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

想象一下，当你试图将熔融金属倒入模具时，模具本身却开始熔化或与液态金属发生化学反应。这是铸造钛合金时面临的一个持续不断的难题，钛虽然以其强度高、重量轻而备受青睐，但却以在高温下具有极强的化学侵蚀性而闻名。当熔融钛接触陶瓷壳时，它往往会从陶瓷中夺取氧和其他元素，从而在最终零件的表面形成一层损坏的层。这种污染使得金属变得脆弱，无法用于航空发动机或医疗植入物等关键应用领域。几十年来，科学家们一直在寻找一种能够承受这种热量而不发生分解或反应的陶瓷材料，希望能找到一种完美的屏障，使金属保持纯净。

沈阳铸造研究所的研究人员通过混合两种不同的陶瓷材料来制造一个更强大的屏蔽层，从而解决了这个问题。他们首先使用了锆酸钙，这是一种以稳定性著称的陶瓷，但它与钛的反应仍然过大。为了解决这个问题，他们加入了不同比例的氧化钇——这是一种具有极佳耐热性能的稀土氧化物，但单独使用时既困难又昂贵。通过混合这两种材料，该团队旨在创造一种复合壳体，以兼具锆酸钙的低成本和易得性，以及氧化采卓越的耐热性。他们的目标简单而至关重要：观察增加耐热材料的含量是否可以阻止熔融钛对化学物质的攻击，并生产出更洁净、更强韧的铸件。

团队准备了四种不同类型的陶瓷壳，每种壳都含有不同比例的氧化采混合在锆酸钙中。其比例范围从仅含百分之二十氧化采的壳到含有百分之八十氧化采的壳。他们利用一种特殊的液体粘结剂将粉末结合在一起，通过堆叠这些混合物来构建模具层。在将这些壳体干燥并在炉中焙烧后，它们被用于铸造一种被称为 ZTA15 的特定钛合金。该过程包括将熔融金属注入预热后的陶瓷壳中并让其冷却。金属凝固后，研究人员打破了壳体，仔细检查铸件的表面，观察陶瓷与金属的反应程度。

他们发现，氧化采的添加量与最终产品的质量之间存在着明确且直接的关系。在氧化采含量最低的壳体中，陶瓷与金属之间的反应非常剧烈。金属表面形成了一层厚度接近 71 微米的损伤层。这个由于化学反应导致金属内部结构发生改变的损伤区，向铸件内部延伸了 229 微米之深。随着研究人员在混合物中增加氧化采的含量，这个损伤区显著缩小。在氧化采浓度最高的壳体中，污染层减少到了仅 21 微米，且金属结构的改变被限制在仅 107 微米的极薄区域内。

这种改进不仅体现在厚度上，反应的性质也发生了变化。在氧化采含量较低的壳体中，锆酸钙在高温下分解，释放出的元素与钛反应，形成了不希望看到的化合物和混合金属结构。然而，随着氧化采含量的增加，它起到了稳定剂的作用，防止了陶瓷的分解。在最成功的壳体中，钛的表面几乎完全保持纯净，保留了其原始结构，没有形成这些新的脆性相。研究人员还观察到，随着氧化采含量的提高，陶瓷壳本身变得更加坚固，不易开裂或剥落，这进一步保护了金属免受污染。

为了准确了解壳体内发生的情况，团队利用先进的成像和 X 射线技术分析了各层的化学成分。他们发现，在低氧化采含量的壳体中，陶瓷材料发生分解，产生了一种与熔融金属发生剧烈反应的混乱氧化物混合物。但当氧化采含量较高时，陶瓷保持稳定，形成了一个保护屏障，使钛保持纯净。团队还测量了陶瓷与金属开始发生反应的温度。他们发现，含有更多氧化采的壳体可以在没有任何反应发生前承受更高的温度，这证实了该材料在热力学上变得更加稳定。

研究得出结论，要使这项工作有效，氧化采的添加量存在一个临界点。当氧化采的量降低到百分之四十以下时，该材料就不再作为主要的保护组分，而是变成了一种无法防止陶瓷分解的次要添加剂。这种转变导致反应层显著增厚，抵消了复合设计的优势。因此，研究人员确定，为了获得最佳效果，壳体必须含有至少百分之四十的氧化采。这一发现为制造商提供了实用的指导原则，表明虽然增加这种昂贵材料的含量可以提高性能，但必须达到一个特定的最低阈值，才能使陶瓷壳真正有效地对抗熔融钛的侵蚀特性。