用于熔化钛合金的坩锅制造技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

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。
技术介绍
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。
技术实现思路
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。附图说明虽然说明书以具体指明并明确要求对本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：BP布莱，BM艾利斯，MFX吉格利奥蒂，TJ凯利，M拉曼，SF鲁特科夫斯基，MJ韦默，JC乌库西克，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]