隨著科技的飛速發(fā)展，2025年精密鑄造行業(yè)呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球精密鑄造市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)在2025年將進(jìn)一步擴(kuò)大，在航空航天、能源等領(lǐng)域的需求持續(xù)增長(zhǎng)。高溫合金作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的關(guān)鍵材料，其精密鑄造技術(shù)至關(guān)重要，而鑄造用坩堝的性能則直接影響著高溫合金鑄件的質(zhì)量。不同材質(zhì)的坩堝在高溫合金精密鑄造中有著不同的表現(xiàn)和應(yīng)用情況，下面將對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

  一、MgO 質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中的局限性

  《2025-2030年全球及中國精密鑄造行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀調(diào)研及發(fā)展前景分析報(bào)告》指出，在高溫合金精密鑄造過程中，MgO 質(zhì)坩堝的使用效果并不理想。當(dāng)爐內(nèi)真空度為 0.1Pa，合金在 1500℃保溫 5min 時(shí)，在碳脫氧平衡條件下，當(dāng) p (CO)=0.1 Pa，碳含量 (w) 為 3×10??，平衡氧含量 (w) 為 3.11×10?1?時(shí)，計(jì)算得出 p (Mg)=5×103 Pa ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于試驗(yàn)真空度。這使得 Mg 蒸氣揮發(fā)，從而促進(jìn)坩堝向合金熔體供氧。同時(shí)，MgO 還會(huì)與合金中的碳發(fā)生分解反應(yīng)，當(dāng)合金中的氧含量達(dá)到固溶極限時(shí)，分解的氧會(huì)與合金中的其他元素生成 Al?O?夾雜物。此外，熔煉過程中部分 MgO 會(huì)剝落進(jìn)入合金熔體，與 Al?O?生成 MgAl?O?夾雜物。因此，在高溫、高真空的合金精密鑄造工況下，MgO 質(zhì)坩堝難以滿足要求。

  二、Al?O?質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中的耐火材料夾雜問題

  Al?O?質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造工況中存在一定程度的耐火材料夾雜問題。在真空中頻感應(yīng)爐熔煉高溫合金，溫度為 1450℃并保溫 30min 的試驗(yàn)中，Al?O?坩堝與合金發(fā)生界面反應(yīng)，界面反應(yīng)層中 Al、Ti 和 O 元素發(fā)生富集，并溶有 Cr、Ni、Fe 和 Co 等元素。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用 Al?O?熔煉鎳基高溫合金時(shí)，Al?O?會(huì)分解產(chǎn)生 Al?O 和蒸氣，其分解壓大于試驗(yàn)真空度 0.1Pa，導(dǎo)致 Al?O?坩堝會(huì)向合金熔體供氧，并且部分剝落進(jìn)入合金熔體，使合金中夾雜物數(shù)量增加。雖然目前國內(nèi)要求不高的高溫合金鑄造領(lǐng)域廣泛使用剛玉 - 尖晶石材質(zhì)的 Al?O?質(zhì)坩堝，但它仍存在一定缺陷。

  三、CaO 質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中的應(yīng)用限制

  CaO 是一種堿性耐火材料，熔點(diǎn)高達(dá) 2570℃，熱力學(xué)非常穩(wěn)定，從理論上來說不存在對(duì)高溫合金鑄件污染的問題，且價(jià)格便宜，曾被用于冶煉多種合金，如 TiFe 儲(chǔ)氫合金、TiAl 和 TiNi 形狀記憶合金等。然而，在使用 CaO 坩堝真空感應(yīng)熔煉 Ti - 1100 合金時(shí)，發(fā)現(xiàn)坩堝在熔煉過程中會(huì)發(fā)生一定的物理侵蝕及輕微的化學(xué)溶解，這會(huì)直接影響合金的成分及硬度。更為關(guān)鍵的是，CaO 極易水化的性能很難得到改善，這一特性極大地限制了其在工業(yè)中規(guī)?；瘧?yīng)用于高溫合金精密鑄造領(lǐng)域。

  四、ZrO?質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

  從熱力學(xué)角度來看，ZrO?的分解壓較低，具有較好的穩(wěn)定性，并且與合金液潤(rùn)濕性差，是高品質(zhì)高溫合金精密鑄造的理想材質(zhì)之一。在對(duì)鎳基合金與 ZrO?的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)，鎳基合金與 ZrO?最初接觸角和平衡接觸角表明二者不發(fā)生潤(rùn)濕。不過，ZrO?存在抗熱震性差的問題，這在很大程度上限制了它的應(yīng)用。盡管有研究發(fā)現(xiàn)摻雜 0.8%(w) Al?O?的 ZrO?材料在熔煉鎳基高溫合金時(shí)具有較好的抗侵蝕性和抗熱震性，但如何進(jìn)一步提高 ZrO?質(zhì)坩堝的抗熱震性能，仍是高溫合金精密鑄造研究的重點(diǎn)。

  五、Y?O?質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中的應(yīng)用困境

  使用 Y?O?坩堝熔煉后的 TiAl 合金中的氧含量遠(yuǎn)低于其他一些常見坩堝熔煉后的 TiAl 合金中氧含量，且 Y?O?坩堝受合金熔體侵蝕性遠(yuǎn)小于其他耐火材料，熔體受 Y?O?耐火材料的污染量也大大降低。然而，Y?O?坩堝的耐熱沖擊性差，在使用幾次后就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的破損現(xiàn)象，無法實(shí)現(xiàn)重復(fù)性使用，并且 Y?O?相對(duì)昂貴。雖然有研究嘗試通過調(diào)整 Y?O?粉料的級(jí)配來改善其抗熱震性，但熔煉次數(shù)仍遠(yuǎn)低于工業(yè)使用次數(shù)，導(dǎo)致其作為坩堝耐火材料的應(yīng)用受到較大限制。

  六、BaZrO?質(zhì)坩堝在高溫合金精密鑄造中熔鑄活潑金屬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

  BaZrO?質(zhì)坩堝因其獨(dú)特的性能適合熔鑄活潑金屬 Ti 合金。從金屬單質(zhì)與 1mol 氧結(jié)合生成氧化物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化來看，BaZrO?的綜合性能在多種相關(guān)材料中表現(xiàn)最佳。它為立方鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)為 0.4193nm，熔點(diǎn)高達(dá) 2700℃，熱膨脹系數(shù)只有 0.87×10??K?1，熱導(dǎo)率低，在極端熱環(huán)境下有較好的機(jī)械和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用研究中發(fā)現(xiàn)，BaZrO?坩堝與合金熔體沒有界面反應(yīng)，與合金熔體潤(rùn)濕性較差，金屬錠極易與坩堝剝離且表面光潔，對(duì) TiAl 合金熔體具有良好的化學(xué)惰性，對(duì)于合金熔體具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。

  綜上所述，高溫合金精密鑄造對(duì)坩堝的要求極高，不同材質(zhì)的坩堝在高溫合金精密鑄造中各有優(yōu)劣。MgO 質(zhì)坩堝因分解揮發(fā)導(dǎo)致合金液中氧含量增加和夾雜，不適用于高溫高真空工況;CaO 質(zhì)坩堝受水化性能限制難以規(guī)?；瘧?yīng)用;Al?O?質(zhì)坩堝存在分解和夾雜問題，僅適用于要求不高的鑄造領(lǐng)域;Y?O?質(zhì)坩堝雖性能優(yōu)異但成本高且抗熱震性差。而 ZrO?質(zhì)坩堝和 BaZrO?質(zhì)坩堝展現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，其中 ZrO?質(zhì)坩堝是航空航天用高品質(zhì)高溫合金精密鑄造較理想的材質(zhì)，但需進(jìn)一步提高其抗熱震性能，優(yōu)化組成和結(jié)構(gòu);BaZrO?質(zhì)坩堝在熔鑄活潑金屬 Ti 合金方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。未來，對(duì)高品質(zhì)高溫合金精密鑄造用坩堝的研究應(yīng)圍繞這些方向持續(xù)深入，以滿足不斷發(fā)展的精密鑄造行業(yè)需求 。

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