一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚及其制备方法，该复合坩埚由外层的耐热铸钢层、中间的碳纤维毡层和内层的碳化硅陶瓷层复合而成；耐热铸钢为ZG40Cr24Si2、ZG50Cr28Ni48W5、ZG35Cr24Ni7NRE中的一种，中间层是中间相沥青基碳纤维制备的孔隙率为30～70％的碳纤维毡；碳化硅陶瓷层由质量分数85％～90％的碳化硅，5％

【技术实现步骤摘要】
一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚及其制备方法


[0001]本专利技术属于熔炼坩埚设备领域，具体涉及一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚及其制备方法。

技术介绍

[0002]铝合金作为轻质合金，具有低密度，高强度的优点，在航空、航天、航海等领域有着广泛的应用前景，铝锂合金在铝合金的基础上添加了锂元素，在铝合金中每添加1％的锂，合金密度下降3％，且模量提高6％。相比于铝合金，铝锂合金密度更低、模量更高，适于制造如导弹舱体、高超飞行器结构部件、大潜深水中兵器壳体等零件。
[0003]近年来，航空航天装备对轻量化要求不断提高，航空航天所用铝锂合金部件也逐渐从小型的简单结构向大型复杂器件转变。大型复杂铝锂合金部件通常只能通过砂型铸造工艺成型。而坩埚是砂型铸造熔炼过程中核心设备之一，锂元素化学活性极强，在熔炼过程中易发生反应，造成坩埚开裂，使熔体质量下降。因此，本专利技术开发了一种专用于熔炼铝锂合金所用坩埚，提高铝锂合金熔炼的纯度，提高坩埚使用寿命。
[0004]目前普通铝合金熔炼坩埚大部分采用金属陶瓷坩埚或者石墨坩埚；对于金属陶瓷坩埚，在铝锂合金中溶蚀速度较快，使坩埚中的Fe、Ni和Cr等元素易溶解到铝锂合金熔体中，一方面使合金纯度降低，另一方面这些元素进入合金熔体中产生化合物，降低铝锂合金性能。专利CN201010193417.6(熔炼铝合金用铁坩埚复合涂料)公开了一种熔炼铝合金用铁坩埚复合涂料，其特点在于在坩埚表面涂覆一层复合涂料，通过复合骨料与热膨胀缓冲剂来解决单一涂料与坩埚热膨胀系数差异造成的开裂问题。然而实践表明，复合涂料的均匀性和流动性较差，涂料与坩埚表面的粘附力较差，在熔炼过程中仍不可避免涂料从坩埚表面脱落，涂料脱落造成对合金液的污染。对于石墨坩埚，在结构疏松的部位容易渗出半径小的锂离子，同时，在长时间熔炼和保温状态下，锂和碳容易反应生成碳化锂，这不仅导致铝锂合金的纯度和性能降低，同时坩埚被侵蚀后有“漏铝”的危险，使用寿命也会因此而降低。专利CN 113698211 A(一种用于熔炼铝锂合金坩埚的涂料及其制备和涂覆方法)公开了一种用于熔炼铝锂合金坩埚的涂料及其制备和涂覆方法，其特征在于用磷酸二氢铝粉在石墨坩埚基体上涂覆解决涂料与坩埚表面粘附性差的问题。在实践过程中，该方法能够提高涂料与坩埚的粘附性，但由于热膨胀系数差异，同样在多次使用后发生开裂现象，对石墨坩埚基体造成影响。除了在坩埚表面涂覆涂料之外，通常采用双层复合结构来提高坩埚的使用寿命，专利CN91104352.7(金属陶瓷复合坩埚及其制备方法)公开了一种金属陶瓷复合坩埚，其特征为双层结构，由外层耐热铸铁层与外层金属陶瓷双层结构，提高坩埚的使用寿命。然而在实际实践中，由于耐热铸铁层与金属陶瓷层的热膨胀系数存在较大差异，长期使用内层金属陶瓷层容易开裂，导致寿命缩短；同时，由于内部陶瓷层与金属层直接复合，导致内部陶瓷层不易修复和更换。专利CN113277867 A(一种碳/碳/碳化硅复合材料坩埚的制备方法)公开了一种碳/碳/碳化硅复合材料坩埚的制备方法，其特征在于通过气相沉积的方法在坩埚表面渗碳沉积，再通过渗硅在表面形成致密碳化硅涂层，用以提高坩埚的抗腐
蚀性。在实践过程中，该方法通过气相沉积的方法提高了涂层与坩埚的粘附性，但存在渗碳与渗硅不均匀的现象，在多次使用过程中，发生局部开裂的现象。专利CN 113073381.A(一种具有碳化硅/硅复合陶瓷层的坩埚)公开了一种具有碳化硅与硅复合的陶瓷坩埚，其特征为在炭/炭坩埚的内外表面添加碳化硅/硅的复合陶瓷层，用以来提高炭/炭坩埚的抗腐蚀和抗氧化性能，在实践过程中，可以提高炭/炭坩埚的抗腐蚀性能，但由于在内外层使用同样的碳化硅/硅复合陶瓷，导致二者膨胀系数与中间炭/炭的膨胀系数造成差异，导致在多次使用后内外层碳化硅/硅复合陶瓷层与炭/炭坩埚发生开裂，同时碳化硅陶瓷层的厚度为0.5
‑
2mm,碳化硅陶瓷层厚度较薄，铝锂合金液会表面产生腐蚀，造成性能下降。
[0005]综上所述，本专利技术认为，针对当前铝锂合金熔炼所存在的漏铝、开裂、与合金液反应等问题，必须要开发一种新型的用于铝锂合金熔炼所用的坩埚，这种坩埚不仅要保证坩埚基体本身不能与铝锂合金液发生反应，其次，还要保证在高温熔炼过程中不会因为热膨胀而造成坩埚基体开裂的现象，有效提高坩埚的使用寿命，开发这种坩埚对大型铝锂合金铸件在航空航天等关键领域的进一步发展具有重大的工程应用价值。

技术实现思路

[0006]针对现有技术不足，本专利技术提供了一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚及其制备方法，能够提高铝锂合金熔炼坩埚的使用寿命，提高铝锂合金熔体质量。
[0007]为实现上述所述效果，本专利技术开发了一种全新的铝锂合金熔炼用的坩埚，这与现有坩埚技术方法有着显著的不同，现有提高铝锂合金熔体质量和坩埚使用寿命的方法是在石墨坩埚或金属陶瓷坩埚的表面直接涂覆涂料，涂料与坩埚存在粘附力差、热膨胀系数差异等问题，造成的开裂现象，使得铝锂合金熔炼液与涂料反应造成熔体污染。本方法从提高坩埚使用寿命和化学稳定性入手，提出了一种新型的三层复合结构的熔炼坩埚。
[0008]具体来说是通过以下技术方案实现的：
[0009]本专利技术提供了一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚，包括碳化硅陶瓷内层、碳纤维毡中间层、耐热铸钢外层。本专利技术的复合坩埚采用三层复合结构，由内层的碳化硅陶瓷层、中间的碳纤维毡层和外层的耐热铸钢层复合而成。
[0010]作为本专利技术的一个实施方案，所述碳化硅陶瓷内层的厚度为15
‑
20mm，碳化硅的质量分数达到85％～90％。碳化硅陶瓷作为坩埚内层材料，具有导热性好，不氧化、不老化、耐高温的优点；碳化硅具有较高的升华温度(约2700℃)，随着碳化硅含量的增加，其抗氧化性更好，寿命更长，并且通过热力学测试发现，碳化硅与铝锂合金液体在高温下不发生反应，因此无需涂覆涂料也能保证熔体质量，避免了涂料与坩埚粘附力差造成合金污染的问题。在碳化硅陶瓷层中添加SiO2与莫乃石结合相，进一步提高碳化硅陶瓷的耐热性和稳定性，SiO2在烧结过程中在碳化硅表面形成SiO2薄膜，将碳化硅颗粒结合；莫乃石是一种优质的耐火材料，它具有膨胀均匀、热震稳定性极好、荷重软化点高、高温蠕变值小、硬度大、抗化学腐蚀性好等特点，与碳化硅进行烧结，所生成的碳化硅陶瓷的高温性能更优异。碳化硅陶瓷层过薄会导致坩埚在高温下开裂，厚度过厚会导致内层受热不均匀，因此碳化硅陶瓷层的厚度为15
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20mm。
[0011]作为本专利技术的一个实施方案，所述碳纤维毡中间层的厚度为5～10mm，孔隙率为30～70％。中间层选用碳纤维毡层，碳纤维的热膨胀系数小，具有良好的热导性，耐高温性能
好，耐骤冷、急热性能好，用碳纤维毡层作为中间层，一方面中间层碳纤维与基体具有良好的适配性，能够隔绝内层碳化硅陶瓷与耐热铸铁层之间的热传递，有效缓解了碳化硅陶瓷层与耐热铸钢层之间的热失配。另一方面，以碳纤维作为中间层，能有效避免由于内外层材料在使用过程中由于热膨胀系数的差异造成的开裂。同时，以碳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于铝锂合金熔炼的复合坩埚，其特征在于，所述复合坩埚包括碳化硅陶瓷内层、碳纤维毡中间层、耐热铸钢外层。2.根据权利要求1所述的复合坩埚，其特征在于，所述碳化硅陶瓷内层的厚度为15
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20mm，碳化硅的质量分数达到85％～90％。3.根据权利要求1所述的复合坩埚，其特征在于，所述碳纤维毡中间层的厚度为5～10mm，孔隙率为30～70％。4.根据权利要求1所述的复合坩埚，其特征在于，所述耐热铸钢外层的厚度为15～25mm；耐热铸钢为ZG40Cr24Si2、ZG50Cr28Ni48W5、ZG35Cr24Ni7NRE中的一种。5.一种如权利要求1所述的复合坩埚的制备方法，其特征在于，制备方法包括如下步骤：(1)将碳化硅陶瓷材料与除氧剂、粘接剂混合，压制成型，干燥后烧结，得到碳化硅陶瓷内层；(2)在碳化硅陶瓷内层的外表面涂覆树脂粘结剂，将碳纤维毡层粘接于碳化硅陶瓷内层外表面，干燥后得到包括碳纤维毡中间层与碳化硅陶瓷内层的复合结构；(3)将复合结构放入耐热铸钢外层的内腔中，加热后保温，即得所述复合坩埚。6.根据权利要求5所述的复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张硕，张亮，吴国华，童鑫，刘文才，戚方舟，王焱，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：