Interfacial Reactions of CaZrO3 -Y2O3 Composite Ceramic Shells for Titanium Alloy Investment Casting

تخيل أنك تحاول صب معدن منصهر في قالب، ولكن القالب نفسه يبدأ في الذوبان أو التفاعل كيميائياً مع المعدن السائل. هذا صراع مستمر عند صب التيتانيوم، وهو معدن يُقدر لقوته وخفته ولكنه معروف بشراسته الكيميائية في درجات الحرارة العالية. فعندما يلمس التيتانيوم المنصهر غلافاً سيراميكياً، فإنه غالباً ما يسرق الأكسجين وعناصر أخرى من السيراميك، مما يؤدي إلى خلق طبقة سطحية تالفة على الجزء النهائي. هذا التلوث يجعل المعدن هشاً وغير صالح للتطبيقات الحرجة مثل محركات الطائرات أو الغرسات الطبية. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن مادة سيراميكية يمكنها تحمل هذه الحرارة دون أن تنهار أو تتفاعل، آملين في إيجاد حاجز مثالي يحافظ على نقاء المعدن.

عالج الباحثون في معهد شنيانغ لأبحاث المسبكات المحدود هذه المشكلة عن طريق خلط مادتين مختلفتين من السيراميك لإنشاء درع أقوى. لقد بدأوا بمادة "زركونات الكالسيوم"، وهي سيراميك معروف باستقراره ولكنه لا يزال يتفاعل بشكل كبير مع التيتانيوم. ولإصلاح ذلك، أضافوا كميات متفاوتة من "الإيتريا"، وهو أكسيد من العناصر الأرضية النادرة يتميز بقدرة ممتازة على مقاومة الحرارة ولكنه يصعب استخدامه ويعد مكلفاً إذا استُخدم بمفرده. ومن خلال مزج هاتين المادتين، هدف الفريق إلى إنشاء غلاف مركب يقدم أفضل ما في العالمين: التكلفة المنخفضة والتوافر لمادة زركونات الكالسيوم، مع المقاومة الفائقة للحرارة التي توفرها الإيتريا. كان هدفهم بسيطاً ولكنه حيوي: معرفة ما إذا كان إضافة المزيد من المادة المقاومة للحرارة يمكن أن يوقف الهجوم الكيميائي على التيتانيوم المنصهر وينتج صبّة أكثر نظافة وقوة.

أعد الفريق أربعة أنواع مختلفة من الأغلفة السيراميكية، حيث يحتوي كل منها على نسبة مئوية مختلفة من الإيتريا الممزوجة في زركونات الكالسيوم. تراوحت هذه النسب من غلاف يحتوي على عشرين بالمائة فقط من الإيتريا إلى آخر يحتوي على ثمانين بالمائة. وباستخدام رابط سائل خاص لتماسك المسحوق، قاموا ببناء طبقات من هذا الخليط لتشكيل القوالب. وبمجرد تجفيف الأغلفة وحرقها في فرن، استُخدمت لصب سبيكة تيتانيوم محددة تُعرف باسم ZTA15. تضمنت العملية صب المعدن المنصهر في الأغلفة السيراميكية المسخنة مسبقاً وتركها لتبرد. وبعد تصلب المعدن، قام الباحثون بكسر الأغلفة لفحص أسطح المسبوكات، والتدقيق في مدى تفاعل السيراميك مع المعدن.

وجدوا علاقة واضحة ومباشرة بين كمية الإيتريا المضافة وجودة المنتج النهائي. ففي الغلاف الذي يحتوي على أقل كمية من الإيتريا، كان التفاعل بين السيراميك والمعدن شديداً؛ حيث تشكلت طبقة سميكة من المعدن التالف على السطح، بلغ سمكها قرابة واحد وسبعين ميكرومترًا. هذه المنطقة التالفة، حيث تغيرت البنية الداخلية للمعدن بفعل التفاعل الكيميائي، امتدت لعمق مائتين وتسعة وعشرين ميكرومترًا. ومع زيادة الباحثين لكمية الإيتريا في الخليط، تقلصت منطقة الضرر هذه بشكل كبير. ففي الغلاف ذي التركيز الأعلى من الإيتريا، انخفضت الطبقة الملوثة إلى واحد وعشرين ميكرومترًا فقط، وانحصرت البنية المتغيرة للمعدن في شريط أرق يبلغ مائة وسبعة ميكرومترات فقط.

لم يكن التحسن يتعلق بالسمك فحسب؛ بل تغيرت طبيعة التفاعل أيضاً. ففي الأغلفة التي تحتوي على كمية أقل من الإيتريا، كانت زركونات الكالسيوم تتحلل عند درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى إطلاق عناصر تتفاعل مع التيتانيوم لتكوين مركبات غير مرغوب فيها ومزيج من الهياكل المعدنية المختلفة. ومع ذلك، مع زيادة محتوى الإيتريا، عملت المادة كمثبت، مما منع السيراميك من التحلل. وفي الأغلفة الأكثر نجاحاً، ظل سطح التيتانيوم نقياً تماماً تقريباً، محتفظاً ببنيته الأصلية دون تكون تلك الأطوار الجديدة الهشة. كما لاحظ الباحثون أن الأغلفة السيراميكية نفسها أصبحت أقوى وأقل عرضة للتشقق أو التقشر عند زيادة محتوى الإيتريا، مما وفر حماية إضافية للمعدن من التلوث.

لفهم ما كان يحدث بالضبط داخل الغلاف، قام الفريق بتحليل التركيب الكيميائي للطبقات باستخدام تقنيات التصوير المتقدمة والأشعة السينية. واكتشفوا أنه في الأغلفة ذات محتوى الإيتريا المنخفض، كانت المادة السيراميكية تتحلل، مما يخلق مزيجاً فوضوياً من الأكاسيد التي تتفاعل بعدوانية مع المعدن المنصهر. ولكن عندما كان محتوى الإيتريا مرتفعاً، ظل السيراميك مستقراً، مشكلاً حاجزاً واقياً يحافظ على نقاء التيتانيوم. كما قام الفريق أيضاً بقياس درجة الحرارة التي يبدأ عندها التفاعل بين السيراميك والمعد metal. ووجدوا أن الأغلفة التي تحتوي على المزيد من الإيتريا يمكنها تحمل درجات حرارة أعلى قبل بدء أي تفاعل، مما يؤكد أن المادة أصبحت أكثر استقراراً من الناحية الديناميكية الحرارية.

خلصت الدراسة إلى أن هناك نقطة تحول لمدى كمية الإيتريا المطلية لجعل هذا العمل فعالاً. فعندما انخفضت كمية الإيتريا عن أربعين بالمائة، توقفت المادة عن العمل كمكون حماية أساسي وأصبحت مجرد مادة مضافة ثانوية فشلت في منع تحلل السيراميك. تسبب هذا التحول في زيادة سمك طبقة التفاعل بشكل كبير، مما أدى إلى إلغاء فوائد التصميم المركب. لذلك، حدد الباحثون أنه لتحقيق أفضل النتائج، يجب أن يحتوي الغلاف على ٤٠٪ على الأقل من الإيتريا. يوفر هذا الاكتشاف دليلاً عملياً للمصنعين، يوضح أنه بينما يؤدي إضافة المزيد من المادة المكلفة إلى تحسين الأداء، فإن هناك حداً أدنى محدداً من الضروري ليكون الغلاف السيراميكي فعالاً حقاً ضد الطبيعة الشرسة للتيتانيوم المنصهر.