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

Immaginate di cercare di versare metallo fuso in uno stampo, ma lo stampo stesso inizia a fondere o a reagire chimicamente con il metallo liquido. Questa è una lotta costante quando si fonde il titanio, un metallo apprezzato per la sua forza e leggerezza, ma noto per essere chimicamente aggressivo alle alte temperature. Quando il titanio fuso tocca un guscio ceramico, spesso sottrae ossigeno e altri elementi dalla ceramica, creando uno strato superficiale rovinato sul componente finale. Questa contaminazione rende il metallo fragile e inutilizzabile per applicazioni critiche come i motori aeronautici o gli impianti medici. Per decenni, gli scienziati hanno cercato un materiale ceramico che potesse resistere a questo calore senza degradarsi o reagire, sperando di trovare una barriera perfetta che mantenesse puro il metallo.

I ricercatori del Shenyang Research Institute of Foundry Co., Ltd. hanno affrontato questo problema mescolando due diversi materiali ceramici per creare uno scudo più resistente. Sono partiti dal zirconato di calcio, una ceramica nota per la sua stabilità, ma che reagisce comunque troppo con il titanio. Per risolvere il problema, hanno aggiunto varie quantità di ittria, un ossido di terre rare che è eccellente nel resistere al calore ma è difficile e costoso da usare da solo. Mescolando questi due materiali, il team mirava a creare un guscio composito che offrisse il meglio di entrambi i mondi: il basso costo e la disponibilità dello zirconato di calcio con la superiore resistenza al calore dell'ittria. Il loro obiettivo era semplice ma vitale: vedere se l'aggiunta di una maggiore quantità di materiale resistente al calore potesse fermare l'attacco chimico sul titanio fuso e produrre una fusione più pulita e resistente.

Il team ha preparato quattro diversi tipi di gusci ceramici, ognuno contenente una diversa percentuale di ittria miscelata allo zirconato di calcio. Andavano da un guscio con solo il venti percento di ittria a uno con l'ottanta percento. Utilizzando un legante liquido speciale per tenere insieme la polvere, hanno costruito strati di questa miscela per formare gli stampi. Una volta che i gusci sono stati asciugati e cotti in un forno, sono stati utilizzati per colare una specifica lega di titanio nota come ZTA15. Il processo consisteva nel versare il metallo fuso nei gusci ceramici preriscaldati e lasciarlo raffreddare. Dopo che il metallo si è solidificato, i ricercatori hanno rotto i gusci per esaminare la superficie delle fusioni, osservando attentamente quanto la ceramica avesse reagito con il metallo.

Ciò che hanno scoperto è stata una relazione chiara e diretta tra la quantità di ittria aggiunta e la qualità del prodotto finale. Nel guscio con la minore quantità di ittria, la reazione tra la ceramica e il metallo era severa. Uno strato spesso di metallo danneggiato si è formato sulla superficie, con uno spessore di quasi settantuno micrometri. Questa zona danneggiata, dove la struttura interna del metallo era stata alterata dalla reazione chimica, si estendeva in profondità nella fusione, raggiungendo una profondità di duecentoventinove micrometri. Man mano che i ricercatori aumentavano la quantità di ittria nella miscela, questa zona di danno si restringeva drasticamente. Nel guscio con la più alta concentrazione di ittria, lo strato contaminato è stato ridotto a soli ventuno micrometri, e la struttura alterata del metallo è stata confinata in una striscia molto più sottile di soli centosette micrometri.

Il miglioramento non riguardava solo lo spessore; anche la natura della reazione è cambiata. Nei gusci con meno ittria, lo zirconato di calcio si decomponeva ad alte temperature, rilasciando elementi che reagivano con il titanio per formare composti indesiderati e una miscela di diverse strutture metalliche. Tuttavia, all'aumentare del contenuto di ittria, questa agiva come un stabilizzatore, impedendo alla ceramica di degradarsi. Nei gusci più riusciti, la superficie del titanio rimaneva quasi interamente pura, mantenendo la sua struttura originale senza la formazione di queste nuove fasi fragili. I ricercatori hanno anche osservato che i gusci ceramici stessi diventavano più forti e meno inclini a creparsi o a sfaldarsi quando il contenuto di ittria era più elevato, il che proteggeva ulteriormente il metallo dalla contaminazione.

Per capire esattamente cosa stesse accadendo all'interno del guscio, il team ha analizzato la composizione chimica degli strati utilizzando tecniche di imaging avanzate e raggi X. Hanno scoperto che nei gusci con poca ittria, il materiale ceramico si decomponeva, creando una miscia caotica di ossidi che reagivano aggressivamente con il metallo fuso. Ma quando il contenuto di ittria era elevato, la ceramica rimaneva stabile, formando una barriera protettiva che manteneva puro il titanio. Il team ha anche misurato la temperatura alla quale la reazione tra la ceramica e il metallo iniziava a verificarsi. Hanno scoperto che i gusci con più ittria potevano resistere a temperature più elevate prima che iniziasse qualsiasi reazione, confermando che il materiale era diventato termodinamicamente più stabile.

Lo studio ha concluso che esiste un punto di svolta per quanto riguarda la quantità di ittria necessaria per far sì che questo funzioni efficacemente. Quando la quantità di ittria era ridotta sotto il quaranta percento, il materiale smetteva di agire come componente protettivo primario e diventava invece un additivo minore che non riusciva a impedire la decomposizione della ceramica. Questo cambiamento causava un ispessimento significativo dello strato di reazione, annullando i benefici del design composito. Pertanto, i ricercatori hanno determinato che, per ottenere i risultati migliori, il guscio deve contenere almeno il quaranta percento di ittria. Questa scoperta fornisce una linea guida pratica per i produttori, mostrando che, sebbene l'aggiunta di una maggiore quantità del materiale costoso migliori le prestazioni, è richiesto un limite minimo specifico affinché il guscio ceramico sia davvero efficace contro la natura aggressiva del titanio fuso.