的相互扩散对合金的熔炼和浓缩势必造成一定的影响。日本东芝公司研发了W-Y2O3的复合材料，这种材料具有的高强度和高耐腐蚀性，被用于熔炼稀土金属,与普通的石墨坩埚相比,复合材料坩埚的使用寿命高出10倍；在1000℃以内，抗弯强度达到800MPa，超过纯W的5倍,且熔炼后的稀土金属杂质含量下降到十分之一。但是日本东芝公司研发的W-Y2O3复合材料在传递材料制备和服役过程中产生较高的热应力，从而导致抗热震性能和耐侵蚀性能不足。中国专利申请CN200910046508.4公开了一种熔钛用坩埚，该坩埚为在石墨坩埚的内表面涂覆有一复合涂层，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，所述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1∶3，第二亚层为1∶1，第三亚层为3∶1。但是这种坩埚是以石墨为基底，而且还需要在内层涂覆有SiC薄层，因而存在不能用于对C敏感的金属或者合金的熔炼。另外，该坩埚中的过渡层中的亚三层中高温稳定氧化物和难熔金属的比例只是简单升降，并没有通过对目标材料梯度分布函数进行优化设计来实现目标材料热应力的优化匹配，因此所述内层、过渡梯度涂层和外层之间以及各亚三层之间仍然存在明显层间界面，导致在制备和使用过程中产生的热应力不匹配现象，降低了整个材料构件的热机械性能尤其是降低了构件的抗热震性能。为了提高使用温度及高温合金的提炼纯度，并兼顾到抗热震性能和耐侵蚀性能，本专利技术提出了采用具有层状梯度过渡结构的Y2O3-W梯度材料以满足以上性能的要求。Y2O3-W梯度材料可充分发挥Y2O3陶瓷的高温热化学稳定性和W金属高强度、高导热系数等优点；且具有层状梯度过渡结构的Y2O3-W梯度材料可有效缓解和传递材料制备和服役过程中产生的热应力，从而延长材料的使用寿命。本专利技术所制备的材料可广泛应用于高纯稀土合金熔炼领域，具有良好的抗热震性能和抗侵蚀性能，且制备工艺简单、能耗较低、环境友好，具有广阔的产业化应用前景。
技术实现思路
本专利技术在第一方面提供了一种氧化钇-钨梯度材料，所述梯度材料包括氧化钇层和多个过渡层，所述氧化钇层位于所述多个过渡层中的氧化钇含量最大的层的一侧，从所述多个过渡层中的钨含量最大的层的一侧开始计，所述多个过渡层包括第1、2、……、n-1层，所述氧化钇层为第n层；所述多个过渡层中第m过渡层的氧化钇的体积分数和钨的体积分数根据如下公式计算：CYm=(xml)1.5---(1)]]>CWm＝1-CYm(2)xm=Σi=1mHi-12Hm---(3)]]>其中：CYm为第m过渡层中的氧化钇的体积分数；CWm为第m过渡层中的钨的体积分数；m为1至(n-1)的自然数；l为所述多个过渡层的总厚度；n为氧化钇层和各过渡层的总层数且n≥3；Hi为第i层的厚度，Hm为第m过渡层的厚度。本专利技术在第二方面提供了一种制备本专利技术第一方面所述的梯度材料的方法，所述方法包括如下步骤：(a)根据所述梯度材料的尺寸和层数，称取所需的钨粉末和氧化钇粉末；(b)在模具中使用氧化钇粉末和由氧化钇粉末和钨粉末组成的复合粉末、钨粉末分别铺层氧化钇层、过渡层和钨层，形成复合材料铺层坯体，并在铺层的同时或者之后进行成型和烧结，由此制得所述梯度材料。本专利技术在第三方面还提供了第一方面所述的梯度材料或者第二方面所述方法制得的梯度材料在制造合金熔炼用坩埚中的应用。本专利技术的梯度材料在经过1200℃～1600℃下的循环热震15～25次后，材料没有发生层间剥落及断裂失效等现象；且材料能够抵抗功率为50～80MW/m2的瞬间激光热冲击，在线平均电子密度为1～1.5×1013/cm3的等离子体原位辐照下材料表面无明显的损伤，具有高热导率、高密度、低热膨胀系数、优良的耐蚀性、优异的抗热冲击性的特点。本专利技术在保证制备的梯度材料具有良好耐烧蚀性能同时，提高复合材料抗热震性能和高温力学性能，避免了贵金属及高温合金熔炼过程中的污染，可广泛应用于高纯合金熔炼领域，尤其适于制造多功能熔炼坩埚特别是合金熔炼用坩埚的核心部件。本专利技术方法具有工艺简单、能耗较低、环境友好，具有广阔的产业化应用前景。附图说明图1是本专利技术的梯度材料的一个具体实施方式的示意图，最上层(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氧化钇‑钨梯度材料，其特征在于：所述梯度材料包括氧化钇层和多个过渡层，所述氧化钇层位于所述多个过渡层中的氧化钇含量最大的层的一侧，从所述多个过渡层中的钨含量最大的层的一侧开始计，所述多个过渡层包括第1、2、……、n‑1层，所述氧化钇层为第n层；所述多个过渡层中第m过渡层的氧化钇的体积分数和钨的体积分数根据如下公式计算：CYm=(xml)1.5---(1)]]> CWm＝1‑CYm                             (2)xm=Σi=1mHi-12Hm---(3)]]>其中：CYm为第m过渡层中的氧化钇的体积分数；CWm为第m过渡层中的钨的体积分数；m为1至(n‑1)的自然数；l为所述多个过渡层的总厚度；n为氧化钇层和各过渡层的总层数且n≥3；Hi为第i层的厚度，Hm为第m过渡层的厚度。

【技术特征摘要】
1.一种氧化钇-钨梯度材料，其特征在于：所述梯度材料包括氧化钇层和多个过渡层，所述氧化钇层位于所述多个过渡层中的氧化钇含量最大的层的一侧，从所述多个过渡层中的钨含量最大的层的一侧开始计，所述多个过渡层包括第1、2、……、n-1层，所述氧化钇层为第n层；所述多个过渡层中第m过渡层的氧化钇的体积分数和钨的体积分数根据如下公式计算：CYm=(xml)1.5---(1)]]>CWm＝1-CYm(2)xm=Σi=1mHi-12Hm---(3)]]>其中：CYm为第m过渡层中的氧化钇的体积分数；CWm为第m过渡层中的钨的体积分数；m为1至(n-1)的自然数；l为所述多个过渡层的总厚度；n为氧化钇层和各过渡层的总层数且n≥3；Hi为第i层的厚度，Hm为第m过渡层的厚度。2.根据权利要求1所述的梯度材料，其特征在于：所述梯度材料的n个层中的每一层的厚度各自独立地为1mm至3mm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述钨的纯度独立地为90质量％以上，优选为98质量％以上；和/或所述氧化钇的纯度独立地为90质量％以上，优选为98质量％以上。4.根据权利要求1至3中任一项所述的梯度材料，其特征在于，所述梯度材料在所述富钨侧还包括钨层，所述钨层的厚度独立地为0至3mm。5.一种制备权利要求1至4中任一项所述梯度材料的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(a)根据所述梯度材料的尺寸和层数，称取所需的钨粉末和氧化钇粉末；(b)在模具中使用氧化钇粉末和由氧化钇粉末和钨粉末组成的复合粉末、钨粉末分别铺层氧化钇层、过渡层和钨层，形成复合材料铺层坯体，并在铺层的同时或者之后进行成型和烧结，由此制得所述梯度材料。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：用于形成所述钨层的钨粉末的粒径和用于形成所述过渡层的钨粉末的粒径独立地为0.1μm至10μm；和/或用于形成所述氧化钇层的氧化钇粉末的粒径和用于形成所述过渡层的氧化钇粉末的粒径独立地为0.1μm至8μm。7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王诗阳，王玉金，陈磊，贾德昌，周玉，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23