[发明专利]MgAl2O4‑SrZrO3复合型壳、应用及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐火材料、应用及其制备方法，特别是涉及一种型壳、应用及其制备方法，应用于高活性合金精密铸造及定向凝固技术领域。

背景技术

对于高活性性合金而言，由于合金熔体高的化学活性会与普通的型壳耐火材料发生反应，反应生成的夹杂物除了不但会对浇注合金的表面质量造成影响外，而且在定向凝固过程中还会破坏柱状晶或单晶的生长，以至于浇注过后得不到我们想要的定向凝固组织。以钛合金中的TiAl合金为例，TiAl金属间化合物具有高比强度、高弹性模量，优良的抗蠕变、抗氧化、耐高温和阻燃性能，密度低不到镍基合金的50％，被认为是850℃～1000℃范围内最值得关注的轻质高温结构材料。然而这种合金在高温下的力学性能有明显的方向性，当加载中与片层取向的夹角为0°时，合金的塑性和强度能达到良好的匹配。例如Ti-46Al-1.5Mo-0.2C(摩尔分数％)的具有定向凝固片层组织的铸锭可以获得在210MPa，750℃下，经200h，蠕变变形仅为0.15％、的优异性能，如果能将普通铸造TiAl合金叶片发展为定向或单晶叶片，将能大大提高压气机的性能水平。但是由于钛合金熔体高的化学活性，会与普通的耐火材料发生不同程度的化学反应，以至在TiAl合金定向凝固过程中得不到理想的定向凝固组织。精密铸造中Al₂O₃及莫来石是最经常用到的一种耐火材料，常常被用于模壳的面层及背层的制作，但由于高活性合金精密铸造及定向凝固过程中对模壳的要求更加苛刻，传统的Al₂O₃面层材料及莫来石背层材料已经无法满足。

目前使用较多的高活性精密铸造用型壳，大致可分为：石墨型壳、钨面层陶瓷型壳、氧化物陶瓷型壳等。其中，石墨型壳所浇注出来的铸件，在表面上有一层渗碳的α脆性层，厚度大约为0.2～0.3mm，它有可能在应力作用下引发裂纹的产生与扩展。例如石墨型壳的热稳定性有一定的限度，当石墨与钛液接触，在达到反应激活能的条件下，有可能发生急剧的放热连锁反应，因此石墨型壳不宜浇注大型复杂钛合金铸件。钨面层陶瓷型壳制备时，钨粉作为涂料中的填料使用，钨粉的性能对型壳的品质有重大的影响，钨粉应具较高的纯度，杂质含量不能超过规定的标准，氧、碳含量的超标，将影响铸件的品质。钨面层熔模型壳必须采用溶剂脱蜡，因而对人体健康有很大的伤害，同时也污染环境。氧化物陶瓷型壳的面层和邻层涂料中主要使用了氧化锆、氧化钇、氧化钙等与钛液反应较小的氧化物，其中以氧化钇作为填料的面层涂料铸造性能较好，但氧化钇价格很贵，且容易增氧。另外氧化物陶瓷型壳无法避免在铸件表面形成α粘污层，α粘污层的厚度从0.02～0.2mm不等。

SrZrO₃是一种化学性质非常稳定的耐火材料，具有稳定的化学性质，其在水、弱酸、强碱中都不发生化学反应，所以含有SrZrO₃的涂料稳定不易胶凝。SrZrO₃的熔点高达2600℃的具有立方钙钛矿结构的难熔化合物，热力学性质稳定，可作为高温固体电解质、高温结构陶瓷和耐火材料，具有良好的抗热震性，且价格便宜。目前，国内外对SrZrO₃作为耐火材料的研究已铺展开来，作为耐火材料已在某些熔炼中用作反应容器的原材料，例如，有报道称已将SrZrO₃制备成坩埚成功的应用于Ti6Al4V以及化学活性稍低的TiNi、TiFe合金的熔炼，但应用于高活性合金熔炼未见相关报道。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种MgAl₂O₄-SrZrO₃复合型壳、应用及其制备方法，采用熔点更高，材料更稳定的SrZrO₃和MgAl₂O₄分别作为模壳的面层及背层材料，应用于高活性合金精密铸造及定向凝固工艺中，本发明的复合模壳浆料性能稳定，涂挂及流动性能好，易于保存，模壳具有较好的稳定性、强度、抗热震性等特点，经过精密铸造和定向凝固后得到的高活性合金表面光洁，污染层较薄，具有重要的产业价值。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：