文章编号：1004-0609(2015)06-1505-07

BaZrO₃耐火材料与TiAl合金熔体的界面反应

贺  进¹，魏  超¹，李明阳¹，汪宏斌^{1, 2}，鲁雄刚^{1, 2}，李重河^{1, 2}

(1. 上海大学 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室，上海 200072；

2. 上海特种铸造工程技术研究中心，上海 201605)

摘 要：

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。

关键词：

BaZrO3；TiAl；合金熔炼；界面反应；

中图分类号：TG146.2      　    　     文献标志码：A

Interface reaction between BaZrO₃ refractory and melted TiAl alloys

HE Jin¹, WEI Chao¹, LI Ming-yang¹, WANG Hong-bin^{1, 2}, LU Xiong-gang^{1, 2}, LI Chong-he^{1, 2}

(1. State Key Laboratory of Advanced Special Steel, Shanghai University, Shanghai 200072, China;

2. Shanghai Special Casting Engineering Technology Research Center, Shanghai 201605, China)

Abstract: A homemade BaZrO₃ crucible was used to melt TiAl alloys, the microstructure of the melt TiAl alloys and interface reaction between the BaZrO₃ refractory and TiAl melt were investigated. The results demonstrate that the microstructure of TiAl alloys is largely composed of lamellar α₂+γ with different orientations and small amount of bulk γ phase; the melts exhibit poor wettability with BaZrO₃ refractory and no reaction layer is observed between them. This may imply that the BaZrO₃ is a promising candidate of materials for the melting of TiAl alloys.

Key words: BaZrO₃; TiAl; alloy melting; interface reaction

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^[1]。但TiAl 合金熔体具有较高的化学活性，高温下会与普通的耐火材料发生不同程度的化学反应，这给合金的熔炼带来很大的困 难。目前，冶炼TiAl 合金的方法主要如下^[2-4]：真空自耗电弧熔炼(Vacuum arc melting)、感应凝壳熔炼(Induction skull melting)、电子束熔炼(Electron beam melting)、等离子束熔炼(Plasma melting)、和真空感应熔炼(Vacuum induction melting)。

真空自耗电弧熔炼在熔炼时会形成不均匀的温度场，容易引起化学成分不均匀，从而造成成分偏析和组织缺陷；通过改进线圈和分瓣坩埚形状，凝壳感应熔炼可以实现活泼金属熔体电磁学意义上的悬浮熔炼，避免坩埚材料对熔体污染，但由于坩埚底部为整体结构，不会形成排斥熔体的洛伦兹力，熔体在底部与坩埚接触损失大量热量，浇注完成后会在坩埚内形成较厚的凝壳^[5]；电子束熔炼要在高真空下工作，真空度为1×10^-2 Pa，这种高真空下Al 元素的挥发对合金成分会产生极大的影响，难以控制凝固后的组织^[6]；等离子束熔炼是比较理想的TiAl 合金熔炼方法，但熔炼成本也是最昂贵的^[7]。

真空感应熔炼是高温合金冶炼最常用的方法，其较强的电磁搅拌作用能使合金熔体保持较高的过热度，有利于消除成分偏析，从而保证合金成分和组织的均匀性；且它没有强制水冷系统，能耗较低，可以降低合金的熔炼成本。但由于TiAl 合金高的化学活性，普通的耐火材料难以胜任。为了寻求一种可以适合感应熔炼TiAl 合金的耐火材料，国内外学者对MgO^[8]、Al₂O₃^[8-9]、CaO^{[8, 10]}、Y₂O₃^{[8, 11]}等氧化物材料为研究对象进行了大量的研究工作。从现有的数据比较来看，Y₂O₃是比较理想的耐火材料，但由于Y₂O₃的抗热震性较差且钇是稀土元素价格昂贵，不适宜作为大规模的工业化生产和应用。从热力学角度考虑，氧化物的标准生成自由能值越低越稳定，自由能值小于TiO₂的材料都可以考虑作为熔炼钛合金的候选材料。图1所示为几种氧化物与TiO₂标准生成自由能随温度的变化关系。从图1可以看出，除了常用的氧化物外，锆酸盐类物质(CaZrO₃、SrZrO₃、BaZrO₃)也具有良好的潜力。

图1  几种氧化物标准生成自由能随温度的变化

Fig. 1  Variation of standard formation free energies with temperature for some relative oxides

锆酸盐(CaZrO₃、SrZrO₃和BaZrO₃的熔点分别达到2300、2600和2700 ℃)属于立方钙钛矿结构，具有较高的化学稳定性。在本文作者的前期工作中，以这3种材质为耐火材料制备成坩埚感应熔炼了TiNi^[12-15]、TiFe^[16]合金。研究结果表明，相比CaZrO₃和SrZrO₃，BaZrO₃ 对钛合金熔体具有更高的化学稳定性，且在前期研究工作中，BaZrO₃ 已被制备成陶瓷型壳成功应用于钛合金的精密铸造^[17]。因此，本文作者以BaZrO₃ 为耐火材料制备成的坩埚在1550 ℃氩气氛围保护下熔炼了TiAl 合金，对熔炼后合金的组织及熔体与BaZrO₃ 耐火材料间的界面反应情况进行了研究。

1  实验

1.1  坩埚制备

以工业级的BaCO₃ (纯度＞99%)和ZrO₂ (纯度＞99.2%)为原材料，以摩尔比接近1:1配比，采用固相合成法在1200 ℃保温4 h 条件下合成BaZrO₃ 粉体。合成粉体经800 ℃预烧4 h，冷却后掺入2%(质量分数)的助溶剂TiO₂并采用球磨机混合均匀；用等静压成型技术将混合后的粉体压制成坩埚胚体，胚体在900 ℃保温4 h得到素胚；素坯经1450 ℃保温3 h后升温至1750 ℃，并在1750 ℃保温3 h；然后随炉冷却至室温，得到成品坩埚，外径36 mm、内径30 mm、高35 mm。

1.2  熔炼实验

实验用合金的名义成分为Ti-48Al(摩尔分数，%)其主要化学成分如表1所列，样品尺寸为直径d 20 mm×40 mm的圆试样，去除表面氧化皮，用丙酮进行超声清洗，并在200 ℃烘干2 h。熔炼试验装置为WZG-2型真空感应烧结炉，采用Marathon系双色红外测温仪进行控温。具体过程如下：将约45 g的TiAl合金棒放置于自制BaZrO₃坩埚中，为了降低气氛中的氧含量，熔炼前抽真空至1×10^-2 Pa；控制调节功率，经4 h从室温升温至1400 ℃，在1400 ℃充入高纯氩气至0.06 MPa，然后以5~10 ℃/min快速升温至1550 ℃，保温30 min后随炉冷却至室温。

冷却后将合金锭沿径向切开，样品经粗磨、细磨、抛光、抛光后经腐蚀液(90%H₂O+5%HNO₃+5%HF(体积分数))腐蚀过程金相试样。利用金相显微镜对试样的显微组织进行观察；用D/Max-2200型X射线衍射仪进行物相分析；用JSM-6700F型和S-570型扫描电子显微镜进行界面反应层的形貌分析；用EDS能谱、IRIS Advantage ICP-AES型电感耦合等离子体 (ICP)原子发射光谱分析仪对不同熔炼批次TiAl合金中Ba元素含量进行分析，取其平均值。

表1  实验用TiAl 合金的化学成分

Table 1  Chemical composition of experimental TiAl alloys (mass fraction, %)

2  结果与分析

2.1  显微组织分析

TiAl合金有4种典型的显微组织，即等轴近γ组织(NG)、双态组织(DP)、近片层组织(NL)和全片层组织(FL)^[18]。合金的力学性能受显微组织的影响很大，其中NL和FL组织能获得强度和韧性的良好配合，使合金具备优异的综合力学性能，在工程应用中多倾向获得片层组织。图2所示为熔炼后TiAl合金的显微组织，铸态晶粒尺寸较粗大(见图2(a))，枝晶组织中由大量不同取向的片层状α₂+γ和少量条块状的γ相组成(见图2(b))。这与GOMES等^[10]、IMAYEV等^[19]的研究结果相同，是TiAl合金中Al含量低于49%(摩尔分数)时的典型显微组织。图3所示为熔炼后合金的XRD谱。从图3中可以看出，合金基体由γ(TiAl)相和α₂(Ti₃Al)相组成，未观察到夹杂相的存在。

图2  熔炼后TiAl合金的显微组织

Fig. 2  Microstructures of melted TiAl alloys

图3  熔炼后TiAl合金的XRD谱

Fig. 3  XRD pattern of melted TiAl alloys

2.2  界面分析

图4所示为KUANG等^[8]在与本实验条件相似的情况下用MgO(a)、CaO(b)、Al₂O₃(c)、Y₂O₃/MgO(d)坩埚熔炼TiAl 合金后合金与坩埚的宏观形貌。为观察BaZrO₃坩埚与TiAl 合金的界面反应情况，熔炼后用酚醛树脂将坩埚和合金整体镶嵌，沿纵向用水冷金刚石切盘将合金切开。在切割时合金与坩埚发生分离，分离后坩埚整体保持完整，合金表面光滑，未观察到反应层(见图4(e))。从图4可以看出，用MgO坩埚熔炼TiAl合金时熔体向坩埚侧渗透，形成了一定厚度的渗透层；采用CaO坩埚熔炼时合金熔体已渗透出坩埚其原因可能是由于坩埚的致密性不足，而GOMES等^[10]用CaO坩埚感应熔炼TiAl 合金时，坩埚对合金显示出良好的相容性，熔炼后界面反应层厚度仅为5 μm；实验用BaZrO₃坩埚同Al₂O₃和Y₂O₃/MgO坩埚相同，熔炼后未发现界面反应层的存在(见图4(c)、(d)和(e))。耐火材料与合金熔体间的润湿性差可以减小界面反应程度，是其可以应用于熔炼合金的必要条件^[20]。但罗文忠等^[21]和ZHANG等^[22]用Al₂O₃坩埚研究了定向凝固过程中Al₂O₃与TiAl 合金熔体的界面反应情况，结果表明，Al₂O₃会与合金熔体发生反应形成反应层，较在合金基体中发现大量的Al₂O₃夹杂。

图5(a)所示为熔炼后合金的SEM像。由图5(a)可以看出，合金与坩埚分离后在局部区域形成了厚度不均匀的“附着层”，但合金与“附着层”的界面清晰。EDS结果表明该区域主要成分为Ba、Zr和少量的Al，未发现Ti元素的存在(点A)。在界面处Ba和Zr元素的含量偏高(点B)，靠近合金侧(点C、D)坩埚元素含量明显降低。

图4  常用氧化物坩埚熔炼后TiAl合金的宏观形貌

Fig. 4  Macro photographs of melted TiAl alloys with ordinary oxides ceramic

图5(b)所示为沿试样外表面至合金侧Ti、Ba、Zr、Al元素的EDS线扫描结果，其中左侧为酚醛树脂，右侧为合金基体。从线扫描结果可以看出，在坩埚与合金的界面处Zr元素有明显的陡降趋势，但Ba元素不明显。进一步用EDS和ICP对不同熔炼批次的合金中Ba元素含量进行测定，结果表明，只有在坩埚和合金的界面处发现有少量的Ba元素(见表2中区域B、C、D)，在合金基体未发现Ba元素的存在；ICP检测结果表明，基体中Ba元素的平均含量仅为3×10^-5(见表3)。

从热力学角度考虑，高温下BaZrO₃比钛的氧化物具有更高的稳定性，合金熔体与坩埚材料之间无化学反应发生。但在制备坩埚过程中很难使坩埚的致密度达到100%，坩埚存在一定的孔隙率。表4所列为不同制备工艺下BaZrO₃坩埚的密度。从表4可以看出，当向BaZrO₃粉体中添加2%(质量分数)TiO₂作为助溶剂并在1750 ℃下烧结时，可获得坩埚的致密度为6.0544 g/cm³，为高理论密度的97.0%。熔炼时由于毛细血管作用熔体会沿着孔隙向坩埚中渗透；电磁搅拌也会将坩埚材料冲刷进合金熔体。因此，熔炼后会在坩埚与熔体的界面处形成附着层，在靠近合金侧发现少量坩埚元素。

2.3  合金中的氧含量

由于TiAl 合金在高温下与间隙元素氧的结合能力很强，感应熔炼会不可避免地造成耐火材料对合金熔体的污染，使得熔炼后合金中的氧含量升高。表5所列为与本实验在相似条件下使用不同耐火材料熔炼合金后合金中的氧含量。从表5可以看出，用MgO、Al₂O₃坩埚熔炼时，合金中的氧含量高达1×10^-2；而与稳定性较好的CaO、Y₂O₃坩埚相比，用BaZrO₃坩埚熔炼后合金中的氧含量为1.653×10^-3。

图5  熔炼后TiAl合金界面处EDS分析结果

Fig. 5  EDS test results of melted TiAl alloy

表2  熔炼后TiAl合金界面处(图5(a))及基体中(图6(b))的EDS分析结果

Table 2  EDS analysis results of surface and matrix of melted TiAl alloy shown in Fig. 5(a) and Fig. 6(b)

表3  不同熔炼批次TiAl合金中Ba元素含量的ICP检测结果

Table 3  Content of element Ba in TiAl alloys tested by ICP

表4  不同工艺条件下BaZrO₃陶瓷的密度

Table 4  Density of BaZrO₃ crucibles under different experimental conditions.

目前，Y₂O₃是钛合金熔炼和精密铸造用最稳定的耐火材料，但Y₂O₃这种材质的抗热震性能很差。将其制备成多孔结构，或涂覆涂层能有效提高材料的抗热震性，但也不能完全避免合金中Y₂O₃的夹杂^[23]。图6所示为采用Y₂O₃^{[11, 24]}和BaZrO₃坩埚熔炼后合金的显微组织形貌。从图6(a)可以很清晰地看出，用Y₂O₃坩埚熔炼后，合金中有Y₂O₃的夹杂；而用BaZrO₃坩埚熔炼后，合金中没有发现夹杂物(见图6(b)中E和F)。从实验结果可以看出，BaZrO₃对TiAl合金熔体具有良好的化学惰性，熔炼后未发现界面反应层存在，高温下元素的扩散也并不明显；与抗热震性较差的Y₂O₃相比，熔炼后合金中没有发现夹杂物，且在相同的实验条件下合金中的氧增量也比Y₂O₃的低。一般而言，铸造TiAl合金可接受的氧含量应不超过1.2× 10^-3[24]，本实验中用BaZrO₃坩埚在1550 ℃保温30 min 的条件下测得熔炼后合金中的氧含量为1.653×10^-3。根据CHEN等^[25]和GAO等^[26]研究了熔炼温度和熔炼时间对TiAl 合金中氧含量的影响，因此，通过对熔炼工艺的改善，有可能进一步降低熔炼后合金中的氧含量。

表5  不同坩埚材料熔炼TiAl合金后合金中的氧含量

Table 5  Oxygen contents of melted metals in tested crucible

图6  Y₂O₃^{[11, 24]}和BaZrO₃坩埚熔炼后合金中的夹杂物

Fig. 6  Inclusions in alloy melted by Y₂O₃^{[11, 24]}(a) and BaZrO₃ crucible(b)

3  结论

1) 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。

2) BaZrO₃耐火材料对TiAl 合金熔体具有良好的化学惰性，熔炼后合金与坩埚界面清晰，未发现界面反应层存在；坩埚与合金的界面处有少量元素扩散，但基体中未发现夹杂物。

3) 在该实验条件下，与用Y₂O₃ 坩埚熔炼TiAl 合金中的氧含量1.9×10^-3相比，用自制BaZrO₃坩埚熔炼后合金中的氧含量为1.653×10^-3。

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(编辑  龙怀中)

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51225401，51374142)；国家重点基础研究发展计划资助项目(2014CB643403)

收稿日期：2014-11-17；修订日期：2015-03-02

通信作者：李重河，教授，博士；电话：021-56332934；E-mail: chli@staff.shu.edu.cn

摘  要：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。