Die Grenzflächenreaktionen zwischen dem Tiegelmaterial und der geschmolzenen Legierung sind entscheidend für die Reinheit der Legierung und den Einschlussgehalt. Detaillierte experimentelle Untersuchungen von Chen Guangyao et al. (2024) verdeutlichen die Mechanismen, die beim Kontakt von MgO-Tiegeln mit Schmelzen nickelbasierter Superlegierungen auftreten.

Reaktionsprozesse

• Schmelzen von reinem Ni: Der MgO-Tiegel zeigt überwiegend eine gute Benetzbarkeit bei nur geringer Reaktion;
• Schmelzen von Ni-basierten Legierungen: MgO löst sich und zersetzt sich, wobei Sauerstoff freigesetzt wird, der mit Al in der Legierung zu Al₂O₃ reagiert;
• Das gebildete Al₂O₃ reagiert weiter mit der MgO-Matrix und bildet eine etwa 80 μm dicke MgAl₂O₄-Spinellschicht.

Schichtcharakteristik

• Die Innenoberfläche des Tiegels entwickelt eine Doppelschichtstruktur aus verbleibendem MgO-Substrat und einer äußeren Al₂O₃/MgAl₂O₄-Schicht;
• SEM- und XRD-Analysen bestätigen die Spinellbildung und zeigen Schlackenschichten, die in die Schmelze aufschwimmen und potenziell Einschlüsse bilden.

Vorteile / Prozessmaßnahmen

• Reduzierung der Tiegelporosität zur weitgehenden Unterdrückung der Schmelzinfiltration;
• Absenkung des Al-Gehalts in der Schmelze sowie Begrenzung der Schmelztemperatur auf ≤1.550 °C zur Reduzierung der Reaktionskinetik.

Validierungsergebnisse

Im Vergleich zu Standardtiegeln reduzierte das Design von Weiert Ceramics die Dicke der Reaktionsschicht um etwa 45 % und verringerte den Gehalt an schwimmenden Schlackeneinschlüssen um rund 50 %. Unter mikroskopischer Beobachtung erschien die Schmelzoberfläche deutlich sauberer.

Zusammenfassung

Die Grenzflächenreaktion zwischen MgO-Tiegeln und nickelbasierten Superlegierungen ist ein zweischneidiges Phänomen: Sie kann sowohl die Tiegelwand stabilisieren als auch die Legierung verunreinigen. Durch eine optimierte Struktur und geeignete Beschichtungen bieten die Tiegel von Weiert Ceramics eine sauberere Grenzfläche und eine höhere Legierungsintegrität.

Literaturverzeichnis：

• 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.