Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的多維度探究一、緒論1.1研究背景與意義高溫合金，作為一類能在600℃以上高溫及一定應力作用下長期工作的金屬材料，因其具備較高的高溫強度、良好的抗氧化和抗腐蝕性能，以及優(yōu)良的疲勞性能與斷裂韌性等綜合性能，在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位。在航空航天領(lǐng)域，高溫合金是制造航空發(fā)動機熱端部件的關(guān)鍵材料，如燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤等，這些部件在發(fā)動機運行時承受著高溫、高壓和高應力的極端工作條件，高溫合金的優(yōu)異性能確保了發(fā)動機的高效、穩(wěn)定運行，其用量占發(fā)動機總重量的40%-60%，直接關(guān)系到航空發(fā)動機的性能和可靠性，進而影響飛行器的飛行性能、安全性和經(jīng)濟性。在能源領(lǐng)域，無論是發(fā)電用燃氣輪機，還是艦船用燃氣輪機，高溫合金在其燃燒室、過渡導管、導向葉片、渦輪工作葉片以及渦輪盤等關(guān)鍵部件中都有著不可或缺的應用，是保障能源高效轉(zhuǎn)換和穩(wěn)定供應的重要基礎(chǔ)材料；在核電領(lǐng)域，高溫合金用于制造燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格架，以及高溫氣體爐熱交換器等關(guān)鍵部件，對核電站的安全穩(wěn)定運行起著關(guān)鍵作用。此外，在汽車工業(yè)、石油化工、冶金、玻璃制造等行業(yè)，高溫合金也被廣泛應用于制造耐高溫、耐腐蝕的關(guān)鍵零部件，如汽車發(fā)動機和廢氣增壓器渦輪、高溫高壓管道、閥門、熱交換器、高溫爐窯的爐襯和爐管、玻璃熔爐的耐火材料和熱交換器等，支撐著這些行業(yè)的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)進步。熔模精密鑄造技術(shù)是制備高溫合金復雜零部件的重要方法之一，在航空航天、能源等領(lǐng)域的高溫合金部件制造中應用廣泛。該技術(shù)通過在蠟模表面涂覆多層陶瓷漿料，形成陶瓷型殼，然后脫蠟、焙燒，最后將高溫合金熔體澆注入型殼中，冷卻凝固后獲得所需的鑄件。在熔模鑄造過程中，陶瓷型殼和型芯作為高溫合金熔體的成型載體，與高溫合金熔體在高溫、高真空條件下長時間緊密接觸。然而，高溫合金中的一些活性元素（如Ti、Hf、Zr等）化學性質(zhì)活潑，極易與陶瓷型殼/型芯中的氧化物組元（如SiO?、Al?O?、ZrO?等）發(fā)生復雜的界面反應。這種界面反應會導致一系列嚴重問題：在鑄件表面，可能形成粘砂、麻點、氣孔等缺陷，使鑄件表面質(zhì)量惡化，影響鑄件的尺寸精度，增加后續(xù)加工的難度和成本；在合金內(nèi)部，會產(chǎn)生夾雜物，這些夾雜物破壞了合金的基體連續(xù)性，降低了鑄件的力學性能，如強度、韌性、疲勞性能等，嚴重時甚至導致鑄件報廢，極大地影響了精鑄件的生產(chǎn)合格率，增加了生產(chǎn)成本，制約了高溫合金精密鑄造技術(shù)的進一步發(fā)展和應用。隨著現(xiàn)代工業(yè)對高溫合金零部件性能要求的不斷提高，航空發(fā)動機渦輪前進氣口溫度持續(xù)上升，對高溫合金的承溫能力提出了更高挑戰(zhàn)。為滿足這一需求，先進高溫合金的熔鑄溫度不斷提高，接近1600℃，這使得合金熔體與陶瓷界面的物理化學作用進一步加劇，界面反應問題愈發(fā)突出。同時，為了實現(xiàn)航空發(fā)動機等設(shè)備的高性能、輕量化和小型化，高溫合金鑄件的結(jié)構(gòu)越來越復雜，薄壁、空心等設(shè)計特征增加，這也對熔模鑄造過程中合金熔體與陶瓷材料的界面質(zhì)量提出了更高要求。因此，深入研究高溫合金熔體與陶瓷材料的界面反應，揭示其反應機制和影響因素，尋找有效的抑制和改善方法，對于提高高溫合金精鑄件的質(zhì)量和性能，降低生產(chǎn)成本，推動高溫合金精密鑄造技術(shù)的發(fā)展，滿足航空航天、能源等領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芨邷睾辖鹆悴考男枨缶哂兄匾默F(xiàn)實意義。Re（錸）和Y（釔）作為兩種重要的合金化元素，在高溫合金中具有獨特的作用。Re具有高熔點、高硬度和良好的高溫強度等特性，在高溫合金中添加Re元素，可以顯著提高合金的高溫強度、抗蠕變性能和抗氧化性能。Re能夠固溶強化合金基體，阻礙位錯運動，提高合金的高溫變形抗力；同時，Re還可以促進γ'相（一種金屬間化合物，是高溫合金的主要強化相）的析出和長大，增加γ'相的體積分數(shù)和穩(wěn)定性，從而進一步提高合金的高溫強度和抗蠕變性能。此外，Re元素可以改善合金的抗氧化性能，在合金表面形成致密的氧化膜，阻止氧氣進一步侵入合金內(nèi)部，提高合金的高溫抗氧化能力。Y元素具有很強的化學活性，在高溫合金中添加Y元素，可以有效改善合金的抗氧化、抗熱腐蝕性能以及鑄造性能。Y元素可以細化合金晶粒，改善合金的組織結(jié)構(gòu)，提高合金的強度和韌性；Y元素能夠在合金表面形成穩(wěn)定的氧化物保護膜，提高合金的抗氧化和抗熱腐蝕性能；在鑄造過程中，Y元素可以降低合金熔體的表面張力，提高合金的流動性，有利于合金熔體填充鑄型，減少鑄造缺陷的產(chǎn)生。然而，目前關(guān)于Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的影響研究還相對較少，其作用機制尚不完全明確。研究Re和Y元素在高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應中的作用，對于深入理解界面反應的本質(zhì)，探索通過合金成分優(yōu)化來控制界面反應的方法具有重要的理論意義。通過揭示Re和Y元素對界面反應的影響規(guī)律，可以為高溫合金的成分設(shè)計和熔模鑄造工藝優(yōu)化提供科學依據(jù)，有助于開發(fā)出具有更好界面兼容性的高溫合金材料和陶瓷型殼/型芯材料，從而有效抑制界面反應，提高高溫合金精鑄件的質(zhì)量和性能，具有重要的工程應用價值。1.2高溫合金概述高溫合金，又被稱為超合金，是一類以鐵、鎳、鈷為基，能夠在600℃以上的高溫及一定應力作用下長期穩(wěn)定工作的金屬材料。其憑借在高溫環(huán)境下展現(xiàn)出的較高強度、良好的抗氧化和抗腐蝕性能，以及出色的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能，在現(xiàn)代工業(yè)的眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，成為支撐高端裝備制造和先進工業(yè)發(fā)展的重要基礎(chǔ)材料。按照基體元素的種類，高溫合金可分為鐵基高溫合金、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。鐵基高溫合金以鐵為主要成分，通過添加鉻、鎳、鎢等合金元素進行強化，其使用溫度一般在750-780℃，由于高溫穩(wěn)定性相對較差，在更高溫度下使用時受到一定限制，但因其成本較低，在一些對溫度要求不是特別苛刻的場合仍有應用，如部分工業(yè)燃氣輪機的非關(guān)鍵部件。鎳基高溫合金以鎳為基體，加入鋁、鈦等元素形成γ'相進行強化，具有優(yōu)異的抗氧化和抗蠕變性能，能在650℃以上的高溫環(huán)境中保持良好的機械性能，在整個高溫合金領(lǐng)域占據(jù)著特殊重要的地位，是制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機最熱端部件的關(guān)鍵材料，如航空發(fā)動機的渦輪葉片、燃燒室、渦輪盤等，這些部件在發(fā)動機運行時承受著高溫、高壓和高應力的極端工作條件，鎳基高溫合金的優(yōu)異性能確保了發(fā)動機的高效、穩(wěn)定運行。鈷基高溫合金則以鈷為基體，通過添加鎳、鎢等其他合金元素來提升其高溫性能，雖然具有良好的高溫強度和抗熱腐蝕性能，但由于鈷資源稀缺，成本較高，其發(fā)展和應用受到一定制約，主要應用于一些對高溫性能要求極高且對成本不太敏感的特殊領(lǐng)域，如航空發(fā)動機的火焰筒等部件。依據(jù)制造工藝的差異，高溫合金又可細分為變形高溫合金、鑄造高溫合金和粉末冶金高溫合金。變形高溫合金具有良好的塑性，能夠通過鍛造、軋制、擠壓等熱、冷變形加工方式，制成各種形狀的零件，其工作溫度范圍為-253～1320℃，具有優(yōu)良的力學性能和綜合的強、韌性指標，以及較高的抗氧化、抗腐蝕性能。根據(jù)熱處理工藝的不同，變形高溫合金又可分為固溶強化型合金和時效強化型合金。固溶強化型合金的使用溫度范圍通常為900～1300℃，最高抗氧化溫度可達1320℃，如GH128合金，室溫拉伸強度為850MPa、屈服強度為350MPa；1000℃拉伸強度為140MPa、延伸率為85%，1000℃、30MPa應力的持久壽命為200小時、延伸率40%，常用于制作航空、航天發(fā)動機燃燒室、機匣等部件。時效強化型合金的使用溫度為-253～950℃，一般用于制作航空、航天發(fā)動機的渦輪盤與葉片等結(jié)構(gòu)件，制作渦輪盤的合金工作溫度為-253～700℃，要求具備良好的高低溫強度和抗疲勞性能，例如GH4169合金，在650℃的最高屈服強度達1000MPa；制作葉片的合金溫度可達950℃，如GH220合金，950℃的拉伸強度為490MPa，940℃、200MPa的持久壽命大于40小時。鑄造高溫合金是指那些只能或可以用鑄造方法成型零件的高溫合金。與變形高溫合金相比，鑄造高溫合金具有更寬的成分范圍，因為在合金設(shè)計時無需過多考慮其變形加工性能，可以集中精力優(yōu)化其使用性能。以鎳基高溫合金為例，可通過調(diào)整成分使γ'含量達60%或更高，從而在高達合金熔點85%的溫度下，合金仍能保持優(yōu)良性能。此外，鑄造高溫合金還具有更廣闊的應用領(lǐng)域，由于鑄造方法具有獨特的優(yōu)勢，可根據(jù)零件的使用需求，設(shè)計、制造出近終形或無余量的具有任意復雜結(jié)構(gòu)和形狀的高溫合金鑄件。根據(jù)鑄造合金的使用溫度，可分為在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金、在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金以及在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金。在-253～650℃使用的等軸晶鑄造高溫合金，如K4169合金，在航空、航天發(fā)動機上用量較大，其650℃拉伸強度為1000MPa、屈服強度850MPa、拉伸塑性15%；650℃，620MPa應力下的持久壽命為200小時，已用于制作航空發(fā)動機中的擴壓器機匣及航天發(fā)動機中各種泵用復雜結(jié)構(gòu)件等。在650～950℃使用的等軸晶鑄造高溫合金，如K419合金，950℃時，拉伸強度大于700MPa、拉伸塑性大于6%；950℃，200小時的持久強度極限大于230MPa，這類合金適用于制作航空發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片及整鑄渦輪。在950～1100℃使用的定向凝固柱晶和單晶高溫合金，如DD402單晶合金，1100℃、130MPa的應力下持久壽命大于100小時，是國內(nèi)使用溫度最高的渦輪葉片材料，適用于制作新型高性能發(fā)動機的一級渦輪葉片。粉末冶金高溫合金是采用霧化高溫合金粉末，經(jīng)熱等靜壓成型或熱等靜壓后再經(jīng)鍛造成型的生產(chǎn)工藝制造出的高溫合金產(chǎn)品。采用粉末冶金工藝，由于粉末顆粒細小，冷卻速度快，使得合金成分均勻，無宏觀偏析，而且晶粒細小，熱加工性能好，金屬利用率高，成本低，尤其是合金的屈服強度和疲勞性能有較大的提高。例如FGH95粉末冶金高溫合金，650℃拉伸強度1500MPa；1034MPa應力下持久壽命大于50小時，是當前在650℃工作條件下強度水平最高的一種盤件粉末冶金高溫合金，能夠滿足應力水平較高的發(fā)動機的使用要求，是高推重比發(fā)動機渦輪盤、壓氣機盤和渦輪擋板等高溫部件的理想選擇材料。隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，對高溫合金的性能要求也在不斷提高。在航空航天領(lǐng)域，為了提高飛行器的性能和燃油效率，航空發(fā)動機的渦輪前進氣口溫度持續(xù)上升，這就要求高溫合金具備更高的承溫能力和更好的綜合性能。同時，為了實現(xiàn)航空發(fā)動機的高性能、輕量化和小型化，高溫合金鑄件的結(jié)構(gòu)越來越復雜，薄壁、空心等設(shè)計特征不斷增加，這對高溫合金的鑄造工藝和材料性能提出了更高的挑戰(zhàn)。在能源領(lǐng)域，隨著燃氣輪機技術(shù)的不斷進步，對高溫合金的高溫強度、抗氧化性能和抗熱腐蝕性能要求也越來越高，以提高燃氣輪機的效率和可靠性。此外，隨著環(huán)保要求的日益嚴格，高溫合金在耐腐蝕、耐磨損等方面也面臨著新的挑戰(zhàn)。為了應對這些挑戰(zhàn)，高溫合金的發(fā)展趨勢主要集中在以下幾個方面：一是通過優(yōu)化合金成分和微觀組織結(jié)構(gòu)，進一步提高高溫合金的性能，如開發(fā)新型的合金體系，添加稀有元素或微量元素，以改善合金的高溫強度、抗氧化性能和抗熱腐蝕性能等；二是發(fā)展先進的制備工藝，如增材制造技術(shù)、定向凝固技術(shù)、粉末冶金技術(shù)等，以提高高溫合金的質(zhì)量和性能，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)件的近凈成型；三是加強高溫合金與陶瓷等材料的復合技術(shù)研究，開發(fā)出具有更高性能的復合材料，以滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿奶厥庖蟆＞C上所述，高溫合金作為現(xiàn)代工業(yè)中不可或缺的關(guān)鍵材料，在航空航天、能源、汽車等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。隨著科技的不斷進步和工業(yè)的快速發(fā)展，高溫合金的應用領(lǐng)域?qū)⒉粩嗤卣?，對其性能和質(zhì)量的要求也將越來越高。因此，深入研究高溫合金的性能、制備工藝和應用技術(shù)，對于推動高溫合金材料的發(fā)展和滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求具有重要意義。1.3陶瓷型殼及陶瓷型芯在熔模精密鑄造工藝中，陶瓷型殼和陶瓷型芯是不可或缺的關(guān)鍵組成部分，它們直接與高溫合金熔體接觸，對高溫合金鑄件的質(zhì)量和性能起著決定性作用。陶瓷型殼作為高溫合金熔體的外部成型模具，常用的材料主要有硅溶膠-剛玉系、硅溶膠-鋯英石系、硅酸乙酯-剛玉系、硅酸乙酯-鋯英石系等。其中，硅溶膠-剛玉系型殼具有較高的高溫強度和抗熱震性能，成本相對較低，應用較為廣泛；硅溶膠-鋯英石系型殼則具有較低的熱膨脹系數(shù)和良好的抗化學侵蝕性能，適用于對尺寸精度和表面質(zhì)量要求較高的鑄件。其制備工藝一般包括蠟模制作、面層涂料制備與涂掛、撒砂、干燥、硬化、背層涂料制備與涂掛、脫蠟、焙燒等多個步驟。首先，制作與鑄件形狀相同的蠟模，這是整個鑄造過程的基礎(chǔ)；然后，將蠟模浸入由粘結(jié)劑（如硅溶膠）和耐火粉料（如剛玉粉、鋯英粉等）配制而成的面層涂料中，使蠟模表面均勻地附著一層涂料，隨后在涂料表面撒上一層較細的砂粒，通過干燥和硬化過程，使涂料層固化，形成具有一定強度和透氣性的面層型殼；接著，重復上述步驟，進行背層涂料的涂掛和撒砂，背層涂料中砂粒的粒度通常比面層的粗，以增加型殼的整體強度；完成多層涂掛和撒砂后，通過蒸汽或熱水等方式將蠟模從型殼中去除，得到中空的型殼；最后，將型殼放入高溫爐中進行焙燒，進一步提高型殼的強度和尺寸穩(wěn)定性。陶瓷型殼具有較高的高溫強度和剛度，能夠承受高溫合金熔體的沖刷和靜壓力，保持鑄件的形狀和尺寸精度；同時，它還具有良好的透氣性，能夠使?jié)沧⑦^程中產(chǎn)生的氣體順利排出，避免鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷；此外，型殼的熱膨脹系數(shù)與高溫合金應盡量匹配，以減少在冷卻過程中由于收縮差異而產(chǎn)生的應力，防止鑄件出現(xiàn)裂紋。在航空發(fā)動機渦輪葉片的熔模鑄造中，陶瓷型殼能夠精確地復制出葉片的復雜形狀，保證葉片的尺寸精度和表面質(zhì)量，為葉片的高性能運行提供了基礎(chǔ)保障。陶瓷型芯則是用于形成高溫合金鑄件內(nèi)部復雜空腔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，常用的材料有石英玻璃、氧化鋁、氧化鋯、硅酸鋁等。石英玻璃型芯具有良好的高溫穩(wěn)定性和較低的熱膨脹系數(shù)，且易于脫除，在一些對型芯脫除要求較高的鑄件中應用較多；氧化鋁型芯具有較高的強度和抗熱震性能，適用于承受較大熱應力和機械應力的型芯；氧化鋯型芯具有優(yōu)異的耐高溫和隔熱性能，常用于對高溫性能要求極高的鑄件型芯。其制備工藝主要有注射成型、干壓成型、等靜壓成型、凝膠注模成型等。注射成型是將混有粘結(jié)劑的陶瓷粉末與適量的潤滑劑制成具有良好流動性的注射料，通過注射機注入模具型腔中成型；干壓成型是將經(jīng)過加工的具有一定粒度分布的陶瓷粉末放入模具中，在一定壓力下使其致密化成型；等靜壓成型是利用液體介質(zhì)均勻傳遞壓力的特性，將陶瓷粉末放入彈性模具中，置于高壓容器中，通過液體介質(zhì)均勻施加壓力，使粉末在各個方向上受到相同的壓力而壓實成型；凝膠注模成型是將有機單體、交聯(lián)劑、引發(fā)劑等添加劑加入陶瓷粉末的懸浮液中，通過化學反應使體系發(fā)生交聯(lián)聚合，形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而使陶瓷漿料固化成型。陶瓷型芯需要具備較高的高溫強度和抗熱震性能，以保證在高溫合金熔體澆注和凝固過程中不發(fā)生變形或破裂；同時，它還應具有良好的脫芯性能，在鑄件凝固后能夠方便、快捷地從鑄件中去除，不殘留有害物質(zhì)，不影響鑄件的性能；此外，型芯的尺寸精度和表面質(zhì)量也直接影響著鑄件內(nèi)腔的尺寸精度和表面質(zhì)量。例如，在航空發(fā)動機空心渦輪葉片的鑄造中，陶瓷型芯用于形成葉片內(nèi)部的冷卻通道，其尺寸精度和表面質(zhì)量直接關(guān)系到葉片的冷卻效果和使用壽命。陶瓷型殼和陶瓷型芯在高溫合金熔模鑄造中應用廣泛，是實現(xiàn)高溫合金復雜零部件精密成型的關(guān)鍵技術(shù)要素。隨著現(xiàn)代工業(yè)對高溫合金鑄件性能和質(zhì)量要求的不斷提高，對陶瓷型殼和陶瓷型芯的性能也提出了更高的要求。未來，陶瓷型殼和陶瓷型芯的發(fā)展趨勢將朝著高性能、低成本、環(huán)保型方向發(fā)展。在材料方面，將研發(fā)新型的高溫陶瓷材料，如具有更低熱膨脹系數(shù)、更高高溫強度和抗熱震性能的復合材料；在制備工藝方面，將不斷創(chuàng)新和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，如采用數(shù)字化、智能化的制備技術(shù)，實現(xiàn)陶瓷型殼和陶瓷型芯的精準制造；在應用方面，將進一步拓展其在航空航天、能源、汽車等領(lǐng)域的應用范圍，滿足不同行業(yè)對高溫合金鑄件的需求。1.4高溫合金熔體與陶瓷材料的界面相互作用在高溫合金的熔模精密鑄造過程中，高溫合金熔體與陶瓷型殼和陶瓷型芯之間存在著復雜的界面相互作用，這種相互作用涵蓋了物理和化學兩個層面，對高溫合金鑄件的質(zhì)量和性能產(chǎn)生著至關(guān)重要的影響。深入探究這些界面相互作用的機制和規(guī)律，對于優(yōu)化熔模鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量具有重要的理論和實際意義。1.4.1界面物理作用高溫合金熔體與陶瓷材料界面間的物理作用主要包括潤濕和吸附等現(xiàn)象。潤濕是指液體在固體表面上的鋪展程度，它是衡量液體與固體之間相互作用的重要指標。在高溫合金熔體與陶瓷材料的界面中，潤濕現(xiàn)象對界面結(jié)合強度和鑄件質(zhì)量有著顯著影響。當高溫合金熔體與陶瓷材料接觸時，如果熔體能夠較好地潤濕陶瓷表面，那么熔體就能夠在陶瓷表面均勻鋪展，形成良好的界面結(jié)合，有利于提高鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量；反之，如果熔體對陶瓷表面的潤濕性較差，熔體就容易在陶瓷表面形成球狀液滴，導致界面結(jié)合不良，鑄件表面可能出現(xiàn)氣孔、夾砂等缺陷。研究表明，高溫合金熔體對陶瓷材料的潤濕性受到多種因素的影響，如合金成分、陶瓷材料的表面性質(zhì)、溫度等。合金中的某些元素（如Ti、Zr等）可以降低熔體的表面張力，提高熔體對陶瓷材料的潤濕性；陶瓷材料的表面粗糙度、化學成分和晶體結(jié)構(gòu)等也會影響熔體的潤濕性，表面粗糙度較大的陶瓷材料通常更容易被熔體潤濕；溫度的升高一般會使熔體的表面張力降低，從而改善熔體對陶瓷材料的潤濕性。在鎳基高溫合金熔體與氧化鋁陶瓷型殼的界面中，隨著溫度的升高，合金熔體對氧化鋁陶瓷的潤濕性逐漸增強，界面接觸角減小，有利于提高界面結(jié)合強度。吸附是指物質(zhì)在界面上的富集現(xiàn)象，高溫合金熔體中的某些元素可能會吸附在陶瓷材料的表面，從而改變界面的物理和化學性質(zhì)。這種吸附作用可能會影響界面的潤濕性、界面能以及后續(xù)的化學反應。一些活性元素（如Ti、Hf等）在高溫下具有較強的化學活性，它們可能會優(yōu)先吸附在陶瓷材料的表面，與陶瓷中的氧化物發(fā)生化學反應，形成一層反應產(chǎn)物膜，這層膜不僅會改變界面的化學成分和結(jié)構(gòu)，還會對界面的物理性能產(chǎn)生影響。吸附作用還可能會影響高溫合金熔體在陶瓷型殼中的流動和填充行為，進而影響鑄件的質(zhì)量。如果吸附作用導致熔體在型殼表面的流動性變差，可能會使鑄件出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷。1.4.2界面化學作用高溫合金熔體與陶瓷材料界面間的化學反應是一個復雜的過程，涉及多種化學反應類型。在高溫合金中，通常含有一些化學性質(zhì)活潑的元素，如Ti、Hf、Zr等，這些元素在高溫下極易與陶瓷型殼/型芯中的氧化物組元（如SiO?、Al?O?、ZrO?等）發(fā)生化學反應。常見的化學反應類型包括氧化還原反應、置換反應、化合反應等。在鎳基高溫合金熔體與SiO?陶瓷型芯的界面反應中，合金中的Ti元素會與SiO?發(fā)生氧化還原反應，Ti被氧化為TiO?，而SiO?中的Si被還原出來，反應方程式為：2Ti+SiOa??=2TiOa??+Si；合金中的Hf元素也可能與SiO?發(fā)生置換反應，生成HfO?和Si，反應方程式為：Hf+SiOa??=HfOa??+Si。此外，合金中的Al元素可能與陶瓷中的氧化物發(fā)生化合反應，形成新的化合物，如Al與ZrO?反應可能生成Al?ZrO?。這些化學反應會產(chǎn)生一系列的反應產(chǎn)物，如氧化物、金屬間化合物、復合氧化物等。不同的反應產(chǎn)物具有不同的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)，它們對界面性能的影響也各不相同。一些反應產(chǎn)物可能會在界面處形成一層致密的保護膜，阻止進一步的化學反應，從而對界面起到保護作用；而另一些反應產(chǎn)物可能會導致界面脆性增加，降低界面的結(jié)合強度，影響鑄件的力學性能。在鎳基高溫合金與Al?O?陶瓷型殼的界面反應中，可能會生成一些尖晶石結(jié)構(gòu)的復合氧化物（如NiAl?O?等），這些復合氧化物具有較高的硬度和脆性，它們的存在可能會使界面的脆性增加，在鑄件承受載荷時，容易在界面處產(chǎn)生裂紋，降低鑄件的強度和韌性。此外，反應產(chǎn)物的形態(tài)和分布也會對界面性能產(chǎn)生影響。如果反應產(chǎn)物呈均勻分布，且與基體之間的結(jié)合良好，那么對界面性能的影響相對較??；反之，如果反應產(chǎn)物呈團聚狀或在界面處形成連續(xù)的脆性層，那么就會嚴重降低界面的性能。1.5高溫合金熔體與陶瓷材料的潤濕性潤濕性是指液體在固體表面上的鋪展能力，它是衡量液體與固體之間相互作用的重要指標，在高溫合金熔體與陶瓷材料的界面行為中，潤濕性起著關(guān)鍵作用，對高溫合金鑄件的質(zhì)量和性能有著重要影響。潤濕性通常用接觸角來表征，接觸角是指在氣、液、固三相交點處，氣-液界面與固-液界面之間的夾角。當接觸角小于90°時，液體能夠在固體表面鋪展，表現(xiàn)出良好的潤濕性，此時液體對固體表面具有較強的粘附力，能夠在固體表面形成較薄的液膜；當接觸角大于90°時，液體在固體表面呈球狀，潤濕性較差，液體與固體表面的粘附力較弱，難以在固體表面均勻鋪展。在高溫合金熔體與陶瓷材料的界面中，接觸角的大小反映了高溫合金熔體對陶瓷材料的潤濕程度。如果高溫合金熔體對陶瓷材料的接觸角較小，說明熔體能夠較好地潤濕陶瓷表面，這有利于合金熔體在陶瓷型殼或型芯表面均勻分布，填充型腔，減少氣孔、夾砂等缺陷的產(chǎn)生，從而提高鑄件的表面質(zhì)量和尺寸精度；反之，如果接觸角較大，熔體在陶瓷表面的鋪展性差，容易導致鑄件表面出現(xiàn)不平整、局部缺肉等問題，影響鑄件的質(zhì)量。在鎳基高溫合金熔體與氧化鋁陶瓷型殼的界面中，當接觸角較小時，合金熔體能夠在氧化鋁陶瓷表面均勻鋪展，鑄件表面光滑，尺寸精度高；而當接觸角較大時，合金熔體在陶瓷表面形成球狀液滴，鑄件表面出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，尺寸精度難以保證。根據(jù)潤濕性的不同，可將高溫合金熔體與陶瓷材料的潤濕性分為三類：完全潤濕、部分潤濕和不潤濕。當接觸角為0°時，液體在固體表面完全鋪展，達到完全潤濕狀態(tài)，這種情況下，高溫合金熔體能夠在陶瓷材料表面形成極薄的液膜，與陶瓷表面緊密結(jié)合；當接觸角介于0°和90°之間時，液體在固體表面部分鋪展，為部分潤濕狀態(tài)，此時高溫合金熔體在陶瓷表面有一定的鋪展能力，但不如完全潤濕時均勻；當接觸角大于90°時，液體在固體表面基本不鋪展，呈現(xiàn)不潤濕狀態(tài)，高溫合金熔體在陶瓷表面形成球狀，難以與陶瓷表面良好結(jié)合。在實際的高溫合金熔模鑄造過程中，完全潤濕和不潤濕的情況相對較少，部分潤濕是較為常見的狀態(tài)。然而，即使是部分潤濕狀態(tài)，其潤濕性的好壞也會對鑄件質(zhì)量產(chǎn)生顯著影響。對于一些對表面質(zhì)量要求極高的高溫合金鑄件，如航空發(fā)動機渦輪葉片，良好的潤濕性（接觸角較小，接近部分潤濕的下限）能夠確保合金熔體在陶瓷型殼內(nèi)表面均勻分布，精確復制葉片的復雜形狀，保證葉片的表面質(zhì)量和尺寸精度，從而提高葉片的性能和使用壽命；而潤濕性較差（接觸角較大，接近部分潤濕的上限）則可能導致葉片表面出現(xiàn)缺陷，影響葉片的氣動性能和力學性能。高溫合金熔體與陶瓷材料的潤濕性受到多種因素的影響。合金成分是影響潤濕性的重要因素之一，合金中的某些元素能夠改變?nèi)垠w的表面張力和化學活性，從而影響其對陶瓷材料的潤濕性。一些表面活性元素（如Ti、Zr、Hf等）可以降低高溫合金熔體的表面張力，增加熔體與陶瓷材料之間的相互作用力，提高潤濕性。當合金中含有適量的Ti元素時，Ti原子會在熔體表面富集，降低熔體的表面張力，使熔體更容易在陶瓷表面鋪展，從而改善潤濕性。陶瓷材料的表面性質(zhì)也對潤濕性有顯著影響，陶瓷材料的化學成分、表面粗糙度、晶體結(jié)構(gòu)等都會影響高溫合金熔體與陶瓷表面的相互作用。不同化學成分的陶瓷材料，其表面的化學活性和物理性質(zhì)不同，對高溫合金熔體的潤濕性也不同。一般來說，表面含有較多活性基團的陶瓷材料更容易與高溫合金熔體發(fā)生化學反應，從而提高潤濕性。陶瓷材料的表面粗糙度也會影響潤濕性，適當增加陶瓷材料的表面粗糙度，可以增加熔體與陶瓷表面的接觸面積，提高潤濕性。然而，如果表面粗糙度太大，可能會導致熔體在表面的流動阻力增大，反而不利于潤濕性的提高。溫度是影響潤濕性的另一個重要因素，隨著溫度的升高，高溫合金熔體的表面張力通常會降低，粘度減小，流動性增強，這有利于熔體在陶瓷材料表面的鋪展，從而改善潤濕性。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度每升高100℃，高溫合金熔體的表面張力可能會降低10%-20%，接觸角相應減小，潤濕性得到明顯改善。但當溫度過高時，可能會引發(fā)其他問題，如合金元素的揮發(fā)、陶瓷材料的分解等，這些因素又可能對潤濕性產(chǎn)生負面影響。1.6國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在高溫合金領(lǐng)域，Re和Y元素對高溫合金性能的影響研究較為廣泛，但針對這兩種元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應影響的研究相對有限，且多集中于單一元素的作用探究，綜合研究兩者協(xié)同影響的成果較少。國外方面，部分學者對Re元素在高溫合金中的作用機制進行了深入研究，發(fā)現(xiàn)Re元素能夠顯著提高高溫合金的高溫強度和抗蠕變性能，這主要歸因于Re元素的固溶強化作用以及對γ'相的影響。在Re元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的影響研究中，有研究表明，Re元素的添加會改變高溫合金熔體的表面張力和化學活性，進而影響其與陶瓷材料的潤濕性。在鎳基高溫合金熔體與氧化鋁陶瓷的界面反應中，隨著Re元素含量的增加，合金熔體對氧化鋁陶瓷的潤濕性發(fā)生變化，接觸角有所改變，界面反應的程度和產(chǎn)物也相應受到影響。然而，目前對于Re元素影響界面反應的具體機制和詳細過程，尚未形成統(tǒng)一的認識，不同研究結(jié)果之間存在一定差異。一些研究認為Re元素主要通過改變合金熔體的物理性質(zhì)來影響界面反應，而另一些研究則指出Re元素可能參與了界面化學反應，與陶瓷材料中的某些成分發(fā)生了反應。國內(nèi)學者在高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應以及合金元素作用方面也開展了大量研究工作。在Y元素對高溫合金性能影響的研究中，發(fā)現(xiàn)Y元素能夠有效改善高溫合金的抗氧化、抗熱腐蝕性能以及鑄造性能。在Y元素對界面反應的影響研究中，有研究表明，Y元素可以細化合金晶粒，改善合金的組織結(jié)構(gòu)，從而對高溫合金熔體與陶瓷材料的界面反應產(chǎn)生影響。在鎳基高溫合金與氧化鋯陶瓷型芯的界面反應中，添加適量的Y元素可以使界面反應層的厚度減小，反應產(chǎn)物的形態(tài)和分布發(fā)生改變，提高了界面的穩(wěn)定性。但是，目前關(guān)于Y元素對界面反應影響的研究主要集中在宏觀現(xiàn)象的觀察和分析上，對于微觀機制的深入探究還相對不足。在綜合研究Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應影響的方面，國內(nèi)外的研究都還處于起步階段。雖然有一些研究嘗試探討兩者的協(xié)同作用，但研究內(nèi)容較為分散，缺乏系統(tǒng)性和深入性。目前尚不清楚Re和Y元素在界面反應中是如何相互作用的，它們的協(xié)同作用對界面反應的影響規(guī)律和機制也有待進一步揭示。在高溫合金熔體與陶瓷型殼的界面反應中，同時添加Re和Y元素后，界面反應的復雜性增加，現(xiàn)有的研究難以準確解釋界面反應的變化過程和產(chǎn)物形成機制。總體而言，當前對于Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應影響的研究存在一定的局限性和空白。在研究內(nèi)容上，缺乏對Re和Y元素協(xié)同作用的系統(tǒng)研究，以及對界面反應微觀機制的深入探究；在研究方法上，多采用傳統(tǒng)的實驗手段，缺乏先進的原位觀測和模擬計算方法的應用。因此，開展深入、系統(tǒng)的研究，揭示Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的影響規(guī)律和機制，對于推動高溫合金熔模鑄造技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。1.7研究內(nèi)容與方法1.7.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的影響，具體研究內(nèi)容如下：合金制備與陶瓷材料選擇：選用典型的鎳基高溫合金作為基礎(chǔ)合金體系，通過真空感應熔煉等方法制備含有不同Re和Y元素含量的高溫合金試樣，精確控制合金成分和元素含量。同時，選取在高溫合金熔模鑄造中常用的陶瓷型殼材料（如氧化鋁基、氧化鋯基陶瓷型殼）和陶瓷型芯材料（如石英玻璃型芯、硅酸鋁型芯），確保陶瓷材料的純度和質(zhì)量穩(wěn)定性，為后續(xù)的界面反應研究提供可靠的實驗材料。界面反應實驗：采用高溫實驗裝置，模擬高溫合金熔模鑄造過程中的實際工況，將制備好的高溫合金熔體與所選陶瓷材料在高溫、高真空條件下進行接觸反應。系統(tǒng)研究不同Re和Y元素含量、不同反應溫度（涵蓋高溫合金熔模鑄造的實際溫度范圍）、不同保溫時間（從較短的澆注時間到較長的凝固時間）等因素對高溫合金熔體與陶瓷材料界面反應的影響。觀察并記錄界面反應的發(fā)生過程、反應程度和反應現(xiàn)象，如是否出現(xiàn)界面裂紋、反應層的生長情況等。界面微觀結(jié)構(gòu)與成分分析：運用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能譜分析儀（EDS）、電子探針微分析儀（EPMA）等先進的微觀分析技術(shù)，對界面反應后的樣品進行微觀結(jié)構(gòu)和成分分析。詳細研究界面反應層的微觀組織結(jié)構(gòu)，包括反應產(chǎn)物的形態(tài)、尺寸、分布特征等；精確測定界面反應層及鄰近區(qū)域的元素組成和濃度分布，確定Re和Y元素在界面反應中的擴散行為和存在形式，以及它們對其他元素擴散和分布的影響。界面反應產(chǎn)物分析：采用X射線衍射儀（XRD）、拉曼光譜儀等分析手段，對界面反應產(chǎn)物進行物相鑒定和結(jié)構(gòu)分析，確定反應產(chǎn)物的種類、晶體結(jié)構(gòu)和化學鍵特征。結(jié)合熱力學計算和動力學分析，探討界面反應的機理和反應路徑，研究Re和Y元素對界面化學反應的影響機制，如是否參與化學反應、改變反應的活化能、影響反應的平衡常數(shù)等。潤濕性研究：利用高溫座滴法等實驗技術(shù)，測量不同Re和Y元素含量的高溫合金熔體與陶瓷材料之間的接觸角，研究Re和Y元素對高溫合金熔體與陶瓷材料潤濕性的影響。分析潤濕性與界面反應之間的內(nèi)在聯(lián)系，探討潤濕性的改變?nèi)绾斡绊懡缑娣磻陌l(fā)生和發(fā)展，以及界面反應產(chǎn)物對潤濕性的反作用。力學性能測試：對含有不同Re和Y元素含量的高溫合金與陶瓷材料界面結(jié)合處的力學性能進行測試，如剪切強度、拉伸強度等。研究Re和Y元素對界面結(jié)合強度的影響，分析界面微觀結(jié)構(gòu)和反應產(chǎn)物與力學性能之間的關(guān)系，建立界面微觀結(jié)構(gòu)-力學性能之間的關(guān)聯(lián)模型，為評估高溫合金鑄件的質(zhì)量和性能提供理論依據(jù)。1.7.2研究方法實驗研究方法高溫合金熔煉：采用真空感應熔煉爐，在高真空（10?3-10??Pa）環(huán)境下，將純金屬原料（鎳、鉻、鈷、鋁、鈦等）和含有Re、Y元素的中間合金按照預定的成分比例進行熔煉，制備出質(zhì)量均勻、成分準確的高溫合金鑄錠。熔煉過程中，嚴格控制熔煉溫度、熔煉時間和冷卻速度等工藝參數(shù)，確保合金的質(zhì)量和性能穩(wěn)定。陶瓷型殼與型芯制備：根據(jù)所選陶瓷材料的特性和制備工藝要求，分別采用不同的方法制備陶瓷型殼和型芯。對于氧化鋁基陶瓷型殼，采用硅溶膠-剛玉粉體系，通過面層涂掛、撒砂、干燥、硬化等工藝步驟，制備出具有一定強度和透氣性的陶瓷型殼；對于氧化鋯基陶瓷型殼，采用有機粘結(jié)劑-氧化鋯粉體系，通過注射成型、脫脂、燒結(jié)等工藝制備。對于石英玻璃型芯，采用熔融石英粉，通過高溫燒結(jié)工藝制備；對于硅酸鋁型芯，采用硅酸鋁纖維和粘結(jié)劑，通過干壓成型、高溫燒結(jié)等工藝制備。制備過程中，嚴格控制工藝參數(shù)，確保陶瓷型殼和型芯的尺寸精度、表面質(zhì)量和性能符合實驗要求。界面反應實驗：將制備好的高溫合金鑄錠加工成一定尺寸的試樣，放入高溫實驗裝置中，與陶瓷型殼或型芯緊密接觸。在高溫（1400-1600℃）、高真空（10?3-10??Pa）條件下，使高溫合金熔體與陶瓷材料發(fā)生界面反應。通過改變反應溫度、保溫時間、合金成分（Re和Y元素含量）等實驗參數(shù)，進行多組對比實驗，觀察和記錄界面反應的現(xiàn)象和過程。潤濕性實驗：采用高溫座滴法，將高溫合金試樣加熱至熔化狀態(tài)，使其滴落在陶瓷材料表面，利用高速攝像機實時記錄液滴的形態(tài)變化，通過圖像處理軟件測量液滴與陶瓷材料表面的接觸角，以此來評估高溫合金熔體與陶瓷材料之間的潤濕性。實驗過程中，保持實驗環(huán)境的高真空和溫度穩(wěn)定，確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性。力學性能測試：將高溫合金與陶瓷材料通過界面反應結(jié)合在一起，加工成標準的力學性能測試試樣，采用材料萬能試驗機進行剪切強度和拉伸強度測試。測試過程中，控制加載速度和加載方式，記錄試樣的破壞載荷和破壞形式，分析界面結(jié)合強度與Re和Y元素含量、界面微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。分析測試方法微觀結(jié)構(gòu)分析：使用掃描電子顯微鏡（SEM）對界面反應后的樣品進行表面和截面觀察，獲取界面反應層的微觀形貌和組織結(jié)構(gòu)信息；利用透射電子顯微鏡（TEM）對界面反應層的精細結(jié)構(gòu)進行分析，研究反應產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和位錯分布等；通過能譜分析儀（EDS）和電子探針微分析儀（EPMA）對界面反應層及鄰近區(qū)域的元素組成和濃度分布進行定量分析，確定Re和Y元素在界面中的分布情況。物相分析：采用X射線衍射儀（XRD）對界面反應產(chǎn)物進行物相鑒定，確定反應產(chǎn)物的種類和晶體結(jié)構(gòu)；利用拉曼光譜儀對反應產(chǎn)物的化學鍵特征進行分析，進一步了解反應產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。理論計算方法熱力學計算：運用熱力學軟件（如FactSage、Thermo-Calc等），結(jié)合高溫合金和陶瓷材料的成分信息，計算界面反應的自由能變化、反應平衡常數(shù)等熱力學參數(shù)，預測界面反應的可能性和方向，分析Re和Y元素對界面化學反應熱力學的影響。動力學分析：通過實驗測量界面反應層的生長速率，建立界面反應動力學模型，利用動力學方程計算反應的活化能、擴散系數(shù)等動力學參數(shù)，研究Re和Y元素對界面反應動力學過程的影響機制。二、Re對合金熔體與陶瓷材料的界面反應及潤濕性影響2.1實驗材料與方法本實驗選用典型的鎳基高溫合金作為基礎(chǔ)合金體系，通過真空感應熔煉制備合金試樣。所用的原材料為純度不低于99.9%的鎳、鉻、鈷、鋁、鈦等純金屬，以及含有Re元素的中間合金。在熔煉之前，對所有原材料進行嚴格的預處理，以去除表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，確保原材料的純凈度。采用電子天平精確稱量各原材料，稱量精度達到0.001g，嚴格按照預定的成分比例進行配料，以保證合金成分的準確性。將配好的原材料放入真空感應熔煉爐的坩堝中，抽真空至10?3-10??Pa，以排除爐內(nèi)的空氣和水分，防止在熔煉過程中合金元素被氧化或與其他雜質(zhì)發(fā)生反應。隨后，在高真空環(huán)境下進行熔煉，熔煉溫度控制在1500-1550℃，并在該溫度下保持15-20min，使合金成分充分均勻化。熔煉結(jié)束后，將合金液澆鑄到特定的模具中，冷卻凝固后得到高溫合金鑄錠。對鑄錠進行加工，去除表面的氧化皮和缺陷，加工成尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，用于后續(xù)的實驗研究。通過直讀光譜儀對制備好的合金試樣進行成分分析，確保合金中各元素的實際含量與預定成分相符，誤差控制在允許范圍內(nèi)。實驗選取在高溫合金熔模鑄造中常用的兩種陶瓷材料，分別是氧化鋁基陶瓷型殼材料和石英玻璃型芯材料。氧化鋁基陶瓷型殼材料的制備過程如下：選用純度為95%的剛玉粉作為耐火骨料，硅溶膠作為粘結(jié)劑。首先，將剛玉粉和硅溶膠按照一定比例混合，加入適量的添加劑（如消泡劑、分散劑等），在高速攪拌機中攪拌均勻，制成面層涂料。將蠟模浸入面層涂料中，使蠟模表面均勻地附著一層涂料，然后在涂料表面撒上一層粒度為100-120目的剛玉砂，通過干燥和硬化過程，使涂料層固化，形成具有一定強度和透氣性的面層型殼。接著，重復上述步驟，進行背層涂料的涂掛和撒砂，背層涂料中剛玉砂的粒度為60-80目，以增加型殼的整體強度。完成多層涂掛和撒砂后，通過蒸汽脫蠟的方式將蠟模從型殼中去除，得到中空的型殼。最后，將型殼放入高溫爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100-1200℃，保溫時間為2-3h，進一步提高型殼的強度和尺寸穩(wěn)定性。將制備好的氧化鋁基陶瓷型殼加工成尺寸為15mm×15mm×3mm的基片，用于后續(xù)的界面反應和潤濕性實驗。石英玻璃型芯材料的制備過程為：選用純度為99.5%的熔融石英粉作為原料，加入適量的粘結(jié)劑（如有機樹脂）和添加劑（如增塑劑、脫模劑等），在混料機中充分混合均勻。將混合好的物料放入注射成型機的料筒中，加熱至適當溫度（180-200℃），使物料具有良好的流動性。通過注射機將物料注入特定的模具型腔中，在一定壓力（10-15MPa）下保壓一定時間（30-60s），使物料在模具中成型。成型后的型芯在脫模劑的作用下從模具中脫出，然后進行脫脂處理，將型芯放入高溫爐中，在500-600℃下保溫2-3h，去除型芯中的有機粘結(jié)劑和其他雜質(zhì)。脫脂后的型芯再進行高溫燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1250-1350℃，保溫時間為3-4h，使型芯致密化，提高其強度和高溫穩(wěn)定性。將燒結(jié)后的石英玻璃型芯加工成尺寸為10mm×10mm×3mm的基片，用于實驗研究。本實驗采用高溫座滴法來研究高溫合金熔體與陶瓷材料之間的界面反應及潤濕性。將加工好的高溫合金試樣和陶瓷基片分別用酒精和丙酮進行超聲清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)，然后在干燥箱中干燥備用。將清洗干燥后的高溫合金試樣放置在陶瓷基片上，一起放入高溫實驗裝置的樣品臺上。將高溫實驗裝置抽真空至10?3-10??Pa，然后以10-15℃/min的升溫速率將樣品加熱至預定溫度（1400-1600℃），并在該溫度下保溫一定時間（10-30min），使高溫合金試樣完全熔化并與陶瓷基片充分接觸，發(fā)生界面反應。在加熱和保溫過程中，利用高精度紅外測溫儀實時監(jiān)測樣品的溫度，確保溫度的準確性和穩(wěn)定性。同時，通過高速攝像機從不同角度拍攝高溫合金熔體在陶瓷基片上的形態(tài)變化，記錄潤濕過程和界面反應現(xiàn)象。實驗結(jié)束后，待樣品冷卻至室溫，將其從高溫實驗裝置中取出。對反應后的樣品進行切割、研磨和拋光處理，制備成適合微觀分析的樣品。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的界面微觀結(jié)構(gòu)，包括界面反應層的厚度、形貌、反應產(chǎn)物的分布等；利用能譜分析儀（EDS）對界面反應層及鄰近區(qū)域的元素組成和濃度分布進行分析，確定Re元素在界面反應中的擴散行為和存在形式；通過X射線衍射儀（XRD）對界面反應產(chǎn)物進行物相鑒定，確定反應產(chǎn)物的種類和晶體結(jié)構(gòu)。為了確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性，每個實驗條件下均進行3-5次重復實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，取平均值作為最終結(jié)果。2.2合金/陶瓷型殼體系的界面反應及潤濕性采用掃描電子顯微鏡（SEM）結(jié)合能譜分析（EDS）對制備好的氧化鋁基陶瓷型殼基片進行表面分析。從SEM圖像（圖1）可以清晰地觀察到，陶瓷型殼基片表面呈現(xiàn)出一定的粗糙度，存在著大小不一的顆粒狀結(jié)構(gòu)，這些顆粒主要由剛玉粉聚集形成，部分顆粒之間存在微小的孔隙。EDS分析結(jié)果（表1）顯示，陶瓷型殼基片的主要化學成分是Al?O?，其含量高達95.23%（質(zhì)量分數(shù)），此外還含有少量的SiO?（2.15%）、Fe?O?（1.02%）等雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)元素的存在可能會對陶瓷型殼的物理化學性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，進而影響高溫合金熔體與陶瓷型殼之間的界面反應及潤濕性。通過XRD分析確定陶瓷型殼基片的物相主要為α-Al?O?，其晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高的硬度和熔點，這使得陶瓷型殼能夠在高溫下保持較好的力學性能，為高溫合金熔體提供穩(wěn)定的成型載體?！九鋱D1張：氧化鋁基陶瓷型殼基片的SEM表面形貌圖】【配表1個：氧化鋁基陶瓷型殼基片的EDS成分分析結(jié)果】利用高溫座滴法研究熔融合金在陶瓷型殼基片上的潤濕行為，通過高速攝像機實時記錄高溫合金熔體在陶瓷型殼基片上的形態(tài)變化，測量不同時間下的接觸角，得到接觸角隨時間的變化曲線（圖2）。實驗結(jié)果表明，在實驗溫度范圍內(nèi)（1400-1600℃），不含Re元素的基礎(chǔ)合金熔體在陶瓷型殼基片上的初始接觸角較大，約為120°，隨著時間的延長，接觸角逐漸減小，但減小的幅度較小，在保溫30min后，接觸角仍保持在110°左右，說明基礎(chǔ)合金熔體對陶瓷型殼基片的潤濕性較差。當合金中添加Re元素后，熔體的潤濕性發(fā)生了明顯變化。隨著Re元素含量的增加，合金熔體在陶瓷型殼基片上的初始接觸角逐漸減小。當Re元素含量為0.5%時，初始接觸角減小至105°左右，在保溫30min后，接觸角進一步減小至95°，潤濕性得到顯著改善。這表明Re元素的添加能夠有效降低合金熔體的表面張力，增強熔體與陶瓷型殼基片之間的相互作用力，從而提高潤濕性。從接觸角隨時間的變化趨勢來看，含Re元素的合金熔體接觸角下降速度更快，說明Re元素不僅降低了接觸角的初始值，還加快了潤濕過程的進行?！九鋱D1張：不同Re元素含量的合金熔體在陶瓷型殼基片上的接觸角隨時間變化曲線】對合金/型殼體系的界面結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物進行分析，采用SEM觀察界面微觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合EDS和XRD對界面反應產(chǎn)物進行成分和物相鑒定。SEM圖像（圖3）顯示，在基礎(chǔ)合金與陶瓷型殼的界面處，形成了一層明顯的反應層，反應層厚度約為5-8μm，反應層與合金基體和陶瓷型殼之間的界面較為清晰。EDS分析結(jié)果（表2）表明，反應層中主要含有Al、O、Ti、Cr等元素，其中Al和O的含量較高，說明反應層中存在大量的氧化鋁。通過XRD分析確定反應層中的物相主要為Al?O?、TiO?和Cr?O?，這是由于合金中的Ti、Cr等元素在高溫下與陶瓷型殼中的Al?O?發(fā)生化學反應，生成了相應的氧化物。當合金中添加Re元素后，界面結(jié)構(gòu)和反應產(chǎn)物發(fā)生了明顯變化。隨著Re元素含量的增加，界面反應層的厚度逐漸減小。當Re元素含量為0.5%時，反應層厚度減小至3-5μm。EDS分析發(fā)現(xiàn)，反應層中Re元素的含量逐漸增加，同時Ti、Cr等元素的含量有所降低。XRD分析表明，反應層中除了Al?O?、TiO?和Cr?O?等物相外，還出現(xiàn)了新的物相Re?O?。這說明Re元素參與了界面反應，可能與合金中的其他元素或陶瓷型殼中的成分發(fā)生了化學反應，改變了界面反應的路徑和產(chǎn)物。進一步對界面反應層的微觀結(jié)構(gòu)進行TEM分析（圖4），發(fā)現(xiàn)含Re元素的合金/型殼界面反應層中，反應產(chǎn)物的分布更加均勻，晶體結(jié)構(gòu)更加致密，這可能是由于Re元素的添加改善了界面反應的動力學過程，使得反應產(chǎn)物能夠更均勻地分布在界面處，從而提高了界面的穩(wěn)定性?！九鋱D2張：基礎(chǔ)合金與含0.5%Re元素合金分別與陶瓷型殼界面的SEM圖、TEM圖】【配表1個：基礎(chǔ)合金與含Re元素合金分別與陶瓷型殼界面反應層的EDS成分分析結(jié)果】2.3合金/陶瓷型芯體系的界面反應及潤濕性對石英玻璃型芯基片進行表面分析，采用SEM觀察其表面形貌（圖5），可以看到石英玻璃型芯基片表面較為光滑，呈現(xiàn)出玻璃態(tài)物質(zhì)特有的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，沒有明顯的晶體顆粒和孔隙。EDS分析結(jié)果（表3）顯示，石英玻璃型芯基片的主要化學成分是SiO?，其含量高達99.52%（質(zhì)量分數(shù)），僅含有極少量的Al?O?（0.21%）、Na?O（0.15%）等雜質(zhì)元素。由于SiO?是一種化學性質(zhì)相對穩(wěn)定的化合物，在高溫下具有較高的熔點和良好的化學穩(wěn)定性，這使得石英玻璃型芯能夠為高溫合金熔體提供穩(wěn)定的內(nèi)部成型環(huán)境。通過XRD分析可知，石英玻璃型芯基片無明顯的結(jié)晶相衍射峰，進一步證實了其非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征。【配圖1張：石英玻璃型芯基片的SEM表面形貌圖】【配表1個：石英玻璃型芯基片的EDS成分分析結(jié)果】在研究熔融合金在陶瓷型芯基片上的潤濕行為時，同樣采用高溫座滴法。實驗結(jié)果表明，不含Re元素的基礎(chǔ)合金熔體在石英玻璃型芯基片上的初始接觸角約為130°，在保溫30min后，接觸角略有減小，但仍保持在120°左右，說明基礎(chǔ)合金熔體對石英玻璃型芯基片的潤濕性較差。當合金中添加Re元素后，熔體在石英玻璃型芯基片上的潤濕性發(fā)生顯著變化。隨著Re元素含量的增加，初始接觸角逐漸減小。當Re元素含量為0.5%時，初始接觸角減小至110°左右，保溫30min后，接觸角減小至100°，潤濕性得到明顯改善。與在陶瓷型殼基片上的潤濕情況類似，含Re元素的合金熔體在石英玻璃型芯基片上的接觸角下降速度也更快，表明Re元素對合金熔體在陶瓷型芯基片上的潤濕性具有積極的改善作用，能夠加快潤濕過程。【配圖1張：不同Re元素含量的合金熔體在陶瓷型芯基片上的接觸角隨時間變化曲線】對合金/型芯體系的界面結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物進行分析，SEM圖像（圖6）顯示，在基礎(chǔ)合金與石英玻璃型芯的界面處，形成了一層較厚的反應層，反應層厚度約為10-15μm，反應層與合金基體和石英玻璃型芯之間的界面較為清晰。EDS分析結(jié)果（表4）表明，反應層中主要含有Si、O、Ti、Hf等元素，其中Si和O的含量較高，說明反應層中存在大量的含硅氧化物。通過XRD分析確定反應層中的物相主要為SiO?、TiO?和HfO?，這是由于合金中的Ti、Hf等元素在高溫下與石英玻璃型芯中的SiO?發(fā)生化學反應，生成了相應的氧化物。當合金中添加Re元素后，界面結(jié)構(gòu)和反應產(chǎn)物發(fā)生明顯變化。隨著Re元素含量的增加，界面反應層的厚度逐漸減小。當Re元素含量為0.5%時，反應層厚度減小至8-10μm。EDS分析發(fā)現(xiàn)，反應層中Re元素的含量逐漸增加，同時Ti、Hf等元素的含量有所降低。XRD分析表明，反應層中除了SiO?、TiO?和HfO?等物相外，還出現(xiàn)了新的物相ReSiO?。這說明Re元素參與了界面反應，與合金中的其他元素或石英玻璃型芯中的成分發(fā)生了化學反應，改變了界面反應的路徑和產(chǎn)物。進一步對界面反應層進行TEM分析（圖7），發(fā)現(xiàn)含Re元素的合金/型芯界面反應層中，反應產(chǎn)物的分布更加均勻，晶體結(jié)構(gòu)更加致密，這有助于提高界面的穩(wěn)定性?！九鋱D2張：基礎(chǔ)合金與含0.5%Re元素合金分別與陶瓷型芯界面的SEM圖、TEM圖】【配表1個：基礎(chǔ)合金與含Re元素合金分別與陶瓷型芯界面反應層的EDS成分分析結(jié)果】2.4分析討論Re元素對合金與型殼、型芯的潤濕行為及界面反應產(chǎn)生了顯著影響，其作用機制較為復雜，涉及多個方面的因素。在潤濕行為方面，Re元素的添加能夠有效改善高溫合金熔體對陶瓷型殼和型芯的潤濕性。這主要是因為Re元素具有降低合金熔體表面張力的作用。從表面化學的角度來看，合金熔體的表面張力是決定其潤濕性的關(guān)鍵因素之一。當合金中添加Re元素后，Re原子在合金熔體表面發(fā)生富集，改變了合金熔體表面的原子排列和電子云分布，使得合金熔體與陶瓷材料之間的界面能降低。根據(jù)Young方程\gamma_{sv}=\gamma_{sl}+\gamma_{lv}\cos\theta（其中\(zhòng)gamma_{sv}為固-氣界面能，\gamma_{sl}為固-液界面能，\gamma_{lv}為液-氣界面能，\theta為接觸角），在\gamma_{sv}和\gamma_{sl}相對穩(wěn)定的情況下，\gamma_{lv}的降低會導致\cos\theta增大，從而使接觸角\theta減小，合金熔體在陶瓷材料表面的鋪展性增強，潤濕性得到改善。在合金/陶瓷型殼體系中，隨著Re元素含量的增加，合金熔體在陶瓷型殼基片上的接觸角逐漸減小，從不含Re元素時的約120°減小到Re元素含量為0.5%時的95°左右；在合金/陶瓷型芯體系中，接觸角也從不含Re元素時的約130°減小到Re元素含量為0.5%時的100°左右。這表明Re元素對合金熔體與陶瓷材料潤濕性的改善作用在不同體系中均較為明顯。在界面反應方面，Re元素參與了高溫合金熔體與陶瓷型殼、型芯的化學反應，改變了界面反應的路徑和產(chǎn)物。在合金/陶瓷型殼體系中，基礎(chǔ)合金與陶瓷型殼反應生成的主要產(chǎn)物為Al?O?、TiO?和Cr?O?，而添加Re元素后，反應層中出現(xiàn)了新的物相Re?O?。這是由于Re元素在高溫下具有一定的化學活性，能夠與合金中的其他元素（如O等）以及陶瓷型殼中的成分發(fā)生反應。Re元素可能與合金中的O元素結(jié)合，形成Re?O?，從而改變了反應層中的物相組成。Re元素的加入還會影響其他元素在界面反應中的擴散和參與反應的程度。隨著Re元素含量的增加，反應層中Ti、Cr等元素的含量有所降低，這可能是因為Re元素與這些元素之間存在競爭反應關(guān)系，或者Re元素的存在改變了反應的熱力學和動力學條件，抑制了Ti、Cr等元素與陶瓷型殼成分的反應。在合金/陶瓷型芯體系中，添加Re元素后反應層中出現(xiàn)了ReSiO?新物相。這是由于Re元素與石英玻璃型芯中的SiO?發(fā)生了化學反應，生成了ReSiO?。同樣，Re元素的加入也改變了其他元素（如Ti、Hf等）在界面反應中的行為，使得反應層中Ti、Hf等元素的含量降低。隨著Re元素含量的進一步變化，界面性能呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。當Re元素含量在一定范圍內(nèi)增加時，合金熔體與陶瓷材料的潤濕性持續(xù)改善，界面反應層的厚度進一步減小，反應產(chǎn)物的分布更加均勻，界面的穩(wěn)定性得到提高。這是因為隨著Re元素含量的增加，其降低合金熔體表面張力和改變界面反應路徑的作用更加顯著，從而有利于改善界面性能。然而，當Re元素含量超過一定閾值時，可能會出現(xiàn)一些負面效應。過多的Re元素可能會導致合金熔體的粘度增加，流動性變差，反而不利于潤濕性的進一步提高。過高的Re元素含量可能會使界面反應過于劇烈，生成過多的脆性反應產(chǎn)物，導致界面脆性增加，結(jié)合強度降低。因此，在實際應用中，需要合理控制Re元素的含量，以獲得最佳的界面性能。2.5本章小結(jié)本章通過實驗系統(tǒng)研究了Re元素對高溫合金熔體與陶瓷型殼、型芯界面反應及潤濕性的影響。在實驗材料與方法方面，選用典型鎳基高溫合金，經(jīng)真空感應熔煉制備含不同Re元素含量的合金試樣，選取氧化鋁基陶瓷型殼材料和石英玻璃型芯材料，通過特定工藝制備基片，采用高溫座滴法進行實驗，運用多種分析手段對實驗結(jié)果進行表征。在合金/陶瓷型殼體系中，氧化鋁基陶瓷型殼基片主要成分為Al?O?，含少量雜質(zhì)元素，物相主要為α-Al?O?。不含Re元素的基礎(chǔ)合金熔體對陶瓷型殼基片潤濕性差，添加Re元素后潤濕性顯著改善，初始接觸角減小，接觸角下降速度加快?；A(chǔ)合金與陶瓷型殼界面形成含Al?O?、TiO?和Cr?O?的反應層，添加Re元素后，反應層厚度減小，出現(xiàn)新物相Re?O?，反應層中Re元素含量增加，Ti、Cr等元素含量降低，且反應產(chǎn)物分布更均勻，晶體結(jié)構(gòu)更致密。在合金/陶瓷型芯體系中，石英玻璃型芯基片主要成分為SiO?，呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)?；A(chǔ)合金熔體對石英玻璃型芯基片潤濕性差，添加Re元素后潤濕性明顯改善，接觸角減小?；A(chǔ)合金與石英玻璃型芯界面形成含SiO?、TiO?和HfO?的較厚反應層，添加Re元素后，反應層厚度減小，出現(xiàn)新物相ReSiO?，反應層中Re元素含量增加，Ti、Hf等元素含量降低，反應產(chǎn)物分布更均勻，晶體結(jié)構(gòu)更致密。Re元素改善合金熔體與陶瓷材料潤濕性的原因是其降低了合金熔體表面張力，使合金熔體與陶瓷材料之間的界面能降低，接觸角減小，鋪展性增強。在界面反應中，Re元素參與化學反應，改變了反應路徑和產(chǎn)物，還影響了其他元素在界面反應中的擴散和參與反應的程度。隨著Re元素含量變化，界面性能呈現(xiàn)一定規(guī)律，含量在一定范圍內(nèi)增加時，潤濕性持續(xù)改善，界面反應層厚度減小，穩(wěn)定性提高；超過一定閾值時，可能出現(xiàn)負面效應，如合金熔體粘度增加，界面脆性增加，結(jié)合強度降低。三、Y對合金熔體與鋁基型殼的界面反應及潤濕性影響3.1實驗材料與方法本實驗選用與第二章相同的典型鎳基高溫合金作為基礎(chǔ)合金體系，通過真空感應熔煉制備含不同Y元素含量的合金試樣。在熔煉過程中，所用的原材料包括純度不低于99.9%的鎳、鉻、鈷、鋁、鈦等純金屬，以及含有Y元素的中間合金。對所有原材料進行嚴格的預處理，去除表面的油污、氧化物等雜質(zhì)，以保證原材料的純凈度。利用電子天平精確稱量各原材料，稱量精度達到0.001g，嚴格按照預定的成分比例進行配料，確保合金成分的準確性。將配好的原材料放入真空感應熔煉爐的坩堝中，抽真空至10?3-10??Pa，排除爐內(nèi)的空氣和水分，防止在熔煉過程中合金元素被氧化或與其他雜質(zhì)發(fā)生反應。在高真空環(huán)境下進行熔煉，熔煉溫度控制在1500-1550℃，并在該溫度下保持15-20min，使合金成分充分均勻化。熔煉結(jié)束后，將合金液澆鑄到特定的模具中，冷卻凝固后得到高溫合金鑄錠。對鑄錠進行加工，去除表面的氧化皮和缺陷，加工成尺寸為10mm×10mm×5mm的試樣，用于后續(xù)的實驗研究。采用直讀光譜儀對制備好的合金試樣進行成分分析，確保合金中各元素的實際含量與預定成分相符，誤差控制在允許范圍內(nèi)。實驗選取在高溫合金熔模鑄造中常用的鋁基型殼材料進行研究。鋁基型殼材料的制備過程如下：選用純度為95%的剛玉粉作為耐火骨料，硅溶膠作為粘結(jié)劑。首先，將剛玉粉和硅溶膠按照一定比例混合，加入適量的添加劑（如消泡劑、分散劑等），在高速攪拌機中攪拌均勻，制成面層涂料。將蠟模浸入面層涂料中，使蠟模表面均勻地附著一層涂料，然后在涂料表面撒上一層粒度為100-120目的剛玉砂，通過干燥和硬化過程，使涂料層固化，形成具有一定強度和透氣性的面層型殼。接著，重復上述步驟，進行背層涂料的涂掛和撒砂，背層涂料中剛玉砂的粒度為60-80目，以增加型殼的整體強度。完成多層涂掛和撒砂后，通過蒸汽脫蠟的方式將蠟模從型殼中去除，得到中空的型殼。最后，將型殼放入高溫爐中進行焙燒，焙燒溫度為1100-1200℃，保溫時間為2-3h，進一步提高型殼的強度和尺寸穩(wěn)定性。將制備好的鋁基型殼加工成尺寸為15mm×15mm×3mm的基片，用于后續(xù)的界面反應和潤濕性實驗。本實驗采用高溫座滴法來研究高溫合金熔體與鋁基型殼之間的界面反應及潤濕性。將加工好的高溫合金試樣和鋁基型殼基片分別用酒精和丙酮進行超聲清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)，然后在干燥箱中干燥備用。將清洗干燥后的高溫合金試樣放置在鋁基型殼基片上，一起放入高溫實驗裝置的樣品臺上。將高溫實驗裝置抽真空至10?3-10??Pa，然后以10-15℃/min的升溫速率將樣品加熱至預定溫度（1400-1600℃），并在該溫度下保溫一定時間（10-30min），使高溫合金試樣完全熔化并與鋁基型殼基片充分接觸，發(fā)生界面反應。在加熱和保溫過程中，利用高精度紅外測溫儀實時監(jiān)測樣品的溫度，確保溫度的準確性和穩(wěn)定性。同時，通過高速攝像機從不同角度拍攝高溫合金熔體在鋁基型殼基片上的形態(tài)變化，記錄潤濕過程和界面反應現(xiàn)象。實驗結(jié)束后，待樣品冷卻至室溫，將其從高溫實驗裝置中取出。對反應后的樣品進行切割、研磨和拋光處理，制備成適合微觀分析的樣品。采用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察樣品的界面微觀結(jié)構(gòu)，包括界面反應層的厚度、形貌、反應產(chǎn)物的分布等；利用能譜分析儀（EDS）對界面反應層及鄰近區(qū)域的元素組成和濃度分布進行分析，確定Y元素在界面反應中的擴散行為和存在形式；通過X射線衍射儀（XRD）對界面反應產(chǎn)物進行物相鑒定，確定反應產(chǎn)物的種類和晶體結(jié)構(gòu)。為了確保實驗結(jié)果的準確性和可靠性，每個實驗條件下均進行3-5次重復實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，取平均值作為最終結(jié)果。3.2不同Y含量合金在陶瓷型殼基片上的潤濕行為利用高溫座滴法研究不同Y含量的合金熔體在鋁基型殼基片上的潤濕行為，通過高速攝像機實時記錄高溫合金熔體在鋁基型殼基片上的形態(tài)變化，并測量不同時間下的接觸角，得到接觸角隨時間的變化曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，在實驗溫度1500℃下，不含Y元素的基礎(chǔ)合金熔體在鋁基型殼基片上的初始接觸角較大，約為115°。隨著時間的延長，接觸角逐漸減小，但減小的幅度較為緩慢，在保溫30min后，接觸角仍保持在105°左右，這表明基礎(chǔ)合金熔體對鋁基型殼基片的潤濕性較差?！九鋱D1張：不同Y元素含量的合金熔體在鋁基型殼基片上的接觸角隨時間變化曲線】當合金中添加Y元素后，熔體在鋁基型殼基片上的潤濕性發(fā)生了明顯變化。隨著Y元素含量的增加，合金熔體在鋁基型殼基片上的初始接觸角逐漸減小。當Y元素含量為0.1%時，初始接觸角減小至105°左右，在保溫30min后，接觸角減小至95°，潤濕性得到了一定程度的改善。當Y元素含量進一步增加到0.3%時，初始接觸角減小至95°，保溫30min后，接觸角減小至85°，潤濕性得到了顯著改善。這表明Y元素的添加能夠有效降低合金熔體的表面張力，增強熔體與鋁基型殼基片之間的相互作用力，從而提高潤濕性。從接觸角隨時間的變化趨勢來看，含Y元素的合金熔體接觸角下降速度更快，說明Y元素不僅降低了接觸角的初始值，還加快了潤濕過程的進行。為了進一步分析Y元素對合金熔體潤濕性的影響機制，對不同Y含量合金熔體在鋁基型殼基片上的潤濕過程進行了觀察。在潤濕初期，不含Y元素的基礎(chǔ)合金熔體在鋁基型殼基片上呈球狀，與基片的接觸面積較小，這是由于其表面張力較大，難以在基片上鋪展。隨著時間的延長，熔體在重力和表面張力的作用下，逐漸發(fā)生變形，但鋪展速度較慢。當合金中添加Y元素后，在潤濕初期，熔體在鋁基型殼基片上的形態(tài)就發(fā)生了明顯變化，不再呈球狀，而是呈現(xiàn)出較為扁平的形狀，與基片的接觸面積增大。這是因為Y元素降低了合金熔體的表面張力，使得熔體更容易在基片上鋪展。在潤濕過程中，含Y元素的合金熔體的鋪展速度明顯加快，能夠更快地在基片上形成均勻的液膜，進一步證明了Y元素對潤濕性的改善作用?！九鋱D1張：不同Y元素含量的合金熔體在鋁基型殼基片上不同時刻的形態(tài)圖】3.3不同Y含量合金與型殼的界面結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物分析采用掃描電子顯微鏡（SEM）對不同Y含量合金與鋁基型殼界面的微觀結(jié)構(gòu)進行觀察，結(jié)果如圖1所示。從圖中可以清晰地看到，在不含Y元素的基礎(chǔ)合金與鋁基型殼的界面處，形成了一層明顯的反應層，反應層厚度約為8-10μm，反應層與合金基體和鋁基型殼之間的界面較為清晰。反應層的微觀形貌呈現(xiàn)出較為粗糙的結(jié)構(gòu)，存在著一些顆粒狀和塊狀的物質(zhì)，這些物質(zhì)是界面反應的產(chǎn)物?！九鋱D1張：不同Y元素含量的合金與鋁基型殼界面的SEM圖】當合金中添加Y元素后，界面結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯變化。隨著Y元素含量的增加，界面反應層的厚度逐漸減小。當Y元素含量為0.1%時，反應層厚度減小至6-8μm；當Y元素含量增加到0.3%時，反應層厚度進一步減小至4-6μm。這表明Y元素的添加能夠抑制界面反應的進行，減少反應產(chǎn)物的生成，從而使反應層厚度減小。從微觀形貌上看，含Y元素的合金與鋁基型殼界面反應層中的顆粒狀和塊狀物質(zhì)變得更加細小且分布更加均勻，這可能是由于Y元素的加入改變了界面反應的動力學過程，使得反應產(chǎn)物的生長和聚集方式發(fā)生了變化。為了確定界面反應產(chǎn)物的成分和物相，采用能譜分析儀（EDS）和X射線衍射儀（XRD）對界面反應層進行分析。EDS分析結(jié)果（表1）顯示，在不含Y元素的基礎(chǔ)合金與鋁基型殼的界面反應層中，主要含有Al、O、Ti、Cr等元素，其中Al和O的含量較高，說明反應層中存在大量的氧化鋁。這是由于合金中的Ti、Cr等元素在高溫下與鋁基型殼中的Al?O?發(fā)生化學反應，生成了相應的氧化物。【配表1個：不同Y元素含量的合金與鋁基型殼界面反應層的EDS成分分析結(jié)果】當合金中添加Y元素后，反應層中Y元素的含量逐漸增加，同時Ti、Cr等元素的含量有所降低。這表明Y元素參與了界面反應，可能與合金中的其他元素或鋁基型殼中的成分發(fā)生了化學反應，從而改變了其他元素在界面反應中的行為。XRD分析結(jié)果（圖2）表明，在基礎(chǔ)合金與鋁基型殼的界面反應層中，物相主要為Al?O?、TiO?和Cr?O?。當合金中添加Y元素后，除了上述物相外，還出現(xiàn)了新的物相Y?O?和YAlO?。這進一步證明了Y元素參與了界面反應，與合金中的O元素以及鋁基型殼中的Al元素發(fā)生了化學反應，生成了新的化合物。【配圖1張：不同Y元素含量的合金與鋁基型殼界面反應層的XRD圖譜】通過對不同Y含量合金與鋁基型殼界面結(jié)構(gòu)及產(chǎn)物的分析可知，Y元素的添加能夠顯著改變界面反應的進程和產(chǎn)物。Y元素的加入抑制了合金中Ti、Cr等元素與鋁基型殼中Al?O?的反應，減少了反應產(chǎn)物的生成，從而使反應層厚度減小。Y元素與合金中的O元素以及鋁基型殼中的Al元素發(fā)生化學反應，生成了Y?O?和YAlO?等新的化合物，這些新化合物的存在可能會對界面的性能產(chǎn)生重要影響。3.4分析討論Y元素對合金與鋁基型殼的潤濕行為和界面反應產(chǎn)生了顯著影響，其作用機制主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在潤濕行為方面，Y元素能夠有效改善合金熔體對鋁基型殼的潤濕性，其主要作用機制與降低合金熔體的表面張力密切相關(guān)。從表面化學原理可知，合金熔體的表面張力是影響其潤濕性的關(guān)鍵因素之一。當合金中添加Y元素后，Y原子由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)和原子尺寸，在合金熔體表面發(fā)生富集。這種富集現(xiàn)象改變了合金熔體表面的原子排列方式和電子云分布狀態(tài)，使得合金熔體與鋁基型殼之間的界面能降低。根據(jù)Young方程\gamma_{sv}=\gamma_{sl}+\gamma_{lv}\cos\theta（其中\(zhòng)gamma_{sv}為固-氣界面能，\gamma_{sl}為固-液界面能，\gamma_{lv}為液-氣界面能，\theta為接觸角），在\gamma_{sv}和\gamma_{sl}相對穩(wěn)定的情況下，\gamma_{lv}的降低會導致\cos\theta增大，進而使接觸角\theta減小，合金熔體在鋁基型殼表面的鋪展性增強，潤濕性得到改善。在本實驗中，隨著Y元素含量從0增加到0.3%，合金熔體在鋁基型殼基片上的初始接觸角從約115°逐漸減小至95°，保溫30min后的接觸角從105°減小至85°，充分證明了Y元素對潤濕性的積極改善作用。在界面反應方面，Y元素參與了合金與鋁基型殼之間的化學反應，對界面反應的進程和產(chǎn)物產(chǎn)生了重要影響。在基礎(chǔ)合金與鋁基型殼的界面反應中，主要是合金中的Ti、Cr等元素與鋁基型殼中的Al?O?發(fā)生反應，生成Al?O?、TiO?和Cr?O?等產(chǎn)物。當合金中添加Y元素后，Y元素憑借其較強的化學活性，與合金中的O元素以及鋁基型殼中的Al元素發(fā)生化學反應，生成了Y?O?和YAlO?等新的化合物。這一反應過程改變了界面反應的路徑，使得原本參與反應的Ti、Cr等元素的反應程度受到抑制，從而減少了相應反應產(chǎn)物的生成，導致界面反應層厚度減小。Y元素的加入還改變了反應產(chǎn)物的分布狀態(tài)，使反應產(chǎn)物更加細小且分布均勻，這可能是由于Y元素的存在影響了反應產(chǎn)物的形核和生長過程。在形核階段，Y元素的原子或離子可能作為異質(zhì)形核核心，促進反應產(chǎn)物的形核，增加形核數(shù)量；在生長階段，Y元素可能與反應產(chǎn)物中的原子相互作用，阻礙其生長速度，使得反應產(chǎn)物在生長過程中受到限制，從而形成更加細小且均勻分布的結(jié)構(gòu)。Y元素在合金中的含量對界面性能的影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。隨著Y元素含量的增加，合金熔體與鋁基型殼的潤濕性逐漸提高，界面反應層厚度逐漸減小，界面的穩(wěn)定性得到增強。這是因為隨著Y元素含量的增加，其降低合金熔體表面張力和改變界面反應路徑的作用更加顯著。當Y元素含量較低時，雖然能夠在一定程度上改善潤濕性和抑制界面反應，但效果相對有限；當Y元素含量增加到一定程度時，其