Mezifázové reakce mezi materiálem kelímku a tavenou slitinou jsou klíčovým faktorem ovlivňujícím čistotu slitiny a úroveň vměstků. Podrobné experimentální studie provedené Chen Guangyao a kol. (2024) objasňují mechanismy probíhající při kontaktu MgO kelímků s taveninami superslitin na bázi niklu.

Reakční procesy

• Tavení čistého Ni: MgO kelímek vykazuje převážně dobrou smáčivost s minimálními reakcemi;
• Tavení superslitin na bázi Ni: MgO se rozpouští a rozkládá, přičemž uvolněný kyslík reaguje s Al ve slitině za vzniku Al₂O₃;
• Vzniklé Al₂O₃ dále reaguje s MgO matricí a vytváří spinelovou vrstvu MgAl₂O₄ o tloušťce přibližně 80 μm.

Charakteristiky vrstev

• Na vnitřním povrchu kelímku se vytváří dvouvrstvá struktura: zbytkový MgO substrát a vnější vrstva Al₂O₃/MgAl₂O₄;
• Analýzy SEM a XRD potvrzují vznik spinelu a odhalují struskové vrstvy, které mohou plavat v tavenině a stát se vměstky.

Výhody / řízení procesu

• Maximální snížení pórovitosti kelímku za účelem omezení infiltrace taveniny;
• Snížení obsahu Al v tavenině a udržování teploty tavení ≤1 550 °C pro omezení reakční kinetiky.

Výsledky validace

Ve srovnání se standardními kelímky snížil návrh společnosti Weiert Ceramics tloušťku reakční vrstvy přibližně o 45 % a obsah plovoucích struskových vměstků zhruba o 50 %. Při mikroskopickém pozorování se povrch taveniny jevil výrazně čistší.

Shrnutí

Mezifázová reakce mezi MgO kelímky a superslitinami na bázi niklu je jevem se dvěma stránkami: může stabilizovat stěnu kelímku, ale zároveň kontaminovat slitinu. Díky optimalizované struktuře a vhodným povlakům poskytují kelímky Weiert Ceramics čistší rozhraní a vyšší integritu slitiny.

Reference：

• Chen Guangyao et al., Interface Reaction Mechanism between MgO Crucible and Ni-Based Superalloy, Journal of the Chinese Ceramic Society, 2024.
• Yan Jing, Vacuum Induction Melting of BY-Series Deformation Nickel-Based Superalloy: Loss Mechanisms of MgO Crucibles, Journal of Large-Scale Forgings & Presses, 2024.
• Wang Hailu, Microstructure and Mechanisms of Corundum–Mullite Refractories and their Interaction with Nickel-Based Superalloys, PhD Thesis, Wuhan University of Science & Technology, 2024.