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

Stel je voor dat je gesmolten metaal in een mal probeert te gieten, maar de mal zelf begint te smelten of chemisch te reageren met het vloeibare metaal. Dit is een constante strijd bij het gieten van titanium, een metaal dat wordt geprezen om zijn sterkte en lichtheid, maar berucht is om zijn chemische agressiviteit bij hoge temperaturen. Wanneer gesmolten titanium een keramische schaal raakt, steelt het vaak zuurstof en andere elementen uit de keramiek, wat een verruïneerde oppervlaktelaag op het uiteindelijke onderdeel creëert. Deze contaminatie maakt het metaal bros en onbruikbaar voor kritieke toepassingen zoals vliegtuigmotoren of medische implantaten. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar een keramisch materiaal dat deze hitte kan weerstaan zonder af te breken of te reageren, in de hoop een perfecte barrière te vinden die het metaal zuiver houdt.

Onderzoekers van het Shenyang Research Institute of Foundry Co., Ltd. pakten dit probleem aan door twee verschillende keramische materialen te mengen om een sterker schild te creëren. Ze begonnen met calciumzirkonaat, een keramiek dat bekend staat om zijn stabiliteit, maar dat nog steeds te veel reageert met titanium. Om dit op te lossen, voegden ze variërende hoeveelheden yttria toe, een zeldzaam aardoxide dat uitstekend is in het weerstaan van hitte, maar moeilijk en duur is om alleen te gebruiken. Door deze twee materialen te mengen, streefde het team ernaar om een composiet schaal te creëren die het beste van beide werelden bood: de lage kosten en beschikbaarheid van calciumzirkonaat met de superieure hittebestendigheid van yttria. Hun doel was simpel maar essentieel: kijken of het toevoegen van meer van het hittebestendige materiaal de chemische aanval op het gesmolten titanium kon stoppen en een schonere, sterkere gieting kon produceren.

Het team bereidde vier verschillende soorten keramische schalen voor, elk met een ander percentage yttria gemengd in het calciumzirkonaat. Deze varieerden van een schaal met slechts twintig procent yttria tot een met tachtig procent. Met behulp van een speciale vloeibare binder om het poeder bij elkaar te houden, bouwden ze lagen van dit mengsel op om de mallen te vormen. Nadat de schalen waren gedroogd en in een oven waren gebakken, werden ze gebruikt om een specifieke titaniumlegering te gieten die bekend staat als ZTA15. Het proces hield in dat het gesmolten metaal in de voorverwarmde keramische schalen werd gegoten en liet afkoelen. Nadat het metaal was gestold, braken de onderzoekers de schalen open om de gietsels te inspecteren, waarbij ze nauwkeurig keken naar de mate waarin de keramiek met het metaal had gereageerd.

Wat ze vonden, was een duidelijke en directe relatie tussen de hoeveelheid toegevoegde yttria en de kwaliteit van het eindproduct. In de schaal met de laagste hoeveelheid yttria was de reactie tussen de keramiek en het metaal heftig. Een dikke laag beschadigd metaal vormde zich op het oppervlak, met een dikte van bijna zeventig micrometer. Deze beschadigde zone, waar de interne structuur van het metaal door de chemische reactie was veranderd, strekte zich diep in de gieting uit, tot een diepte van tweehonderd negenentwintig micrometer. Naarmate de onderzoekers de hoeveelheid yttria in het mengsel verhoogden, kromp deze beschadigde zone drastisch. In de schaal met de hoogste concentratie yttria werd de gecontamineerde laag gereduceerd tot slechts eenentwintig micrometer, en werd de veranderde structuur van het metaal beperkt tot een veel dunnere strook van slechts honderdzeven micrometer.

De verbetering ging niet alleen over dikte; de aard van de reactie veranderde ook. In de schalen met minder yttria viel het calciumzirkonaat bij hoge temperaturen uiteen, waarbij elementen vrijkwamen die reageerden met het titanium om ongewenste verbindingen en een mix van verschillende metaalstructuren te vormen. Echter, naarmate de yttriaconcentratie toenam, fungeerde het als een stabilisator die voorkwam dat de keramiek uiteenviel. In de meest succesvolle schalen bleef het oppervlak van het titanium bijna volledig zuiver en behield het zijn oorspronkelijke structuur zonder de vorming van deze nieuwe, brosse fasen. De onderzoekers observeerden ook dat de keramische schalen zelf sterker werden en minder snel barstten of afbladderden wanneer de yttriaconcentratie hoger was, wat het metaal verder beschermde tegen contaminatie.

Om precies te begrijpen wat er binnenin de schaal gebeurde, analyseerde het team de chemische samenstelling van de lagen met behulp van geavanceerde beeldvorming en röntgentechnieken. Ze ontdekten dat in de schalen met weinig yttria, het keramische materiaal uiteenviel, wat een chaotische mix van oxiden creëerde die agressief reageerde met het gesmolten metaal. Maar wanneer de yttiahoeveelheid hoog was, bleef de keramiek stabiel en vormde het een beschermende barrière die het titanium zuiver hield. Het team mat ook de temperatuur waarbij de reactie tussen de keramiek en het metaal begon op te treden. Ze vonden dat de schalen met meer yttria hogere temperaturen konden weerstaan voordat er een reactie begon, wat bevestigde dat het materiaal thermodynamisch stabieler was geworden.

De studie concludeerde dat er een kantelpunt is voor hoeveel yttria nodig is om dit effectief te laten werken. Wanneer de hoeveelheid yttria onder de veertig procent werd teruggebracht, stopte het materiaal met het fungeren als een primaire beschermende component en werd het in plaats daarvan een minder belangrijke additief die er niet in slaagde de afbraak van de keramiek te voorkomen. Deze verschuiving zorgde ervoor dat de reactielaag aanzienlijk dikker werd, waardoor de voordelen van het composietontwerp teniet werden gedaan. Daarom bepaalden de onderzoekers dat om de beste resultaten te bereiken, de schaal ten minste veertig procent yttria moet bevatten. Deze bevinding biedt een praktische richtlijn voor fabrikanten, waarbij wordt aangetoond dat hoewel het toevoegen van meer van het dure materiaal de prestaties verbetert, een specifieke minimale drempel vereist is om de keramische schaal echt effectief te maken tegen de agressieve aard van gesmolten titanium.