在快速感应熔炼过程中，CoCrMo合金熔体与铝硅酸盐陶瓷纤维坩埚之间的表面及界面反应机理

《Applied Surface Science》：Surface and interfacial reaction mechanism between CoCrMo alloy melt and aluminosilicate ceramic-fiber crucibles during rapid induction melting

　　

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  CoCrMo熔体对铝硅酸盐陶瓷纤维坩埚表面的降解作用。
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  在界面处形成了以Cr₂O₃为主导的反应层，并含有MnCr₂O₄颗粒。
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  富含SiO₂的表面层导致氧化物质的吸收和氧化物夹杂物的形成。

引言

CoCrMo合金由于其优异的耐磨性、耐腐蚀性、生物相容性和机械性能，在生物医学植入物、牙科修复体和其他高性能精密铸造部件中得到了广泛应用[1]、[2]、[3]。精密 Investment铸造是一种利用CoCrMo合金制造复杂、高精度部件的重要方法[4]、[5]、[6]。熔化和浇注过程直接影响熔体的洁净度、气体元素含量以及非金属夹杂物的形成，进而影响最终铸件的质量和可靠性[7]、[8]、[9]。先前的研究表明，熔化过程中氧含量的增加通常会增加氧化物夹杂物的形成风险[10]，这可能会对CoCrMo合金的机械性能、疲劳可靠性和使用寿命产生负面影响[11]、[12]。因此，在熔化和浇注过程中控制氧的吸收、反应生成的夹杂物以及熔体与陶瓷之间的相互作用是保持精密铸造CoCrMo合金熔体洁净度的关键。

快速感应熔化与底部浇注的结合为CoCrMo合金的精密 Investment铸造提供了新的工艺方案。在这一过程中，高频高功率的感应源可快速加热合金锭，实现快速升温与熔化[13]、[14]。特别设计的底部开口坩埚使熔融合金在重力作用下直接流出，完成浇注过程，减少了传统倾斜浇注所需的步骤。这种集成工艺缩短了熔化和浇注周期，提高了生产效率，并降低了二次熔体污染的风险[15]、[16]、[17]。关于CoCrMo合金感应熔化的研究显示，熔化功率和加热条件会影响铸件的微观结构、气孔率和机械性能，表明熔化过程中的能量输入和加热行为对铸件质量至关重要[18]。此外，在快速感应熔化过程中，线圈、合金锭和坩埚之间的相对位置会改变电磁耦合效率、涡流分布和局部热源强度，从而影响熔化路径、熔化时间和合金锭的残余质量[19]、[20]。在当前的集成熔化和浇注工艺中，使用底部开口的陶瓷纤维坩埚使熔融合金熔化后直接流出，因此线圈与合金锭之间的相对位置是控制从快速加热熔化到底部浇注转变的关键几何参数。然而，关于这一几何参数如何同时影响电磁能量输入、温度变化、熔化效率及合金利用率的机制仍需进一步研究。更重要的是，这些熔化过程的变化是否会影响熔体洁净度和熔体与坩埚之间的界面反应尚不明确。

陶瓷纤维材料因其低密度、低热导率、低热容和优异的耐热震性，被广泛用于高温隔热部件、热障结构及辅助熔化和铸造部件[21]、[22]。特别是铝硅酸盐陶瓷纤维坩埚，由于其低热容和低热导率以及良好的成型性，非常适合快速感应熔化和底部浇注工艺，后者可以减少热量吸收并提高局部加热效率[23]、[24]。然而，这些坩埚通常具有纤维状多孔结构，并含有SiO₂和Al₂SiO₅等铝硅酸盐氧化物成分。在高温、低压和强烈局部热输入的快速感应熔化条件下，坩埚表面的铝硅酸盐氧化物可能会与CoCrMo熔体发生元素迁移和氧化反应，影响熔体洁净度、非金属夹杂物的控制及铸件的使用寿命[25]、[26]。研究表明，金属熔体可以渗透铝硅酸盐纤维结构，而来自陶瓷侧的熔渣颗粒或反应产物可能会进入熔体形成非金属夹杂物[12]、[14]。总体上，耐火材料/熔渣/夹杂物的相互作用会影响界面质量传递、夹杂物演变和熔体洁净度[27]、[28]、[29]。高温超合金/陶瓷界面研究还表明，反应性陶瓷表面可直接参与界面化学反应，伴随元素转移和新反应产物或反应层的形成[30]、[31]。这些发现表明，与反应性金属熔体接触的陶瓷材料并不总是化学惰性的。因此，在评估这种坩埚在快速感应熔化结合底部浇注中的适用性时，明确CoCrMo合金熔体与铝硅酸盐陶瓷纤维坩埚之间的界面反应行为至关重要。

因此，核心的科学问题不在于如何提高熔化效率，而在于感应加热条件如何调节熔化过程，从而改变CoCrMo熔体与陶瓷坩埚之间的化学相互作用。在本研究中，选取了ΔH作为可控几何参数来调节合金锭在感应场内的相对位置。通过将电磁加热和温度变化与熔化行为、氧吸收、坩埚表面降解、选择性氧化及氧化物夹杂物形成相关联，本文建立了CoCrMo/铝硅酸盐陶瓷纤维系统过程中的热界面关系。这一关系为理解熔化效率、材料利用率和熔体洁净度之间的权衡提供了机制基础，并展示了感应加热条件如何间接控制快速熔化过程中的高温金属/陶瓷界面化学反应。

章节片段

快速感应熔化实验

本研究中使用的快速感应熔化装置如图1所示。实验过程中，CoCrMo合金锭通过感应加热迅速熔化。采用专门设计的底部开口铝硅酸盐陶瓷纤维坩埚进行快速加热、熔化和浇注。同时，位于坩埚上方的红外温度测量系统实时监测合金锭顶面的温度。

感应线圈与合金锭相对位置对熔化行为和氧氮含量的影响

图2展示了不同ΔH条件下熔化后的宏观组织形态。表2总结了相应的氧氮含量、残余金属质量、熔化时间和浇注温度。图3进一步比较了不同ΔH条件下的材料利用率和熔化效率。材料利用率定义为((m₀-m_r)/m₀)×100%，熔化效率定义为((m₀-m_r)/t)，其中m₀、m_r和t分别代表初始合金锭的质量和熔化时间。

熔化效率和材料利用率的不同趋势表明，ΔH并不简单地增强或抑制熔化过程，而是改变了合金锭吸收的电磁能量及熔化过程中的温度变化。在较小的ΔH值下，更强的电磁耦合会产生更高的欧姆功率和更快的加热速率，使得底部浇注开始得更早，尽管仍有较多的残余金属未完全熔化。

结论

• (1)
  感应线圈与合金锭的相对位置控制了材料利用率和熔化效率之间的权衡。当ΔH从0增加到3 cm时，残余金属质量从275.6 g减少到26.1 g，材料利用率从88.5%增加到98.9%。然而，熔化时间从82 s增加到128 s，熔化效率从1.55 kg·min^?1降低到1.11 kg·min^?1。
• 界面反应主要由...

Fuwei Wang：撰写——审稿与编辑、原始稿撰写、验证、方法学设计、数据整理、概念构思。Huarui Zhang：撰写——审稿与编辑、资源协调、方法学设计、资金争取、概念构思。Ying Cheng：验证、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。Shoubin Zhang：验证、资源协调、项目管理、资金争取、概念构思。Hu Zhang：撰写——审稿与编辑、资源协调、方法学设计。

作者声明没有已知的可能会影响本研究工作的财务利益或个人关系。

本工作得到了宁波永江人才计划（编号2021A-035-G）的支持。

Fuwei Wang|Huarui Zhang|Ying Cheng|Shoubin Zhang|Hu Zhang