高温合金与陶瓷材料的界面润湿和反应机理研究

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高温合金铸造过程中,合金与陶瓷型壳及型芯材料的界面反应会使得铸件表面形成反应层或粘砂层等表面缺陷,降低铸件表面质量,影响铸件的尺寸精度和后续加工。合金熔体与陶瓷材料的润湿性与界面反应密切相关,界面反应一般会增大润湿性,使得合金熔体更容易渗入陶瓷面层的孔隙而造成铸件表面粗糙等问题。合金中的活性元素、陶瓷材料成分、合金浇注温度等是影响界面反应的重要因素。因此,开展高温合金与陶瓷材料的润湿性及界面反应研究、探讨合金中活性元素以及陶瓷材料成分对高温合金/陶瓷材料界面反应的影响具有重要的理论和现实意义。  采用座滴法以及实际浇注法,以一种镍基单晶高温合金为研究对象,通过单独改变合金中活性元素Hf和C的含量,研究了合金中活性元素Hf和C对高温合金与陶瓷型壳材料界面反应及润湿性的影响。采用扫描电镜观察界面反应产物形貌、通过XRD和XPS分析产物的物相。实验结果表明,Hf与陶瓷材料的反应产物为HfO2,并且界面反应发生的必要条件是Hf的含量达到一个临界值(本研究中为1.5 wt.%),界面反应发生的过程为Hf置换陶瓷材料中的SiO2形成HfO2。当合金中C含量大于0.1 wt.%时,C与陶瓷材料的反应过程为C与SiO2发生置换反应生成气体,从而促进合金中Cr氧化形成Cr2O3的过程。Cr2O3会与陶瓷型壳中Al2O3结合生成络合物9Al2O3·Cr2O3。  Hf含量小于1wt.%时,Hf在界面处的富集会增大体系润湿性。Hf含量大于1.5wt.%时,体系润湿性的增大主要是由界面反应所致。C含量小于0.1 wt.%时,C含量的增加基本不会改变体系润湿性,而当C含量大于0.1 wt.%时,界面反应或前驱膜效应会增大体系润湿性。  以高纯刚玉为基体材料,通过向其中添加不同含量的微量氧化物Na2O、Fe2O3或CaO,研究了陶瓷中微量氧化物Na2O、Fe2O3或CaO对一种镍基单晶高温合金与陶瓷材料界面稳定性及润湿性的影响。结果表明,当陶瓷材料中Na2O或Fe2O3的添加量在2.5 wt.%以内时,对陶瓷材料与实验合金的界面稳定性及润湿性均无影响。陶瓷材料中CaO的添加量在0.2 wt.%以内时,对陶瓷材料与实验合金的界面稳定性及润湿性亦无影响,当添加0.4 wt.%及2wt.%CaO时,会影响陶瓷材料与合金之间的界面化学稳定性,界面处有新物质产生,润湿角有小幅度降低。高纯氧化铝中Na2O、CaO及Fe2O3对实验合金与陶瓷材料化学稳定性的影响程度依次为CaO>Na2O>Fe2O3。  以含有锆英石的硅基陶瓷型芯材料为研究对象,研究了一种定向高温合金与陶瓷型芯材料的界面反应及润湿性。研究发现,硅基陶瓷型芯材料与高温合金的界面反应同样受合金中C含量的影响,当C含量为0.08 wt.%时,合金与陶瓷型芯材料之间无界面反应;C含量为0.2 wt.%时,合金与陶瓷材料之间发生界面反应,陶瓷材料中ZrSiO4部分分解,合金底部的反应产物主要有Al2O3以及Zr的氧化物;陶瓷表面呈现前驱膜现象,前驱膜中主要组成为Cr2O3,界面反应使得体系润湿角减小。
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