專利名稱：用于熔化鈦合金的坩鍋的制作方法
技術領域：
在此描述的實施方案一般涉及適于熔化鈦合金的坩鍋。更具體地，實施方案在此 一般涉及適于熔化高活性鈦合金比如鋁化鈦(titanium aluminide)的耐火坩鍋。
背景技術：
渦輪發(fā)動機設計人員一直在尋求具有如下改進性能的新材料減輕發(fā)動機重量并 獲得更高的發(fā)動機工作溫度。鈦合金，更具體地是以鋁化鈦(TiAl)為基礎的合金，具有低 溫力學性能(如室溫延展性和韌性)和高中等溫度強度和抗蠕變的非常有前途的組合。因 為這些原因，TiAl基合金具有代替現有正在用于制造多種渦輪發(fā)動機部件的鎳基超合金的 潛力。真空感應熔化方法是一種經常用于制作渦輪發(fā)動機部件例如螺旋槳的方法，該方 法一般包括在由非傳導性耐火合金氧化物制成的坩鍋內加熱金屬，直至該坩鍋內的金屬物 料被熔化為液態(tài)。當熔化高活性金屬例如鈦或鈦合金時，典型采用的是利用冷壁坩鍋或者 石墨坩鍋的真空感應熔化。這是因為由陶瓷坩鍋熔化和鑄造會在坩鍋上產生明顯的熱應 力，從而能夠導致坩鍋開裂。這種開裂會降低坩鍋的壽命并導致正鑄造的部件中產生夾雜。進一步的，在熔化例如TiAl的高活性合金時會出現困難，這是因為合金中的元素 在熔化所需的溫度所存在的活性。如前所述，盡管大多數真空感應熔化系統(tǒng)采用耐火合金 氧化物制作感應爐中的坩鍋，但是合金例如TiAl的活性高得能夠侵蝕坩鍋中存在的所述 耐火合金，而且污染鈦合金。例如，典型地避免采用陶瓷坩鍋，這是因為高活性的TiAl合金 會使得坩鍋破裂，并且來自氧化物的氧和耐火合金均污染鈦合金。相似地，如果采用石墨坩 鍋，鋁化鈦會從坩鍋中熔化大量的碳進入鈦合金，由此導致污染。這種污染導致鈦合金的力 學性能的丟失。另外地，盡管采用冷坩鍋熔煉能夠在處理如上所述的高活性合金時提供冶金上的 優(yōu)點，但它還是具有很多技術和經濟上的局限包括低的過熱、因凝殼(skull)導致的產量 損失、高耗能。這些局限會限制商業(yè)適用性。因此，在熔化高活性合金時仍然需要比現有技術具有更低污染合金可能性和更少 技術和經濟局限性的陶瓷坩鍋。

發(fā)明內容
本文的實施方案一般涉及用于熔化鈦合金的坩鍋，其包含表面涂覆物(facecoat) 和背襯(backing)，所述表面涂覆物包括至少一個包含選自氧化鈧、3.氧化釔、氧化鉿、鑭 系氧化物及其組合的氧化物的表面涂覆物層(facecoat layer)，所述背襯包括至少一個背襯層(backing layer)，其中所述坩鍋的背襯與表面涂覆物的厚度比為約6. 5 1到約 20 1。本文的實施方案也一般涉及用于熔化鈦合金的坩鍋，其包含表面涂覆物和背襯，所述表面涂覆物包括至少一個包含選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物及其組合的 氧化物的表面涂覆物層，所述背襯包括至少一個背襯層，其中所述坩鍋的的總體壁厚為約 6. 5mm 到約 40mm。本文的實施方案也一般涉及用于熔化鈦合金的坩鍋，其包含包括至少一個表面涂 覆物層的表面涂覆物、包括至少一個背襯層的背襯、以及施加到每個表面涂覆物層和每個 背襯層上的灰泥層(Stucco layer)，所述表面涂覆物層包含選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、 鑭系氧化物及其組合的氧化物，所述背襯層由背襯漿料制備，所述背襯漿料包括位于膠態(tài) 氧化硅懸浮體中的選自氧化鋁、硅酸鋯、二氧化硅及其組合的耐火材料，其中每個表面涂覆 物層的厚度為大約50微米到大約500微米，和其中所述坩鍋的背襯與表面涂覆物的厚度比 為大約6. 5 1到大約20 1。對于本領域技術人員來說，這些和其它特征、方面和優(yōu)點會在接下來的闡述中變
得明顯。


雖然說明書以具體指明并明確要求對本發(fā)明的保護的權利要求作為總結，但是相 信接下來的說明結合附圖使本文所述的實施方案得以更好的理解，其中相同的附圖標記標 識相同的要素。圖1是根據本文描述的坩鍋的一個實施方案的示意性透視圖；圖2是根據本文描述的成型體(form)的一個實施方案的透視圖；圖3是根據本文描述的坩鍋模具的一個實施方案的示意性橫截面視圖；圖4是圖3所示坩鍋模具的實施方案的橫截面的一部分的示意性放大圖 (schematic close-up view)；圖5是根據本文描述的已經移出了所述成型體并且施加了頂涂覆物(topcoat)的 坩鍋模具的一個實施方案的示意性橫截面視圖；和圖6是根據本文描述的在第二次燒制后的坩鍋橫截面的一個實施方案的按比例 的顯微鏡照片。
具體實施例方式本文描述的實施方案一般涉及適用于熔化鈦合金的耐火坩鍋。特別地，本文描述 的實施方案一般涉及用于熔化鈦合金的坩鍋，所述坩鍋包括表面涂覆物和包括至少一個背 襯層的背襯，所述表面涂覆物包括至少一個表面涂覆物層，所述表面涂覆物層包括選自氧 化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物及其組合的氧化物。盡管本文所述的實施方案一般針對 于熔化TiAl用于制造近凈成型螺旋槳(airfoil)，但是本描述不應限于此。本領域技術人 員將理解本實施方案可以用于熔化任何鈦合金以用于制造任何近凈成型燃氣輪機部件。轉到圖1，本文所述實施方案涉及適用于熔化鈦合金的耐火坩鍋8。坩鍋8可以具 有內部9，并且可以根據以下描述制成。首先，可以制作坩鍋模具。這里用的“模具”指的是未經燒制的部件，當它在合適條件下燒制時形成圖1所示的坩鍋8。為了制作坩鍋模具， 可以先提供圖2所示的成型體10。雖然成型體10可以包括任何能從坩鍋模具中脫離的材 料，但是在一個實施方案中，成型體10可以包括蠟、塑料或者木頭，可以是空心的也可以是 實心的。此外，成型體10可以是制備坩鍋所需內部而需要的任何形狀和任意尺寸，可以包 括手柄12或者其它易于夾持的類似機構。如圖3所示，可以將表面涂覆物16施加到成型體10上，所述表面涂覆物包括至少 一個表面涂覆物層18并任選地包括至少一個灰泥層20。本文所說的“至少一個”意思是可 以是一個或多于一個，特定的層可以在全文中標記為“第一表面涂覆物層”、“第二表面涂覆 物層”等等。因為表面涂覆物層18會在熔化過程中暴露到TiAl，所以表面涂覆物層18應 當對于活性TiAl保持惰性，以免在熔化過程中使得合金變質和污染。因此，在一個實施方 案中，表面涂覆物層18可以包括氧化物。這里通篇使用的“氧化物”指的是選自氧化鈧、氧 化釔、氧化鉿、鑭系氧化物及其組合的組合物。進一步的，鑭系氧化物(也被稱為“稀土”組 合物)可以包括選自氧化鑭、氧化鈰、氧化鐠、氧化釹、氧化钷、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧 化鋱、氧化鏑氧化鈥、氧化鉺、氧化鐿、氧化镥及其組合的氧化物。表面涂覆物層18可以包括由氧化物粉末混入膠態(tài)懸浮體 (colloidalsuspension)中制成的表面涂覆物漿料。在一個實施方案中，氧化物粉末可以 是尺寸小于約70微米的小粒子粉末；在另一個實施方案中，尺寸在大約0. 001微米到大約 50微米；在又一個實施方案中，尺寸在大約1微米到大約50微米。膠體可以是由受控方式 凝膠并對TiAl成惰性的任何膠體，比如例如，膠態(tài)氧 化硅、膠態(tài)氧化釔、膠態(tài)氧化鋁、膠態(tài) 氧化鈣、膠態(tài)氧化鎂、膠態(tài)二氧化鋯、膠態(tài)鑭系氧化物和它們的混合物。盡管前述所列任意 氧化物均可以用作制作表面涂覆物層18的表面涂覆物漿料，但是在一個實施方案中，表面 涂覆物漿料可以包含位于膠態(tài)氧化硅懸浮體中的氧化釔粒子；在另一個實施方案中，表面 涂覆物漿料可以包括在膠態(tài)氧化釔懸浮體中的氧化釔粒子。表面涂覆物漿料的組成可以變 化，但是，一般地，表面涂覆物漿料可以包含占大約40%到大約100%重量的所述氧化物和 大約0%到大約60%重量的所述膠體。一旦表面涂覆物層18的表面涂覆物漿料由常規(guī)實踐準備，那么成型體10可以采 用選自浸漬、噴涂及其組合的方法暴露到所述表面涂覆物漿料。一般而言，一旦施加，表面 涂覆物層18的厚度可以在大約50微米到大約500微米，在一個實施方案中，厚度在大約 150微米到大約300微米；在另外一個實施方案中，厚度為大約200微米。當表面涂覆物層18仍然濕潤的時候，可以任選地如圖3所示用灰泥層20涂敷它。 此處所述的“灰泥”指的是一般具有大于約100微米，在一個實施方案中大約100微米到大 約5000微米的尺寸的粗陶瓷顆粒?；夷?0可以施加到每個表面涂覆物層以幫助構建坩鍋 壁的厚度和提供附加的強度。多種材料可以用作灰泥層20，但是，在一個實施方案中，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鋁或者鋁硅酸鹽，氧化物如本文 所定義。但是，灰泥層20中的耐火材料與氧化物之間的比例是可以變化的，在一個實施方 案中，灰泥層20可以包括大約0%到大約60%重量的耐火材料和大約40%到大約100%重 量的氧化物?；夷鄬?0可以用任何可接受的方式例如涂敷(dusting)的方式施加在表面 涂覆物層18上。一般地，灰泥層20的厚度可以為大約100微米到大約2000微米，在一個 實施方案中，厚度大約150微米到大約300微米；在另外一個實施方案中，厚度為大約200微米。表面涂覆物層18和任選的灰泥層20可以風干，如果需要，附加的表面涂覆物層和 灰泥層也可以按照前述的方式施加以完成表面涂覆物16。在如圖3和4所示的實施方案 中，示出了第一和第二表面涂覆物層18和交替的灰泥層20，但是本領域技術人員理解表面 涂覆物16可以包括任意數目的表面涂覆物層和灰泥層。雖然每個表面涂覆物層18可以包 括不同的氧化物/膠體混合物，但是在一個實施方案中，每個表面涂覆物層18包括相同的 氧化物/膠體混合物。一旦施加了所需數目的表面涂覆物層18和灰泥層20，那么表面涂覆 物16就完成了，可以施加背襯22 了。背襯22可以幫助為完成的坩鍋8提供附加的強度和耐久性。這樣，如圖4所示， 背襯22可以由至少一個背襯層24組成，背襯層24能夠包含背襯漿料，所述背襯漿料包括 在膠態(tài)氧化硅懸浮體中的選自氧化鋁、硅酸鋯、二氧化硅及其組合的耐火材料。特定的層在 全文中可以指定為“第一背襯層”、“第二背襯層”等等。例如，在一個實施方案中，背襯層24 可以包含由在膠態(tài)氧化硅懸浮體中的氧化鋁粒子制成的背襯漿料。背襯漿料的組成是可以 變化的，但是一般地，背襯漿料可以包含大約10%到大約40%重量的耐火材料和大約60% 到大約90%重量的膠體。與表面涂覆物層類似，每個背襯層24可以任選地包括粘附在其 上的灰泥層20，如圖4所示，這里的灰泥層可以與此前用于制備表面涂覆物的灰泥相同或 不同。每個背襯層24(包含灰泥)可以具有大約150微米到大約4000微米的厚度，在一個 實施方案中，厚度為大約150微米到大約1500微米；在另一個實施方案中，厚度為大約700 微米。與表面涂覆物層類似，每個背襯層24可以使用選自浸漬、噴涂及其結合的方法施 加。盡管可以施加任意數目的背襯層24，但是在一個實施方案中，可以有2到40個背襯層。 每個背襯層24可以包括耐火材料和膠體的相同組合物，或者每層可以不同，或者它們可以 包括介于兩者之間的某種組合。在施加了所需數目的背襯層和任選的灰泥層之后，所得的 坩鍋模具26可以進一步處理。應該注意的是，在一些情況下，可能合意的是在施加灰泥層時通過改變顆粒尺寸、 層厚度和/或組成來對灰泥層進行分級。在這里，術語“分級”以及所有它的形式指的是，通 過比如增加灰泥材料的顆粒大小、增加灰泥層的厚度以及/或者利用逐漸更強的耐火材料 /膠體組合物作為灰泥層，來逐步增加后續(xù)施加的灰泥層的強度。這種分級可以允許灰泥 層得到定制，以解決它們所施加到的各種表面涂覆物層和背襯層的熱膨脹和化學性質的不 同。更特定地，給灰泥層分級提供了不同的孔隙率并可以調節(jié)坩鍋的模量，這二者結合時， 可以有助于解決如前所述的熱膨脹的差異。坩鍋模具26接下來可以以常規(guī)措施干燥，并可以去除成型體10。有多種方法可以 用來使成型體10從坩鍋模具26上去除。如前所述，成型體10可以包括蠟，因此可以通過 將坩鍋模具26置于爐子、蒸汽高壓釜、微波爐、或者其它類似設備中并熔化成型體10來去 除，從而在坩鍋模具26中留下敞開的內部9，如圖5所示。使成型體10從坩鍋模具26中熔 化所需的溫度一般能夠是低的，在一個實施方案中，此溫度范圍可以是大約40攝氏度到大 約120攝氏度。任選地，坩鍋模具26的內部9接下來可以用膠態(tài)漿料清洗以形成頂涂覆物 28(topcoat)，如圖5所示。清洗一般能夠包括在燒制該坩鍋之前，以本領域技術人員熟知的任何方法例如噴涂來施加涂料到坩鍋的內部。頂涂覆物28的厚度可以為任何需要的值， 但是，在一個實施方案中，頂涂覆物28具有至多大約500微米的厚度；在另外一個實施方案 中，厚度大約20微米到大約400微米。頂涂覆物28可以包含膠態(tài)漿料，所述膠態(tài)漿料選自 在膠態(tài)氧化釔懸浮體中的氧化釔、在膠態(tài)氧化硅懸浮體中的氧化釔、及其組合。這個頂涂覆 物可以幫助進一步確保坩鍋在熔化過程中保持對鈦合金的惰性。中空的坩鍋模具26接下來可以被燒制到更高的溫度。燒制坩鍋模具26可以幫助 為最終的坩鍋提供附加的強度，這是因為在這個加熱過程中，構成表面涂覆物層、灰泥和背 襯層的材料能互相擴散和燒結在一起。起初，坩鍋模具可以被燒制到從大約800攝氏度到 大約1400攝氏度的溫度，在一個實施方案中，此溫度在大約900攝氏度到大約1100攝氏度 之間；在另外一個實施方案中，此 溫度為大約1000攝氏度。該第一燒制的持續(xù)時間可以是 幫助燒盡任何殘留的成型體材料同時提供坩鍋的陶瓷組分之間的有限程度互相擴散所需 的任何時間長度，在一個實施方案中可以從大約0. 5小時到大約50小時；在另外一個實施 方案中可以從大約1小時到大約30小時；在又一個實施方案中為大約2小時。接下來，該 坩鍋模具可以被燒制到大約1400攝氏度到大約1800攝氏度的溫度。在一個實施方案中， 可以為大約1500攝氏度到大約1800攝氏度；在另外一個實施方案中為大約1600攝氏度 到大約1700攝氏度。該第二燒制的持續(xù)時間可以是基本完成陶瓷組分的互相擴散并引起 表面涂覆物氧化物中存在的膠體反應所需的任何時間長度，在一個實施方案中可以為大約 0. 5小時到大約50小時；在另外一個實施方案中為大約1小時到大約30小時；在又一個實 施方案中為大約2小時。例如，膠態(tài)二氧化硅可以形成硅酸鹽，而膠態(tài)氧化釔可以與表面涂 覆物漿料中存在的氧化釔顆粒燒結。一旦燒制完成，形成的坩鍋可以適用于熔化鈦合金。轉向圖6，“A”是第一表面涂 覆物層，包含氧化釔和硅酸釔，“B”是氧化釔灰泥層，“C”是第二表面涂覆物層，包含氧化釔 和硅酸釔，“D”包含鋁酸釔和硅酸釔，源自第二表面涂覆物層和隨后的灰泥層(分別是C和 E)的相互作用，“E”是氧化鋁灰泥，“F”是包含氧化鋁和硅酸鋁的背襯層，“G”是氧化鋁灰 泥層。盡管坩鍋8的特定特性可以根據所需用途改變或調整，但是在一個實施方案中， 坩鍋8的包含了所有表面涂覆物層、灰泥層和背襯層的總體壁厚可以為至少大約3mm，在另 外一個實施方案中至少大約6mm，而在又一個實施方案中大約6. 5mm到大約40mm。大于大 約40mm的壁厚會導致不合需要的長高加熱時間。相似地，背襯相對于表面涂覆物的厚度比 在一個實施方案中可以為大約6. 5 1到大約20 1。如上所述，大于大約20 1的厚度 比會因為氧化鋁背襯層的厚度而導致不合需要的長高加熱時間。不管特定的構造如何，坩鍋8可以用來熔化具有低填隙原子水平 (lowinterstitial level)和低陶瓷夾雜含量的鈦合金。特別地，TiAl可以按照本領域技 術人員熟知的常規(guī)熔化與鑄造方法在本文描述的坩鍋中熔化。本文所述的坩鍋能夠用于這 樣高活性的合金，是因為用于制作表面涂覆物的材料對于該活性TiAl具有惰性?；蛘哒f， 表面涂覆物可以在熔化過程中暴露在TiAl中，而不會降解和污染該合金。而且，本文所述 坩鍋可以在真空感應熔化周期內的熔化、灌注、鑄造和冷卻階段中的任何階段快速加熱而 不開裂。該改進的坩鍋性能的凈結果是于其中熔化的TiAl保持更高的純度并具有改善的疲勞壽命。這里講的“純度”指的是合金具有低于大約1200ppm重量的氧含量，并包括小于 大約500ppm重量的在該熔化過程中由該坩鍋產生的釔或者硅污染物。因為這改善的純度， 由該TiAl制作的部件比由常規(guī)方法由TiAl制作的那些部件具有更少的裂縫和更少的缺 陷。上述描述采用實施例來公開本發(fā)明，包括最佳模式，也能使本領域的任何技術人 員能夠制作和使用本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍由權利要求書限定，并可以包括對本領域技 術人員而言可以預見的其它實施例。這些其它實施例旨在落在權利要求書的范圍之內，如 果它們具有的結構要素與本權利要求文字表述沒有不同的話，或者如果它們包括的結構要 素與本權利要求的文字表述沒有本質不同的話。部件列表8 坩鍋9 (坩鍋的)內部10成型體12 手柄1416表面涂覆物18表面涂覆物層20灰泥層22 背襯24背襯層26坩鍋模具28頂涂覆物
權利要求
用于熔化鈦合金的坩鍋(8)，包括包括至少一個表面涂覆物層(18)的表面涂覆物(16)，所述至少一個表面涂覆物層(18)包含選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物及其組合的氧化物；以及包括至少一個背襯層(24)的背襯(22)，其中所述坩鍋(8)的背襯(22)與表面涂覆物(16)的厚度比為6.5∶1至20∶1。
2.根據權利要求1所述的坩鍋(8)，其中所述鑭系氧化物包括選自氧化鑭、氧化鈰、氧 化鐠、氧化釹、氧化钷、氧化釤、氧化銪、氧化釓、氧化鋱、氧化鏑、氧化鈥、氧化鉺、氧化鐿、氧 化镥及其組合的氧化物。
3.根據權利要求1或2任一所述的坩鍋(8)，其中所述至少一個表面涂覆物層(18)包 含40%至100%重量的所述氧化物。
4.根據權利要求1、2或3任一所述的坩鍋(8)，其中所述至少一個表面涂覆物層(18) 由表面涂覆物漿料制成，所述表面涂覆物漿料包括位于膠態(tài)懸浮體中的氧化物粉末，其中 所述膠態(tài)懸浮體包括選自膠態(tài)氧化硅、膠態(tài)氧化釔、膠態(tài)氧化鋁、膠態(tài)氧化鈣、膠態(tài)氧化鎂、 膠態(tài)氧化鋯、膠態(tài)鑭系氧化物及其混合物的膠體。
5.根據權利要求1、2、3或4任一權利要求所述的坩鍋(8)，其中所述至少一個背襯層 (24)由背襯漿料制成，所述背襯漿料包含位于膠態(tài)氧化硅懸浮體中的耐火材料，所述耐火 材料選自氧化鋁、硅酸鋯、二氧化硅及其組合。
6.根據權利要求1、2、3、4或5任一權利要求所述的坩鍋(8)，其中所述表面涂覆物 (16)包括至少兩個表面涂覆物層(18)。
7.根據權利要求6所述的坩鍋(8)，其中每個表面涂覆物層(18)包括相同的氧化物。
8.根據權利要求4所述的坩鍋(8)，其中所述表面涂覆物漿料包括位于膠態(tài)懸浮體中 的氧化釔粉末，其中所述膠態(tài)懸浮體包括選自膠態(tài)氧化硅、膠態(tài)氧化釔、膠態(tài)氧化鋁、膠態(tài) 氧化鈣、膠態(tài)氧化鎂、膠態(tài)氧化鋯、膠態(tài)鑭系氧化物及其混合物的膠體。
9.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7或8任一權利要求所述的坩鍋(8)，進一步包括施加 到每個表面涂覆物層(18)上的灰泥層(20)，其中所述灰泥層(20)包括氧化物和耐火材料 的組合。
10.根據權利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9任一權利要求所述的坩鍋(8)，進一步包括頂 涂覆物(28)，所述頂涂覆物(28)包括位于膠態(tài)懸浮體中的氧化釔粉末，其中所述膠態(tài)懸浮 體包括選自膠態(tài)氧化硅、膠態(tài)氧化釔、膠態(tài)氧化鋁、膠態(tài)氧化鈣、膠態(tài)氧化鎂、膠態(tài)氧化鋯、 膠態(tài)鑭系氧化物及其混合物的膠體。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于熔化鈦合金的坩鍋(8)，其具有包含至少一個表面涂覆物層(18)的表面涂覆物(16)和包含至少一個背襯層(24)的背襯(22)，其中所述至少一個表面涂覆物層(18)包含選自氧化鈧、氧化釔、氧化鉿、鑭系氧化物及其組合的氧化物，所述坩鍋(8)的背襯(22)與表面涂覆物(16)之間的厚度比為6.5∶1到20∶1。
文檔編號F27B14/10GK101832710SQ20091013461
公開日2010年9月15日 申請日期2009年3月13日 優(yōu)先權日2009年3月13日
發(fā)明者B·M·艾利斯, B·P·布萊, J·C·烏庫西克, M·F·X·吉格利奧蒂, M·J·韋默, M·拉曼, S·F·魯特科夫斯基, T·J·凱利 申請人:通用電氣公司