摘要：上海大学团队通过实验与热力学计算，揭示了定向高温合金 UGTC47 与硅基陶瓷型芯在 1530℃下的界面反应机制，为优化空心涡轮叶片铸造工艺提供关键理论支撑。
导读
上海大学团队通过实验与热力学计算，揭示了定向高温合金 UGTC47 与硅基陶瓷型芯在 1530℃下的界面反应机制，为优化空心涡轮叶片铸造工艺提供关键理论支撑。
航空发动机和工业燃气轮机的涡轮叶片需在 600℃以上高温及复杂应力环境中长期服役，其性能直接影响动力装置的效率与寿命。空心涡轮叶片的铸造依赖陶瓷型芯形成内腔结构，但高温合金熔体与陶瓷材料长时间接触易引发界面反应，导致铸件表面缺陷和金属污染。随着高代次高温合金熔点升高，界面反应趋势加剧，成为制约叶片品质的关键问题。本研究针对 UGTC47 合金与 SiO₂陶瓷型芯的界面行为展开深入分析，旨在为高温合金铸造工艺优化提供科学依据。
【文章来源及内容】
上海大学任忠鸣教授团队联合中国联合重型燃气轮机技术有限公司在《特种铸造及有色合金》2025 年第 45 卷第 1 期发表了题为 “定向高温合金 UGTC47 与硅基陶瓷型芯界面反应研究” 的文章。文章通过高温界面反应实验结合 Miedema 热力学模型，系统分析了 1530℃下不同保温时间（1~3 小时）对 UGTC47 合金与 SiO₂陶瓷型芯界面反应的影响。结果表明，合金中的 Hf 元素与陶瓷型芯发生置换反应生成 HfO₂层，Al 元素氧化生成 Al₂O₃层，反应层厚度随保温时间延长显著增加，为界面反应动力学提供了量化数据。
【研究亮点】
揭示了 UGTC47 合金与 SiO2 陶瓷型芯在 1 530℃下不同保温时间的界面反应规律。通过实验分析确定了界面反应层的形貌、成分和物相。运用 Miedema 数值模型计算合金的组元活度和反应生成热，探讨了界面反应的热力学可行性。
【研究方法】
试验合金为UGTC47合金，其主要化学成分为Ni-8.06Cr-9.22Co-9.45W-0.52Mo-5.68Al-0.70Ti-3.26Ta-1.41Hf-0.12Si（质量分数，%，下同）。陶瓷型芯原料是高纯石英玻璃粉（99.95%）。
将烧结好的陶瓷型芯在砂纸上打磨成尺寸为20 mm×4 mm×4 mm的试样；用线切割将高温合金切割成外径为ϕ10 mm、内部为被切掉边长为4 mm×4 mm的中空圆柱体；用金相砂纸打磨，去除试样表面毛刺、杂物和划痕；用丙酮和酒精清洗后干燥，将型芯试样条插入合金中，放入刚玉坩埚中，置于ZTY25-20真空加热碳管炉中进行加热，温度为1 530 ℃，升温到设定的温度后，分别保温为1、2和3 h，关闭加热器随炉冷却，整个过程都是在氩气氛围下进行。
界面反应试验后，试样用AB胶镶嵌，用砂纸将试样从80号至2 000号逐级磨光，最后用粒度为1.5 μm金刚砂研磨膏进行抛光处理。将试样放入乙醇溶液并超声清洗后吹干。采用 FEI-Quanta 450型扫描电镜对界面反应层进行形貌分析；采用扫描电镜配备的能谱分析系统对界面反应层进行成分分析；采用Bruker-D8 Advance X射线衍射仪对界面反应层进行物相分析。
【全文解读】
UGTC47合金与SiO2陶瓷型芯间发生了明显的界面反应，同时观察到反应层分别为灰白色反应层Ⅰ和灰黑色反应层Ⅱ。当保温时间为1 h时，反应层Ⅰ较为连续，反应层Ⅱ较疏松。当保温时间为2 h时，反应层Ⅰ增厚，反应层Ⅱ趋于连续，但仍存在缝隙及孔洞。当保温时间延长到3 h时，反应层Ⅰ明显增厚，反应层Ⅱ变得连续且致密。EDS分析表明，整个界面层可以分为两个部分：反应层Ⅰ富集Hf和O，反应层Ⅱ富集Al和O。合金基体未出现贫Hf层或贫Al层。由于反应层的类型随着时间延长没有发生明显改变，因此仅对保温时间3 h的界面反应试样（见图1c）进行分析，以获得UGTC47合金与硅基陶瓷型芯的界面反应生成物。图1k中不同区域的EDS分析见表1。分析可知，反应层Ⅰ富含Hf和O，摩尔比约为1∶2，反应层Ⅱ富含Al和O，摩尔比约为2∶3。此外，随着反应时间延长，反应层Ⅰ和Ⅱ的厚度均有增加。当反应时间达到3 h时，反应层Ⅰ增厚明显，达到11.13 μm。
图1不同保温时间下界面反应层的SEM形貌和EDS元素面扫描
图2反应层Ⅰ和反应层Ⅱ的厚度随时间的变化
界面反应的产物为HfO2和Al2O3，且HfO2为主要产物。经XRD标定与元素分布分析，反应层Ⅰ为HfO2，反应层Ⅱ为Al2O3。
图3保温3 h界面反应区XRD谱
根据上述结果推测UGTC47合金与SiO2陶瓷型芯界面处发生了界面反应，生成了HfO2层和Al2O3层。由于本试验均是在氩气氛围下进行，且UGTC47合金中不含O，推测反应过程中合金中的活性元素与陶瓷型芯中的O发生置换反应，生成氧化产物。1 530 ℃下高温合金为液态，因此受到合金液中元素浓度和活度的影响，应用Van't Hoff公式表示实际发生的界面反应。Miedema模型是计算二元合金热力学的一种重要手段，且计算值和试验值吻合度较高。
将计算得到的元素活度考虑进热力学过程中可得到合金熔体中各元素与SiO2陶瓷型芯反应的吉布斯自由能与温度的关系，Hf与SiO2反应的吉布斯自由能最低，反应最容易发生。同时，Al2O3的吉布斯自由能较低，说明在界面反应过程中，Al元素也可以与SiO2中的O置换生成Al2O3。在考虑浓度的情况下，由热力学计算结果可知，在给定条件下合金熔体中能与SiO2陶瓷型芯发生置换反应的有Hf、Al和Ti元素，分别生成HfO2、Al2O3和TiO2。1 530 ℃时反应的吉布斯自由能结果见表5。
图4氧化物的吉布斯自由能变化与温度的关系
对于UGTC47合金，高温下HfO2相的吉布斯自由能变最低，形成趋势最大，同时HfO2相的熔点相对较高（2 900 ℃），在界面反应温度（1 530 ℃）仍具有较好的保护性，对合金中其他活性元素的扩散起到抑制作用。随着反应时间增加，Hf元素在金属熔体中的扩散量也随之增加，因此HfO2层的厚度随着保温时间延长而增加。
此外，在UGTC47合金与HfO2层界面之间形成了Al2O3。根据已有研究报道，Hf的加入可以促进熔融合金与陶瓷型芯在高温下的界面反应，从而增加了表面缺陷和杂质形成的风险。HfO2中的O2-很容易与周围基质中的Al3+反应形成Al2O3层。TAAREA D R等研究发现，Hf质量分数为1.3%的镍基高温合金与熔融石英陶瓷基体反应，会在合金与陶瓷的界面处会产生Al2O3和HfO2的双氧化层，其中Al2O3反应层是作为中间层而存在。
一般熔融石英的熔化温度在1 700 ℃，然而前期试验发现在1 450 ℃左右熔融石英开始出现液态流动，一部分SiO2变得不稳定，会进一步分解并释放出O原子。O原子可以透过HfO2层扩散到合金端，导致新的氧化层形成。来自陶瓷型芯的一部分游离O原子通过HfO2层扩散并进入高温合金，与高温合金熔体中的活泼性金属元素接触发生氧化反应。此外，Al的熔点低于合金中其他金属元素（Ti、Hf）的熔点，其低原子序数和较小的半径有利于在金属熔体中的扩散，促进了Al元素从UGTC47合金熔体扩散到界面处。Al比Hf有更高的蒸气压力，因此Al在气相中更容易迁移，从而被氧化嵌入到HfO2与合金基体之间的孔隙中。同时陶瓷型芯形成低熔点液相，推动合金中Al元素的扩散和氧化，界面层趋向合金内部。由于1 530 ℃下陶瓷型芯中获得的游离O原子较少，形成的Al2O3反应物数量较少，Al2O3反应层的厚度在1~3 h下无明显变化。此外，来自于陶瓷型芯的游离O原子已被Al元素消耗形成Al2O3层，因此没有形成新的反应层。UGTC47合金/硅基陶瓷型芯界面反应的形成机理见图5。
图5UGTC47合金/硅基陶瓷型芯界面反应的形成机理
【主要结论】
（1）UGTC47合金与硅基陶瓷型芯界面反应后，在界面处形成了HfO2和Al2O3两个界面反应层，随着反应时间增加，HfO2层的厚度由5.82 μm增加到11.13 μm，Al2O3层的厚度由2.31 μm增加到2.95 μm。
（2）根据结构和热力学分析，UGTC47合金中Hf元素与SiO2发生置换反应形成HfO2的反应吉布斯自由能变最小且满足元素扩散，因此首先形成HfO2反应层。HfO2中的O和SiO2分解产生的O扩散通过HfO2层与合金中的金属元素Al接触，发生氧化反应形成了Al2O3层。
【引用格式】
戴睿卿，玄伟东，张强，等. 定向高温合金UGTC47与硅基陶瓷型芯界面反应研究［J］. 特种铸造及有色合金，2025，45（1）：112-117.
DAI R Q，XUAN W D，ZHANG Q，et al. Interfacial reaction between UGTC47 directional superalloy and silicon-based ceramic core［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2025，45（1）：112-117.
扩展阅读：欢迎登陆www.special-cast.com，阅读、下载、引用《特种铸造及有色合金》期刊上发表的论文。
“我是特种铸造及有色合金的AI小铸手，您有任何问题都可以问我哦”
来源：特铸杂志