鋯熔體與氧化物型殼的界面反應(yīng)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(yīng)用越來越廣泛,精密復(fù)雜鋯基零部件的需求越來越大,如果采用傳統(tǒng)的機(jī)械冷加工結(jié)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(diǎn)。為此,選用熔模精密鑄造技術(shù)加工成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋯基零部件顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。然而,由于鋯熔體具有極高的化學(xué)活性,高溫下極易與鑄造型殼發(fā)生界面反應(yīng),嚴(yán)重降低了鋯鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量。因此,研究鋯熔體與型殼材料的界面反應(yīng)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(yīng)程度,是鋯材熔模鑄造技術(shù)的關(guān)鍵。
　　本文選取了高熔點(diǎn)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(jìn)行界面反應(yīng)試驗(yàn),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(yīng)情況。結(jié)果表明,四種氧化物型殼材料均與鋯熔體發(fā)生界面反應(yīng)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(yīng)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(jié)構(gòu);ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)和 Y2O3與鋯熔體反應(yīng)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(jié)構(gòu)。
　　在以上試驗(yàn)與分析的基礎(chǔ)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(jié)合差熱分析(DTA),從熱力學(xué)角度研究了鋯熔體與四種氧

4、化物型殼材料的界面反應(yīng)機(jī)理。結(jié)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(yīng)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(yīng);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(yīng),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(yīng)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(yuǎn)小于Ca元素,因此 ZrO2(Y2O3穩(wěn)定)與鋯熔體的界面反應(yīng)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(yīng)程度最低。
　　最后本文選取了性價(jià)比最優(yōu)、具有潛在工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的ZrO2(Y2O3)材料制備型殼并進(jìn)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(jié)構(gòu)和鋯鑄件的表面反應(yīng)

6、層結(jié)構(gòu)。研究結(jié)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(dāng)粒度級配從5Wt％(細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù))提高到30Wt%時(shí),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(shù)量均減小,界面反應(yīng)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(shí),污染層厚度由25μm降至15μm左右,且鑄件表層結(jié)構(gòu)更為致密,孔隙及冷裂紋減少,界面反應(yīng)程度降低。調(diào)整優(yōu)化粒度級配與粉液比可以