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市场对钛合金日益增长的需求,使丰富的钛资源与其高生产成本之间的矛盾更加突出。如何降低钛及钛合金的成本始终是材料研究工作者关心的问题。采用耐火材料坩埚感应熔炼钛及钛合金并结合熔模精铸,是实现低成本钛及钛合金的重要途径,但不可避免需要面对耐火材料对熔钛的污染问题,因此研究耐火材料与熔钛之间的界面反应是实现耐火材料熔钛铸钛的重要支撑。BN是一种品质优秀的耐火材料,在特种冶金、真空蒸镀中得到应用。上世纪八九十年代有人发现热解BN在工业纯钛的熔炼中表现良好[46],其中除了由于热解BN比其他压制烧结的耐火材料具有更高的致密度外,主要归因于BN本身的化学稳定性,但该工作只进行了初步探索。本论文采用热压高纯BN,研究其与TiNi合金、Ti6A14V合金熔体的界面反应,分析其反应机理,对BN在钛合金熔炼铸造领域应用的可行性作出讨论。
通过将BN试棒浸入熔融钛合金熔池(浸渍法)和少量钛合金在小坩埚内熔化并凝固(坩埚熔炼法)两种方法获取不同熔炼时间不同温度条件的界面。采用X射线衍射对界面生成物进行物相分析,扫描电子显微镜进行界面形貌分析,电子探针进行界面及其附近区域各元素成分分布。结果表明,熔钛与BN的生成物主要是Ti的氮化物和硼化物;BN试棒浸入TiNi熔池后提出表面形成一个由Ti的氮化物和硼化物以及少量金属组成的反应产物层,厚度约1~2 μm,且随浸入时间变化不明显。通过背散射电子相和各元素分布状况看出,界面附近形成厚度为几到十几微米的界面层,界面层内B、N元素含量呈下降趋势,Ti含量呈上升趋势,其他合金元素没有或有少量存在。
采用高纯BN坩埚熔炼TiNi、Ti6A14V合金,得到不同时间熔炼时间的钛铸锭,测出铸锭中N、B元素的含量,从实际熔炼效果考察界面反应对熔体的影响。结果表明:经过不同时间熔炼的TiNi合金,B、N增量略有差别,总体在100~200ppm;但对Ti6A14V合金而言,熔炼时间的长短跟B、N增量的关系比较显著,总体B、N增量很大,约5000~10000ppm。
热力学计算表明,BN与不同温度不同钛活度的熔池中,与钛反应生成硼化钛、氮化钛的驱动力都很大;反应的生成物在一定条件下的熔池中可以逐渐向低熔点低Ti/B,Ti/N比的化合物或固熔体转变,证明了反应生成物在不用温度的熔池中的稳定性不同,也是造成熔铸TiNi、Ti6A14V合金结果差别的重要原因:熔炼TiNi合金时,坩埚表面的生成物可以生成一层较稳定的界面反应的阻挡层,使界面反应速度受制于Ti、B、N在阻挡层中的扩散而逐渐趋于0;熔炼Ti6A14V时,坩埚与熔池之间界面层的存在依赖于,BN与熔钛不断的反应和生成产物不断的溶入熔池两个近乎相反的过程,从而对熔池造成较大的污染。