[发明专利]氧化钇‑钨连续梯度材料及其制备方法和在合金熔炼中的应用

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，具体涉及氧化钇-钨连续梯度材料及其制备方法和在合金熔炼中的应用。

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。目前，工业上多选用自耗电极电弧炉配搭强制水冷铜坩埚熔炼高熔点合金，但其熔炼过程中势必造成热场不均匀，使得熔炼合金组织不均匀，且耗能大、效率低。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，广泛应用于熔炼高温合金的坩埚材料。但由于熔融态的合金具有很高的反应活性，很容易在高温下与石墨和CO反应而引起碳污染。为了降低这种污染，现多采用基体与内衬涂层相结合的复合材料体系，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。Condon J.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。