题目：陶瓷坩埚的凝胶注模成型及其与铌硅超高温合金的界面作用

铌硅超高温合金有潜力替代已到使用温度极限的镍基高温合金，成为未来航空发动机超高温部件材料。但是铌硅超高温合金熔点高于1750℃，且含有Ti、Al、Y和Hf等高活性元素，大大限制了定向凝固用坩埚材料的选择，迄今为止尚未发现对其呈现完全化学惰性的耐火材料。鉴于铌硅超高温合金在航空航天领域的应用前景，以及在加工制造方面所面临的问题，本文通过热力学数据计算选择了Y2O3和ZrO2两种化学稳定性较好的陶瓷材料作为备选的定向凝固铌硅超高温合金用耐火材料；研究了Y2O3和ZrO2陶瓷的凝胶注模成型技术和烧结工艺，确定了相关工艺参数，制备了Y2O3和ZrO2陶瓷部件；使用这两种陶瓷坩埚熔炼了铌硅超高温合金，讨论了温度、保温时间和合金成分对合金与陶瓷界面反应的影响规律，揭示了铌硅超高温合金熔体与氧化物陶瓷耐火材料相互作用的微观机理，提出Y2O3是一种适合于定向凝固铌硅超高温合金的耐火材料；最后在铌硅超高温合金与Y2O3界面反应机理的基础上探索了控制界面反应的方法，成功降低了合金基体中的氧污染，为制备出优质的铌硅超高温合金部件打下基础。本文采用凝胶注模成型工艺制备了Y2O3和ZrO2陶瓷坩埚，在浆料中加入各物质的量分别为：单体丙烯酰胺3.5wt%，交联剂N,N’-亚甲基双丙烯酰胺0.35 wt %，引发剂5wt%过硫酸铵溶液0.9vol%，催化剂N,N,N’,N’-四甲基乙二胺0.2vol%，分散剂聚丙烯酸铵0.8vol%，最佳粘度为1Pa•s左右。凝胶反应的温度为60℃，时间为30min。陶瓷制品的排胶温度为200℃~600℃，烧结温度为1900℃。Y2O3陶瓷与含Hf元素的铌硅超高温合金在高温下会发生轻微的界面化学反应，在合金与陶瓷界面处生成一层连续的HfO2反应层，在合金基体中生成少量HfO2夹杂物。不含Hf元素的铌硅超高温合金与Y2O3陶瓷未发生明显的界面反应，合金基体中的氧增量约为含Hf合金中的29%~32%。温度的上升和时间的延长会增加铌硅超高温合金与Y2O3陶瓷的界面反应程度。温度每上升50℃，合金中氧含量约增加0.02 wt%~0.051wt%，时间每增加10min，合金中氧含量约增加0.002wt%~0.02wt%。ZrO2耐火材料与铌硅超高温合金的界面作用规律与Y2O3耐火材料相似，但是程度更为剧烈，在合金成分、熔炼温度和熔炼时间等因素相同的条件下， ZrO2耐火材料熔炼的合金中氧增量是Y2O3耐火材料中的3.1~5.6倍。铌硅超高温合金与Y2O3的界面反应机理为：Y2O3陶瓷在高温下发生了轻微的分解，生成Y原子和O原子，O原子具有很强的化学活性，会首先和合金熔液中最活泼的金属发生反应，生成相应的氧化物。Nb-Si-Ti-Al-Cr-Hf合金中Hf最活泼，O原子首先和Hf发生反应生成了HfO2反应层。因此减少合金中的Hf含量，能有效减少氧污染的严重程度。此外，在合金中添加更活泼的Y元素，能使O首先和Y发生反应生成Y2O3，由于Y2O3的密度比铌硅超高温合金小，它会使夹杂物浮在熔体表面，减少了合金基体中的氧含量。添加0.15 at% Y的合金中氧增量比没有添加Y元素的合金减少了42%。本文制备的Y2O3陶瓷坩埚已经成功应用于铌硅超高温合金的定向凝固工艺中，可制备包括Nb-Si-Ti-Cr-Al体系、Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf体系和Nb-Si-Ti-Cr-Al-Hf-Y体系等多种成分的合金，最高使用温度可以达到1950℃，抽拉速度可在2 × 10–6 m•s–1到6 × 10–4 m•s–1范围内变化。