TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状

TiAl金属间化合物具有低密度、高弹性模量、高比强度、良好的抗高温蠕变和抗高温氧化性能,被认为是极具潜力的高温结构材料,在航空航天及汽车发动机领域具有广阔的应用前景,特别是经定向凝固得到的TiAl合金在综合力学性能方面可得到良好的配合。然而,TiAl合金熔体由于具有高的化学活性,会与所有已知的耐火材料发生不同程度的化学反应,限制了其定向凝固铸件的生产和应用。首先回顾了TiAl合金的熔炼技术,然后对TiAl合金精密铸造及定向凝固用耐火材料的研究现状进行了总结,在此基础上提出了一种新型的TiAl合金定向凝固用BaZrO3耐火材料,并展望了其今后的发展。

锆合金精密铸造及熔炼用耐火材料的研究现状

锆及锆合金常被应用于核工业以及化学工业中。由于锆及锆合金熔点高,熔体的化学活性极强,会与常用的耐火材料发生反应,导致锆合金精密铸造与熔炼的难度增加,限制了其应用领域。锆与钛同处元素周期表的第IVB族,同属高活性金属,为此,结合钛合金相关方面的研究,简要介绍了锆合金的精密铸造与熔炼技术,论述了锆合金精密铸造与熔炼用耐火材料的研究现状,探讨了BaZrO_3耐火材料用于锆合金熔炼的可行性,并对其在锆合金熔炼方面的应用作了展望。

钒基储氢合金的研究进展

钒基固溶体储氢合金具有高的储氢密度,并且室温下可以吸放氢,具有良好的动力学性能,因此被认为是最有潜力的车载储氢材料之一。介绍了金属钒吸放氢特性,概述了钒基储氢合金的研究进展,就近年来改善钒基储氢合金性能的方法进行了总结,并对钒基储氢合金的稳定性及应用成本等问题进行了探讨。最后,对钒基储氢合金亟待解决的问题及发展方向进行了展望。

BaZrO_3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金的微观组织研究

采用BaZrO_3复合型壳定向凝固Ti-46Al-8Nb合金。通过扫描显微镜、金相显微镜和XRD等手段分析了BaZrO_3耐火材料与金属熔体之间的界面情况、熔体通过螺旋选晶器后的晶粒数目和片层变化、晶臂与枝晶干的夹角以及凝固后Ti-46Al-8Nb合金的组织形貌。结果表明,BaZrO_3复合型壳与Ti-46Al-8Nb合金之间存在约为10μm的扩散层;在抽拉速度7.7 mm/min、温度1 550℃条件下,Ti-46Al-8Nb合金的初生相为α相以及β相,经过定向凝固后的微观组织为γ+α_2片层、γ相以及B2相;在定向凝固过程中,螺旋选晶可以明显使晶粒数目减少,但是对片层间距的大小无影响。

钛废料脱氧工艺研究现状及进展

钛合金性能优异,被广泛应用于航空航天、化工、海洋工程等领域。随着钛制品的广泛应用,低纯度、多成分的废钛料大幅度增加,并且氧易溶解在钛合金中,增加了钛废料回收的难度,如何减少和回收金属钛废料成为钛工业发展中一项急需解决的重要课题。钛及钛合金与氧有很强的亲和性,通常钛废料在加工和使用过程中氧含量很高,氧与钛形成固溶体会降低钛合金的延展性和抗疲劳性,因此氧含量较高的废料不能再用作生产钛锭的原料,降低氧含量是钛废料回收利用的首要任务。近年来研究最为广泛的钛合金脱氧方法有熔盐电化学脱氧工艺、氢化-脱氢法(HDH法)、钛及钛合金熔炼脱氧工艺(添加脱氧剂和熔渣)等。熔盐电化学脱氧工艺中,改进的钙-卤化物熔盐脱氧法(OS法)和剑桥法(FFC法)均以钛的固体氧化物为阴极,在实验室研究中取得很好的脱氧效果,为二氧化钛直接制备金属钛提供新的研究方向,但是该工艺工业化进程中存在着氧在固体电极中扩散速度慢等问题。固体透氧膜法(SOM)绿色环保,解决了FFC法电流效率低、副反应难以控制等问题,但透氧膜的稳定性等问题阻碍了其工业化进展。而USTB工艺能将钛的成本降低到接近铝的成本,但工业化进程仍然存在一些有待解决的问题,如大型阳极加工困难、电解过程中阴极沉积不稳定等。HDH法用于废钛材脱氧是近几年各国学者研究的热点,但其目前仍存在脱氢工艺中难以彻底去除氢、钛产品中氧含量过高等有待解决的问题。金属热还原结合钛合金熔炼工艺是回收废钛材、降低氧含量的一条有效途径,而研究合适的脱氧剂及脱氧熔渣是实现废钛材回收的关键。本文综述了钛废料回收脱氧工艺的原理及研究发展现状,包括OS法、FFC法、SOM法及HDH法。重点介绍废钛料利用金属热还原法结合熔炼工艺进行脱氧的研究进展,包括熔渣、脱氧剂的选择等,并对熔炼脱氧工艺的研究进行了展望。

钛合金熔炼用AZrO_3(A=Ba,Sr,Ca)坩埚的制备及其使用性能研究

综述了3种新型复合氧化物(CaZrO3、SrZrO3和BaZrO3)坩埚的制备工艺,分析了3种坩埚熔炼TiNi合金后的效果和界面反应情况。合金熔体与耐火材料间无元素扩散,3种耐火材料均对合金熔体具有良好的反应惰性。此外,通过对比3种耐火材料坩埚与熔体间的界面反应层厚度,发现BaZrO3对TiNi合金熔体具有最高的化学稳定性。进一步使用BaZrO3制备成工业用25kg级坩埚并熔炼TiNi、TiFe、TiAl铸锭,发现铸锭杂质含量较低,说明BaZrO3是一种极具潜力的钛合金熔炼用新型耐火材料。

BaZrO_3耐火材料与TiAl合金熔体的界面反应

以自合成的BaZrO3粉体为材料制备成坩埚,在真空条件下熔炼了TiAl合金,并对熔炼后合金的显微组织及合金与BaZrO3耐火材料的界面反应情况进行研究。结果表明:熔炼后合金的显微组织由大量不同取向的片层状α2+γ和少量条块状的γ相组成;合金熔体对BaZrO3耐火材料的润湿性较差,熔炼后未观察到界面反应层的存在;BaZrO3对合金熔体具有良好的化学惰性,是极具潜力的TiAl合金熔炼用耐火材料。

BaZrO_3耐火材料在富钛熔体中的侵蚀机理

使用BaZrO_3坩锅结合真空感应加热技术熔炼钛含量66%(摩尔分数)的富钛合金,通过宏观显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜及电子耦合仪分析BaZrO_3坩锅与熔体接触后的显微组织及其组成元素(Ba,Zr和O)在合金中的熔解量;研究BaZrO_3坩锅剥落损毁及与钛熔体界面反应机理。结果显示:BaZrO_3坩锅受熔体侵蚀层厚度约2000μm,合金中锆和氧含量随着熔体与坩埚接触时间增加而增加。界面反应产物BaO与空气中水分和CO_2反应生成BaCO_3,晶体体积变化破坏晶粒间结合力,导致坩埚剥落损毁。富钛熔体对BaZrO_3耐火材料的溶解侵蚀是坩埚受损的主要原因。

TiFe基储氢合金的BaZrO_3坩埚熔炼制备及其储氢性能

利用自制25kg级BaZrO3坩埚,通过ZG-0.05型真空感应熔炼制备TiFe基储氢合金。熔炼条件为：0.6 MPa氩气保护气氛,精炼时间5~10min,精炼温度1 450℃左右。采用ICP原子发射光谱分析仪分析所熔合金的化学成分,利用金相显微镜、扫描电子显微镜、XRD衍射仪研究了合金的金相组织、表面形貌、微区元素分布、物相结构,用气体反应控制器测定了合金的PCT曲线。研究表明：由BaZrO3坩埚熔炼的TiFe基储氢合金氧质量分数与石墨坩埚熔炼的合金氧质量分数均小于0.1%,而石墨坩埚熔炼的合金碳质量分数为0.417%。BaZrO3坩埚熔炼后的合金完全由等轴晶构成,而石墨坩埚熔炼后的合金则由等轴晶组织和在晶粒内或沿晶界分布的球形TiC颗粒组成。BaZrO3坩埚所熔炼的合金不仅最大吸氢量比石墨坩埚熔炼的合金的最大吸氢量大,而且吸放氢平台压力也低。

Al_2O_3/BaZrO_3双陶瓷界面微观组织演化及机理

以Al_2O_3为背层(硅溶胶为粘结剂),电熔BaZrO_3作为面层材料(钇溶胶为粘结剂),1550℃烧结后制成50 mm×25 mm×5 mm的Al_2O_3/BaZrO_3双陶瓷试样。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和EDS等手段观察了BaZrO_3层和Al_2O_3/BaZrO_3界面的显微结构,研究了BaZrO_3与Al_2O_3的界面反应。结果表明,面层由BaZrO_3基体和分布其上的大小10μm左右的Y稳定的ZrO_2晶粒组成;Al_2O_3/BaZrO_3界面发生反应形成厚约300μm的过渡层,界面反应生成物有BaO Al_2O_3、ZrO_2和Ba O Al_2O_32SiO_2。界面从单纯的BaZrO_3/Al_2O_3双陶瓷结构演变为BaZrO_3、ZrO_2、BaOAl_2O_3、BaOAl_2O_32SiO_2和Al_2O_3等多种物相组成的复杂结构。反应过程中Al元素基本不迁移扩散,BaZrO_3中Ba元素向Al_2O_3所在的位置扩散形成Ba O Al_2O_3,残留物形成一层条状ZrO_2,而BaOAl_2O_32SiO_2围绕着EC95(Al_2O_3+5%SiO_2)粉体颗粒周围生成。

BaZrO3耐火材料与锆合金熔体的界面反应机理探究

使用BaZrO_3坩埚真空感应熔炼了Zr-4合金,采用SEM、EDS、XRD等方法分析了坩埚与合金熔体间的界面反应并对反应机理进行探究。结果表明,熔炼后BaZrO_3坩埚结构依旧完整,合金熔体与BaZrO_3耐火材料间发生一定程度的润湿,但坩埚与合金间未观察到明显的界面反应层,仅存在约20μm的渗透层。

掺杂CaO对BaZrO3耐火材料组织及其与富钛合金界面反应的影响

以BaCO3、ZrO2和CaO粉末为原料,在1 400℃下固相合成CaO掺杂BaZrO3粉末,再采用冷等静压结合固相烧结(1 750℃×6h)技术制备CaO掺杂BaZrO3陶瓷片。利用真空感应熔炼技术,在陶瓷片上熔化富钛合金Ti3Ni。研究了不同CaO掺杂量对BaZrO3陶瓷片的组织结构及其与富钛合金Ti3Ni界面反应的影响。结果表明:部分CaO固溶进BaZrO3晶格形成Ba1-xCaxZrO3,剩余CaO均匀分布于Ba1-xCaxZrO3基体;CaO掺杂量的增加使Ba1-xCaxZrO3基体粒径与CaO粒径增大。当CaO掺杂量(摩尔分数)达到15%时,Ti3Ni熔体对陶瓷片的侵蚀层厚度约为32μm;当CaO掺杂量为20%时,侵蚀层约厚11μm。CaO掺杂改变了BaZrO3的晶体结构,并提高了BaZrO3耐火材料的热力学稳定性,有利于BaZrO3耐火材料在活泼金属熔炼领域的应用。

BaO-CaO-ZrO_2三元系的评估及其在新耐火材料设计中的应用

BaO-CaO-ZrO2是一个重要的锆酸盐陶瓷材料三元体系,但该体系的相图和热力学资料却很少。在评估BaO-CaO,BaZrO3-CaZrO3二元体系现有相图和热力学数据的基础上,采用CALPHAD(calculation of phase diagram)技术进行了相图优化计算,并对一些存在分歧的相进行了分析。利用子二元体系CaO-ZrO2,BaO-ZrO2相图预测了BaO-CaO-ZrO2体系在1941K和2041K时的等温截面。最后,以BaZrO3和CaZrO3为基元材料设计出新型复合耐火材料Ba0.96Ca0.04ZrO3。它能为开发用于钛合金熔炼和铸造用的耐火材料提供参考。

钢坯火焰清理机的国产化与智能化

随着我国钢铁工业进入高质量发展的新阶段,开发拥有自主知识产权的高品质钢铁产品对钢铁企业升级转型走向国际市场具有重要作用。火焰清理就是利用气体火焰清除钢坯表面的氧化皮和裂纹、点蚀、凹陷、夹杂及气泡等缺陷,提升高附加值钢材的表面质量。然而,火焰清理机的核心技术长期被美日韩等国垄断,早期完全依赖进口。简略介绍了火焰清理的基本原理和钢坯火焰清理机的主要类型;从钢坯火焰清理机的能源介质调控、烧嘴结构设计和智能化控制等方面概述了我国火焰清理技术的现状;回顾了我国钢坯火焰清理机从依赖进口到国产化和进一步“智能化”的发展历程。

连铸无磁辊用X5NiCrTi2615MoAlVB钢中时效析出相的长大动力学

将一种新型连铸无磁辊用x5NiCrTi2615MoAlVB钢在1000℃固溶处理后，再分别在660，710，760，810℃下时效O～30h，利用扫描电镜观察其析出相的形貌；然后利用Photoshop和Image—ProPlus软件计算并统计其析出相的平均尺寸，研究了时效过程中γ＇相的长大动力学。结果表明：试验钢在660-810℃时效处理0～30h后，均析出了大量白色的圆形γ＇相，且随时效时间延长，γ＇相的尺寸不断增大;γ＇相在0～2h内迅速长大，之后其长大速率逐渐减小；在相同的时效时间下，时效温度越高，γ＇相的平均尺寸越大；拟合得到的γ＇相的平均尺寸与实际测量值之间的误差在109／6以内。

热处理工艺对新型无磁辊材料硬度及析出相的影响

针对新型连铸用无磁辊材料成分,设计不同的热处理试验方案并测得其硬度,并采用SEM、TEM、图像统计分析等方法,观察并计算无磁辊材料经不同热处理后析出相的形貌及尺寸,从而建立新型无磁辊材料热处理工艺与硬度、析出相尺寸之间的关系。结果表明:660、710、760、810℃温度下,材料的硬度随着时效时间延长先上升,达到峰值后下降,其析出相γ’不断粗化;860℃下时效,材料硬度趋于平稳且较低。在760℃下时效12 h后,材料硬度最高达到321HBS,γ’相平均尺寸在30.4 nm,且弥散分布在基体上。

Y掺杂BaZrO_3的稳定性及抗钛熔体的侵蚀性

使用传统固相合成的Y_2O_3掺杂与未掺杂的BaZrO_3粉料,运用冷等静压和固相烧结技术,制备BaZrO_3和Y掺杂的BaZrO_3坩埚,并用其熔炼富钛合金(Ti_2Ni,含钛量63%,质量分数)。研究Y_2O_3掺杂对Ba Zr O3坩埚侵蚀层及组织形貌的变化,合金熔体受耐火材料元素污染量的变化以及Y_2O_3掺杂BaZrO_3坩埚抵抗钛熔体的侵蚀性。结果表明:1500℃时,Ti_2Ni熔体对掺杂Y_2O_3的BaZrO_3坩埚侵蚀层厚(1700mm),小于未掺杂的BaZrO_3侵蚀层厚度(2000mm);Y掺杂BaZrO_3坩埚内壁晶粒相对完整,仅部分晶界受熔体侵蚀而模糊,未掺杂的BaZrO_3坩埚晶粒受钛熔体侵蚀及冲刷,出现层片状组织,且内壁结构疏松;随着保温时间从5 min增至15 min时,Y掺杂BaZrO_3坩埚熔炼后Ti_2Ni合金中的O和Zr元素均达到平衡;而未掺杂的Ba Zr O3熔炼后Ti_2Ni中O和Zr含量随保温时间增加而增加。热力学计算也支持上述结论,说明耐火材料在Ti_2Ni熔体中的溶解的进行表明促进BaZrO_3坩埚-合金界面反应,Y_2O_3掺杂能改善BaZrO_3稳定性,增强抗钛熔体的侵蚀性,降低其在钛合金中的溶解。

Y2O3掺杂BaZrO3显微组织演变及与钛熔体相容性

以BaCO_3、ZrO_2和Y_2O_3为原料的6种配比混合料在1200℃经固相合成Y_2O_3掺杂BaZrO_3粉体,并经冷等静压成型后在1750℃烧结成圆片。利用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)分析不同Y_2O_3掺杂量对BaZrO_3粉体组成及其对BaZrO_3圆片的显微组织结构和烧结性能的影响。结果表明:Y_2O_3掺杂BaZrO_3主要由BaZrO_3和Ba2YZr O6构成;随着Y_2O_3掺杂量的增加,Ba2YZr O6含量逐渐增加,并出现团聚现象;同时,BaZrO_3晶粒生长受到抑制,导致圆片表面疏松多孔,致密度降低。当原料摩尔比n(BaCO_3):n(ZrO_2):n(Y_2O_3)=0.48:0.47:0.1时,所获圆片相对密度达到97.1%。使用该配比粉料制备坩埚感应熔炼Ti Ni合金后,合金与坩埚无界面反应层存在,也未见明显坩锅组成元素向合金扩散现象,说明Y_2O_3掺杂BaZrO_3是一种非常有潜力的钛合金熔炼制备用耐火材料。

热处理对新型坩埚熔炼的TiNi合金性能的影响

将自制的25kg级BaZrO3坩埚用于Ti-55.8%Ni合金(质量分数)的真空感应熔炼,并将合金铸锭经锻造、轧制、拉拔等工序制成φ1.0mm的TiNi合金丝材,取样经不同的制度热处理后,分析了TiNi合金丝材的拉伸性能、低周弯曲疲劳性能以及拉伸、疲劳断口形貌。结果表明:丝材经700℃保温1h水淬处理后,延伸率可达23%,韧窝尺寸变小、数量增多,且微孔数量大幅减少。此外,丝材经500℃或550℃保温20min水淬处理后,疲劳寿命得到提高,最高可达3072次,疲劳断口处贝纹线排列紧密,裂纹较短且部分存在分叉现象。

Ti-Fe-Mn三元系热力学评估

通过CALPHAD法,利用相关数据优化了Ti-Fe-Mn三元系,计算了1000℃等温截面图。同时还计算了Ti对Mn在1570℃时液相中活度的影响、TiMn_2-TiFe_2伪二元面、液相投影面和850℃与1150℃富Fe端BCC_A2-FCC_A1相平衡。计算结果与大部分实验结果吻合。