鋯熔體與氧化物型殼的界面反應研究.pdf

1、隨著鋯及鋯合金在航空航天、核能及化工行業(yè)的應用越來越廣泛,精密復雜鋯基零部件的需求越來越大,如果采用傳統(tǒng)的機械冷加工結合焊接的方法則存在成材率低、加工成本高、整體穩(wěn)定性差等缺點。為此,選用熔模精密鑄造技術加工成型復雜結構鋯基零部件顯示出了廣闊的應用前景。然而,由于鋯熔體具有極高的化學活性,高溫下極易與鑄造型殼發(fā)生界面反應,嚴重降低了鋯鑄件的尺寸精度和表面質量。因此,研究鋯熔體與型殼材料的界面反應規(guī)律,選擇對鋯熔體具有高惰性的型殼材料以及

2、合適的型殼制備工藝,控制鋯熔體與型殼的界面反應程度,是鋯材熔模鑄造技術的關鍵。
　　本文選取了高熔點活潑金屬熔模精密鑄造常用的 Al2O3、ZrO2(CaO穩(wěn)定)、ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)和Y2O3四種氧化物型殼材料與鋯熔體進行界面反應試驗,并采用SEM、XRD、EDS等手段分析了鋯熔體與氧化物型殼的界面反應情況。結果表明,四種氧化物型殼材料均與鋯熔體發(fā)生界面反應在鋯試樣表面形成硬脆性污染層,污染層主要包含O在Zr中的α固溶體和Z

3、r的氧化物;Al2O3和ZrO2(CaO穩(wěn)定)與鋯熔體反應形成的表面污染層厚度分別為100μm和35μm,污染層因含大量冷裂紋和氣孔而呈疏松結構;ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)和 Y2O3與鋯熔體反應形成的表面污染層厚度分別為30μm和25μm,污染層缺陷較少而呈比較致密結構。
　　在以上試驗與分析的基礎上,采用Miedema生成熱模型分析了不同氧化物型殼材料對鋯熔體活度的影響,并結合差熱分析(DTA),從熱力學角度研究了鋯熔體與四種氧

4、化物型殼材料的界面反應機理。結果表明,Al2O3型殼材料中的Al元素降低了鋯熔體的活度,有利于降低界面反應程度,但Al2O3的熱穩(wěn)定性較差,高溫下與鋯熔體發(fā)生了劇烈的置換反應;ZrO2(CaO穩(wěn)定)和ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)型殼材料中的ZrO2在高溫下分解出Zr原子,與鋯熔體互溶加劇了界面反應,作為穩(wěn)定劑的CaO和Y2O3均提高了鋯熔體的活度,加劇了界面反應程度,但由于Y元素對鋯熔體活度的提高能力小于Ca元素,且Y2O3分解混入熔體中的

5、Y元素含量遠小于Ca元素,因此 ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)與鋯熔體的界面反應程度低于 ZrO2(CaO穩(wěn)定);Y2O3型殼材料中的Y元素分解融入鋯熔體提高了熔體的活度,但Y2O3的生成自由能較高,在Zr熔體中的分解量較少,Y2O3與Zr的界面反應程度最低。
　　最后本文選取了性價比最優(yōu)、具有潛在工業(yè)應用價值的ZrO2(Y2O3)材料制備型殼并進行了鋯熔體的澆注,采用 SEM、XRD、EDS等手段分析了型殼的形貌結構和鋯鑄件的表面反應

6、層結構。研究結果表明,鑄件表面污染層厚度隨粉料粒度級配的增大而減小,當粒度級配從5Wt％(細粉的質量分數)提高到30Wt%時,鑄件表面污染層厚度由50μm逐漸降至15μm,表面冷裂紋的尺寸和數量均減小,界面反應程度明顯降低;鑄件表面污染層厚度隨涂料粉液比的增大而減小,粉液比從4.0g/ml增加到5.5g/ml時,污染層厚度由25μm降至15μm左右,且鑄件表層結構更為致密,孔隙及冷裂紋減少,界面反應程度降低。調整優(yōu)化粒度級配與粉液比可以