發(fā)布時(shí)間：2019-03-26 09:19

【摘要】：鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好和生物相容性好等優(yōu)點(diǎn),制約其廣泛應(yīng)用的主要因素是昂貴的價(jià)格。尋找與高活性的鈦熔體相容的耐火材料,是實(shí)現(xiàn)低能耗低成本的鈦合金真空感應(yīng)制備新工藝的技術(shù)關(guān)鍵。近年來(lái),本課題組創(chuàng)新地將BaZrO_3引入到鈦合金的研究領(lǐng)域,通過(guò)自制BaZrO_3坩堝熔煉TiNi,TiFe和TiAl合金,初步探討了坩堝與合金間的界面反應(yīng),但并未深入研究鈦熔體與BaZrO_3的相互作用機(jī)理。本論文以不同鈦含量合金為對(duì)象,考察了熔體中鈦活度對(duì)BaZrO_3耐火材料侵蝕強(qiáng)弱的影響關(guān)系,深入研究了BaZrO_3耐火材料與鈦熔體界面反應(yīng)發(fā)生及元素?cái)U(kuò)散機(jī)制,建立界面結(jié)構(gòu)模型,開展其與鈦合金熔體相容性和界面反應(yīng)的物理化學(xué)基礎(chǔ)理論研究,為鈦合金真空感應(yīng)制備工藝的開發(fā)、推進(jìn)提供理論指導(dǎo)。與此同時(shí),為探索一種基于BaZrO_3的更高熱力學(xué)穩(wěn)定性的耐火材料,通過(guò)使用高穩(wěn)定性氧化物CaO和Y_2O_3對(duì)BaZrO_3耐火材料進(jìn)行摻雜改性,對(duì)比研究了摻雜前后的耐火材料在感應(yīng)熔煉鈦合金中的穩(wěn)定性變化情況。針對(duì)目前具有極高市場(chǎng)應(yīng)用前景的高溫TiAl合金制備,本文提出了一種CaO摻雜BaZrO_3耐火材料,使用該耐火材料熔煉制備的TiAl合金雜質(zhì)含量明顯低于Y_2O_3和CaO耐火材料,是一種非常有潛力的新型耐火材料。此外,針對(duì)目前CaO耐火材料的抗水化性差的問(wèn)題,本文提出使用ZrO_2來(lái)改善其不足,研究了不同含量ZrO_2摻雜劑下CaO耐火材料的抗水化性變化趨勢(shì),并分析了其中的差異性機(jī)理。本文所取得研究結(jié)果如下:1.BaZrO_3耐火材料對(duì)鈦熔體呈現(xiàn)很好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,兩者間并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),BaZrO_3耐火材料在鈦熔體中的溶解作用,是導(dǎo)致耐火材料受損的主要原因,耐火材料在鈦熔體中的溶解量隨著熔體中鈦含量的增加而增加,溶解方程為:TixNi(l)+(x/2)BaZrO_3(s)→TixNi[(x/2)Zr,xO](l)+(x/2)BaO(l) ,同時(shí),BaZrO_3耐火材料與鈦熔體的界面反應(yīng)產(chǎn)物BaO轉(zhuǎn)變BaCO_3過(guò)程中,晶體體積變化破壞晶粒間結(jié)合力,會(huì)導(dǎo)致耐火材料剝落損毀。2.以摩爾比BaO:ZrO_2:YO_1.5=0.48:0.47:0.05制備的Y_2O_3摻雜BaZrO_3坩堝在1750oC保溫6h后,主要由Ba_2YZrO(6-d)和BaZr_(1-x)Y_xO_3組成。摻雜Y_2O_3后,BaZrO_3坩堝晶粒尺寸和密度明顯變小。熔煉TiNi合金,BaZrO_3坩堝并未見(jiàn)明顯侵蝕現(xiàn)象,坩堝與合金相互剝離后有少量耐火材料附著在合金一側(cè),但Y_2O_3摻雜BaZrO_3坩堝未見(jiàn)耐火材料附著在合金側(cè);熔煉Ti_2Ni合金,BaZrO_3坩堝侵蝕層厚度約為270μm,在坩堝與合金剝離過(guò)程中,有150μm左右耐火材料附著在合金一側(cè),但Y_2O_3摻雜BaZrO_3坩堝侵蝕層厚度約為45μm,仍未見(jiàn)明顯耐火材料附著在合金一側(cè)。溶解侵蝕是坩堝與合金界面反應(yīng)的主要原因,摻雜Y_2O_3能有效提高BaZrO_3的熱力學(xué)穩(wěn)定性,減低耐火材料在鈦熔體中的溶解,減少鈦熔體對(duì)耐火材料的侵蝕作用。3.以BaO:ZrO_2:CaO=0.425:0.425:0.15制備的CaO摻雜BaZrO_3坩堝在1750oC保溫6h燒成后,CaO只部分固溶進(jìn)BaZrO_3耐火材料中形成Ba_(1-x)Ca_xZrO_3固溶體,一部分過(guò)量CaO在坩堝內(nèi)部團(tuán)聚阻礙晶粒生長(zhǎng),導(dǎo)致坩堝內(nèi)尺寸較大孔洞生成,另一部分CaO在坩堝表面析出,析出層厚度約70μm,析出層主要由CaO和Ba_(1-x)Ca_xZrO_3組成。BaZrO_3坩堝的相對(duì)密度為97.1%,摻雜CaO后,坩堝相對(duì)密度提高到98.5%,添加CaO有助于BaZrO_3坩堝的燒成。使用CaO摻雜BaZrO_3坩堝熔煉Ti_2Ni合金后,CaO摻雜BaZrO_3坩堝并未明顯受侵蝕現(xiàn)象,對(duì)鈦熔體呈現(xiàn)良好的反應(yīng)惰性。4.以BaO:ZrO_2:CaO=0.465:0.465:0.07制備的CaO摻雜BaZrO_3坩堝在1750℃保溫6h燒成后,在熔煉TiAl合金過(guò)程中,鈦熔體與坩堝內(nèi)壁發(fā)生界面反應(yīng),生成BaAl_2O_4附著在坩堝表面。制備的TiAl合金主要由γ(TiAl)相和α_2(Ti_3Al)相組成,氧含量?jī)H為0.108wt.%,低于同等實(shí)驗(yàn)條件下的Y_2O_3和CaO坩堝制備的TiAl合金中氧含量(0.12wt.%和0.71wt.%),是一種非常有潛力的TiAl合金制備用新型耐火材料。5.ZrO_2摻雜CaO在1750℃燒成后僅有Ca ZrO_3生成,生成物附著在CaO陶瓷片表面和晶界處。通過(guò)摻雜ZrO_2能有效提高氧化鈣陶瓷的致密度,當(dāng)ZrO_2摻雜量為13mol%時(shí),CaO密度比最高,隨后隨著ZrO_2摻雜量的增加,密度比逐漸下降。同時(shí),當(dāng)摻雜量為12mol%時(shí),CaO陶瓷的顯氣孔率最低,約為0.75%。ZrO_2摻雜量為12mol%時(shí),CaO陶瓷抗水化性能最優(yōu),置于空氣56天后的水化率僅為0.6wt.%。生成的CaZrO_3覆蓋在陶瓷片表面和置于晶界處,有效的阻止了CaO陶瓷片與空氣的接觸,這說(shuō)明摻雜ZrO_2能有效的改善CaO的抗水化性能。ZrO_2摻雜的CaO坩堝熔煉TiNi合金后,合金與坩堝間接觸界面清晰,并未見(jiàn)到明顯的Zr元素滲透進(jìn)合金中,摻雜ZrO_2也能有效的阻擋鈦熔體的侵蝕。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TQ175.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2447401