钙钛矿结构BaZrO3材料在高活性钛合金熔体中的稳定性及相容性理论研究

Titanium and its alloys possess the high strength-to-weight ratio, the high resistant to corrosion, and the good mechanical properties at the elevated temperature, however, their wide application is limited by the high production cost. A possible way to reduce the titanium alloys production costs might be the use of induction melting with the ceramic crucible to instead of VAR and induction skull melting. Therefore, the development of the crucible material, which is inert against the melts of titanium alloys during melting, is challenge. The compound BaZrO3, which is the cubic perovskite, possesses the excellent mechanical and thermal stability at extra-high temperature, the BaZrO3 crucible is successfully to prepare the YBCO single crystal superconductor. Here, we try to introduce it into the application of the titanium melting. The powder of BaZrO3 will be synthesized by the solid sintering, and the correlation between the stability and the molar ratio of BaO：ZrO2 will be investigated. The HP as well as the solid sintering routine is used to prepare the pellet and crucible. The compatibility between the BaZrO3 ceramic and the the melting of TiNi, of Ti6Al4V and commercially pure titanium will be analyzed by the titanium solution and BaZrO3 piece wetting experiment and the BaZrO3 crucible titanium vacuum induction melting experiment. The BaZrO3/Ti reaction interface layer morphology and composition will be examined by means of the chemical composition analysis, the means of the optical / SEM morphology, X-ray analysis, finally we try to build the interfacial reaction mechanism.These results will be helpful to assess its feasibility for titanium induction melting process, and provide the theoretical guidance for the realization of this melting process.

钛合金具有比强度高、抗腐蚀性能好和生物相容性好等优点，制约其广泛应用的主要因素是昂贵的价格。寻找与高活性的钛熔体相容的耐火材料及其坩埚制备技术，是降低钛合金制备成本的技术关键之一。锆酸钡（BaZrO3）为立方钙钛矿型结构，在极端热环境下机械和结构稳定性好，是目前制备高质量单晶钇钡铜氧超导材料最为理想的坩埚材料。本项目尝试将其引入钛合金的研究领域，开展其与钛合金熔体相容性和界面反应的物理化学基础理论研究。采用固相合成法制备锆酸钡粉体材料，研究原料配比对锆酸钡稳定性的影响；利用钛合金熔体润湿实验和真空感应熔炼实验，研究BaZrO3对TiNi、Ti6Al4V和纯Ti熔体的相容性，分析BaZrO3/Ti界面层的微观形貌和成分，建立界面结构模型，评估其用于钛合金熔炼的可行性，为实现钛合金真空感应熔炼工艺提供实验基础和理论指导。

钛合金由于其比强度高，抗腐蚀性好和生物相容性好等优点，广泛应用于航空、航天、化工和医疗等各个领域。目前，制约钛工业发展的主要因素是钛材的昂贵价格，而造成钛材价格昂贵的一个主要原因是钛生产工艺复杂，周期长，能耗太高，成材率低等问题。相比真空冷坩埚技术和冷床炉熔炼技术，坩埚式真空感应冶炼技术具有两大突出优点：首先，由于它没有强制水冷系统，因此能耗低；其次真空感应炉有着强烈的电磁搅拌，且能保持较高的过热度，这又利于消除成分偏析，得到冶金质量良好的钛材。但真空感应炉里面首要前提是必须要有与钛及钛合金不发生化学反应的坩埚材料。因此，寻找新耐火材料及其坩埚制备技术，实现内热式的真空感应熔炼，是实现钛合金高效低沉本熔炼制备的技术关键之一。本项目通过引入高稳定性钙钛矿BaZrO3耐火材料，考察了BaZrO3耐火材料在高活性钛熔体中的稳定性及相容性，建立了陶瓷-金属熔体界面反应物理/数值模型。研究结果表明：采用价格低廉的BaCO3和ZrO2，控制其化学组成，以摩尔比n(BaCO3):n(ZrO2)=0.49:0.51结合高温固相合成法制备出高稳定性BaZrO3耐火材料。以BaZrO3耐火材料进行不同钛含量合金真空感应熔炼，相比低钛含量合金，高钛含量合金溶体对BaZrO3耐火材料的侵蚀程度更大，同时合金熔体受BaZrO3耐火材料的污染程度也随熔体中钛含量增加而增加，表明钛熔体中钛活度是影响BaZrO3耐火材料稳定性的一个重要因素。通过分析BaZrO3耐火材料-钛熔体界面作用机理，发现BaZrO3耐火材料对钛合金熔体呈现良好的热化学稳定性，但其在熔体中的物理溶解是导致耐火材料受侵蚀和合金熔体受污染的主要原因，并提出了相应的溶解作用方程式：Ti (l)+yBaZrO3(s)→Ti [Zr,O]+yBaO。本项目研究成果为探索BaZrO3作为坩埚材料的低能耗低成本的钛合金真空感应熔炼新工艺原型的可行性，实现钛合金真空感应熔炼工艺提供了具体的实验基础和理论指导，具有非常重要的意义。