一种含锆高温合金与坩埚耐火材料的界面反应研究*

doi:10.13385/j.cnki.vacuum.2023.03.14

真空 ›› 2023, Vol. 60 ›› Issue (3): 80-85.doi: 10.13385/j.cnki.vacuum.2023.03.14

一种含锆高温合金与坩埚耐火材料的界面反应研究^*

张凤祥¹, 张鹏², 李怡³, 马秀萍¹, 刘东方¹, 万旭杰¹, 张华霞¹

1.北京航空材料研究院股份有限公司高温合金熔铸事业部,北京 100095;
2.空军装备部驻株洲地区军事代表室,湖南株洲 412002;
3.中国航发南方工业有限公司采购部,湖南株洲 412002

收稿日期:2023-03-24 出版日期:2023-05-25 发布日期:2023-05-30
通讯作者: 万旭杰,高级工程师。
作者简介:张凤祥（1991-）,男,河北省唐山市人,博士,工程师。
基金资助:
*科技部重点研发项目青年科学家项目（KZ69230118）; 北京航空材料研究院院级基金项目（ZC00RZ2203）

Interface Reaction Between a Zr Containing Superalloy and Crucible Refractory Material

ZHANG Feng-xiang¹, ZHANG Peng², LI Yi³, MA Xiu-ping¹, LIU Dong-fang¹, WAN Xu-jie¹, ZHANG Hua-xia¹

1. Superalloy Casting Division, Beijing Institute of Aeronautical Materials Co., Ltd., Beijing 100095, China;
2. Air Force of the PLA′s Resident Office in Zhuzhou, Zhuzhou 412002, China;
3. Purchasing Department, Aecc South Industry Co., Ltd., Zhuzhou 412002, China

Received:2023-03-24 Online:2023-05-25 Published:2023-05-30

摘要/Abstract

摘要： 采用浮渣试验、扫描电子显微镜及能谱分析研究了一种含Zr高温合金与不同坩埚耐火材料的界面反应。结果表明,合金中的Zr与氧化物陶瓷坩埚发生反应生成的ZrO₂是合金锭中浮渣的主要来源。MgO坩埚的热力学稳定性较Al₂O₃坩埚更低,其与Zr的反应更剧烈,产生了较多的ZrO₂浮渣。坩埚的微观结构对界面反应同样具有重要影响。当坩埚的致密度较高、表面较光滑时,产生的ZrO₂附着在坩埚表面形成一层致密的ZrO₂层,阻止了Zr与Al₂O₃坩埚的进一步反应。而坩埚的表面较粗糙时,难以形成致密的ZrO₂层,产生的ZrO₂进入合金熔体形成浮渣。因此采用致密度高、组织细腻、表面质量好的Al₂O₃坩埚有利于降低合金熔体与坩埚耐火材料的反应,减少合金锭的污染。

关键词: 高温合金, 耐火材料, 浮渣, 界面反应, Zr

Abstract: The interface reaction between a Zr containing superalloy and different crucible refractory materials was investigated by dross test, scanning electron microscope(SEM) and energy dispersive spectroscopy(EDS). The results show that the ZrO₂ produced by the reaction between Zr in superalloy and oxide ceramic crucible is the main source of dross in alloy ingot. The thermodynamic stability of MgO crucible is lower than that of Al₂O₃ crucible, and its reaction with Zr is more intense, resulting in more ZrO₂ dross. The microstructure of crucible also has an important influence on the interfacial reaction. When the density of the crucible is high and the surface is smooth, the generated ZrO₂ is attached to the crucible surface to form a dense ZrO₂ layer, which prevents the further reaction between Zr and Al₂O₃ crucible. When the surface of the crucible is rough, it is difficult to form a dense ZrO₂ layer, and the generated ZrO₂ enters the alloy melt to form dross. Therefore, the use of Al₂O₃ crucible with high density, fine structure and good surface quality is conducive to reduce the reaction between superalloy and crucible refractory, and reduce the pollution of alloy ingot.

Key words: superalloy, refractory material, dross, interface reaction, Zr

中图分类号: TG249.5

张凤祥, 张鹏, 李怡, 马秀萍, 刘东方, 万旭杰, 张华霞. 一种含锆高温合金与坩埚耐火材料的界面反应研究^*[J]. 真空, 2023, 60(3): 80-85.

ZHANG Feng-xiang, ZHANG Peng, LI Yi, MA Xiu-ping, LIU Dong-fang, WAN Xu-jie, ZHANG Hua-xia. Interface Reaction Between a Zr Containing Superalloy and Crucible Refractory Material[J]. VACUUM, 2023, 60(3): 80-85.

参考文献 21

[1]	王会阳, 安云岐, 李程宇, 等. 镍基高温合金材料的研究进展[J]. 材料导报, 2011(2): 482-486.
[2]	尚根峰. 含稀土、钙元素的镍基单晶高温合金与铸型界面反应研究及氧化行为评价[D]. 赣州: 江西理工大学, 2018.
[3]	郑亮, 肖程波, 张国庆, 等. 高Cr 铸造镍基高温合金K4648与陶瓷型芯的界面反应研究[J].航空材料学报, 2012, 32(3): 10-22.
[4]	姚建省, 唐定中, 刘晓光, 等. DD6 单晶高温合金与陶瓷型壳的界面反应[J]. 航空材料学报, 2015, 35(6): 1-7.
[5]	姚建省, 李鑫, 王丽丽, 等. Al2O3型壳与DD6单晶合金的界面反应[J]. 稀有金属材料与工程, 2018, 47(3):840-845.
[6]	王丽丽, 李嘉荣, 唐定中, 等.SiO2-ZrO2陶瓷型芯与DZ125, DD5和DD6三种铸造高温合金的界面反应[J]. 材料工程, 2016, 44(3): 9-14.
[7]	訾赟. Re和Y元素对高温合金熔体与陶瓷材料界面反应的影响[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2020.
[8]	陈晓燕, 周亦胄, 张朝威, 等. Hf对一种高温合金与陶瓷材料润湿性及界面反应的影响[J].金属学报, 2014, 50(8): 1019-1024.
[9]	姜卫国, 郭万军, 董琳, 等. 氧化铝坩埚与高温合金的界面反应机制[J]. 特种铸造及有色合金,2023,43(3): 308-313.
[10]	张轶波, 郑亮, 许文勇,等. 莫来石基耐火材料夹杂物与粉末冶金高温合金FGH96界面反应[J]. 航空材料学报, 2022, 42(2): 20-28.
[11]	ZHAO Y, WANG L, CHEN C, et al.Effect of a MgO-CaO-ZrO2-based refractory on the cleanliness of a K4169 Ni-based superalloy[J]. Ceramics International, 2023, 49(1): 117-125.
[12]	WAN B, ZHANG H, GAO M, et al.High-temperature wettability and interactions between Hf-containing NbSi-based alloys and Y2O3 ceramics with various microstructures[J]. Materials & Design, 2018, 138: 103-110.
[13]	HORIE T, KONO T, KISHIMOTO Y, et al.The effect of CaO-MgOmixture on desulfurization of molten Ni-base superalloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions B, 2021,52:3558.
[14]	WAN B, ZHANG H, RAN C, et al.High-temperature wettability and interactions between NbSi-based alloys and Y2O3 ceramics[J]. Ceramics International, 2018, 44(1): 32-39.
[15]	陈晓燕, 肖旅, 余建波, 等. 熔模铸造高温合金与陶瓷材料界面反应研究进展[J]. 特种铸造及有色合金, 2016, 36(8): 844-848.
[16]	吴笑非, 姚建省, 王丽丽, 等. Al2O3型壳与定向凝固合金IC10的界面反应[J]. 材料工程, 2021, 49(7): 141-147.
[17]	WANG E H.Metal-mold reactions in CMSX-4 single crystal superalloy castings[D]. Reno: University of Nevada, 2009.
[18]	KRITSALIS P, MERLIN V, COUDURIER L, et al.Effect of Cr on interfacialinteraction and wetting mechanisms in Ni alloy/Alumina systems[J]. Acta Metallurgica et Materialia, 1992,40(6): 1167-1175.
[19]	宋庆忠, 潜坤, 舒磊,等. 镍基高温合金K417G与氧化物耐火材料的界面反应[J]. 金属学报, 2022, 58(7): 868-882.
[20]	LI Q, ZHANG H, GAO M, et al.High-temperature wetting behavior of molten Ni-based superalloy on Y2O3 ceramics with different surface microstructures[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2021, 294:117094.
[21]	中国金属学会高温材料分会. 中国高温合金手册: 下卷[M].北京: 中国标准出版社, 2012.

Metrics

Viewed

Full text

Abstract

Cited

Shared

Discussed

一种含锆高温合金与坩埚耐火材料的界面反应研究^*

Interface Reaction Between a Zr Containing Superalloy and Crucible Refractory Material

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献 21

相关文章 9

Metrics

本文评价

推荐阅读 10

[1]	张凤祥, 马国宏, 万旭杰, 马秀萍, 吴柯汉, 张华霞. 真空浇注过程中高温合金锭表面气孔产生原因分析[J]. 真空, 2023, 60(4): 80-84.
[2]	孙雯君, 冯欣格, 宋伊, 裴晓强, 吴成耀. Zr/ZrVFe多孔吸气材料的表面改性研究[J]. 真空, 2022, 59(6): 17-21.
[3]	刘洋, 张雅楠, 高晟元, 赵祯赟, 郑明昊, 黄美东. 多弧离子镀Zr/ZrN多层膜的力学性能研究^*[J]. 真空, 2022, 59(5): 28-31.
[4]	辛先峰, 刘林根, 林国强, 董闯, 丁万昱, 张爽, 王棋震, 李军, 万鹏. Zr₅₅Cu₃₀Al₁₀Ni₅非晶薄膜的制备与性能研究^*[J]. 真空, 2022, 59(5): 1-6.
[5]	刘晓功, 姜楠, 郝齐赞, 罗亮, 史振学, 骆宇时. 单晶高温合金铸件尺寸效应实验研究[J]. 真空, 2022, 59(3): 80-85.
[6]	宋静思, 王婷, 李秀章, 陈久强, 张哲魁. 一种大型真空精密铸造炉结构布局的研究[J]. 真空, 2021, 58(2): 31-36.
[7]	谭飞, 林松盛, 石倩, 代明江, 杜伟, 汪云程, 吕亮. 电弧离子镀制备NiCrAlY涂层及其抗高温氧化性能^*[J]. 真空, 2020, 57(5): 7-10.
[8]	赵宇辉, 赵吉宾, 王志国, 王福雨. Inconel 625镍基高温合金激光增材制造内应力控制方式研究^*[J]. 真空, 2020, 57(3): 73-79.
[9]	赵宇辉, 赵吉宾, 王志国. Inconel 625镍基高温合金激光增材制造翘曲变形行为研究^*[J]. 真空, 2020, 57(2): 88-93.