隨著科技的飛速發展，2025年精密鑄造行業呈現出蓬勃發展的態勢。據相關數據顯示，全球精密鑄造市場規模預計在2025年將進一步擴大，在航空航天、能源等領域的需求持續增長。高溫合金作為航空發動機和燃氣輪機發展的關鍵材料，其精密鑄造技術至關重要，而鑄造用坩堝的性能則直接影響著高溫合金鑄件的質量。不同材質的坩堝在高溫合金精密鑄造中有著不同的表現和應用情況，下面將對其進行詳細介紹。

  一、MgO 質坩堝在高溫合金精密鑄造中的局限性

  《2025-2030年全球及中國精密鑄造行業市場現狀調研及發展前景分析報告》指出，在高溫合金精密鑄造過程中，MgO 質坩堝的使用效果並不理想。當爐內真空度為 0.1Pa，合金在 1500℃保溫 5min 時，在碳脫氧平衡條件下，當 p (CO)=0.1 Pa，碳含量 (w) 為 3×10⁻⁵，平衡氧含量 (w) 為 3.11×10⁻¹⁰時，計算得出 p (Mg)=5×10³ Pa ，遠遠高於試驗真空度。這使得 Mg 蒸氣揮發，從而促進坩堝向合金熔體供氧。同時，MgO 還會與合金中的碳發生分解反應，當合金中的氧含量達到固溶極限時，分解的氧會與合金中的其他元素生成 Al₂O₃夾雜物。此外，熔煉過程中部分 MgO 會剝落進入合金熔體，與 Al₂O₃生成 MgAl₂O₄夾雜物。因此，在高溫、高真空的合金精密鑄造工況下，MgO 質坩堝難以滿足要求。

  二、Al₂O₃質坩堝在高溫合金精密鑄造中的耐火材料夾雜問題

  Al₂O₃質坩堝在高溫合金精密鑄造工況中存在一定程度的耐火材料夾雜問題。在真空中頻感應爐熔煉高溫合金，溫度為 1450℃並保溫 30min 的試驗中，Al₂O₃坩堝與合金髮生界面反應，界面反應層中 Al、Ti 和 O 元素髮生富集，並溶有 Cr、Ni、Fe 和 Co 等元素。研究還發現，當採用 Al₂O₃熔煉鎳基高溫合金時，Al₂O₃會分解產生 Al₂O 和蒸氣，其分解壓大於試驗真空度 0.1Pa，導致 Al₂O₃坩堝會向合金熔體供氧，並且部分剝落進入合金熔體，使合金中夾雜物數量增加。雖然目前國內要求不高的高溫合金鑄造領域廣泛使用剛玉 - 尖晶石材質的 Al₂O₃質坩堝，但它仍存在一定缺陷。

  三、CaO 質坩堝在高溫合金精密鑄造中的應用限制

  CaO 是一種鹼性耐火材料，熔點高達 2570℃，熱力學非常穩定，從理論上來說不存在對高溫合金鑄件污染的問題，且價格便宜，曾被用於冶煉多種合金，如 TiFe 儲氫合金、TiAl 和 TiNi 形狀記憶合金等。然而，在使用 CaO 坩堝真空感應熔煉 Ti - 1100 合金時，發現坩堝在熔煉過程中會發生一定的物理侵蝕及輕微的化學溶解，這會直接影響合金的成分及硬度。更為關鍵的是，CaO 極易水化的性能很難得到改善，這一特性極大地限制了其在工業中規模化應用於高溫合金精密鑄造領域。

  四、ZrO₂質坩堝在高溫合金精密鑄造中的優勢與挑戰

  從熱力學角度來看，ZrO₂的分解壓較低，具有較好的穩定性，並且與合金液潤濕性差，是高品質高溫合金精密鑄造的理想材質之一。在對鎳基合金與 ZrO₂的相關研究中發現，鎳基合金與 ZrO₂最初接觸角和平衡接觸角表明二者不發生潤濕。不過，ZrO₂存在抗熱震性差的問題，這在很大程度上限制了它的應用。儘管有研究發現摻雜 0.8%(w) Al₂O₃的 ZrO₂材料在熔煉鎳基高溫合金時具有較好的抗侵蝕性和抗熱震性，但如何進一步提高 ZrO₂質坩堝的抗熱震性能，仍是高溫合金精密鑄造研究的重點。

  五、Y₂O₃質坩堝在高溫合金精密鑄造中的應用困境

  使用 Y₂O₃坩堝熔煉後的 TiAl 合金中的氧含量遠低於其他一些常見坩堝熔煉後的 TiAl 合金中氧含量，且 Y₂O₃坩堝受合金熔體侵蝕性遠小於其他耐火材料，熔體受 Y₂O₃耐火材料的污染量也大大降低。然而，Y₂O₃坩堝的耐熱衝擊性差，在使用幾次後就會出現嚴重的破損現象，無法實現重複性使用，並且 Y₂O₃相對昂貴。雖然有研究嘗試通過調整 Y₂O₃粉料的級配來改善其抗熱震性，但熔煉次數仍遠低於工業使用次數，導致其作為坩堝耐火材料的應用受到較大限制。

  六、BaZrO₃質坩堝在高溫合金精密鑄造中熔鑄活潑金屬的獨特優勢

  BaZrO₃質坩堝因其獨特的性能適合熔鑄活潑金屬 Ti 合金。從金屬單質與 1mol 氧結合生成氧化物的標準吉布斯自由能變化來看，BaZrO₃的綜合性能在多種相關材料中表現最佳。它為立方鈣鈦礦型結構，晶格常數為 0.4193nm，熔點高達 2700℃，熱膨脹係數只有 0.87×10⁻⁵K⁻¹，熱導率低，在極端熱環境下有較好的機械和結構穩定性。在實際應用研究中發現，BaZrO₃坩堝與合金熔體沒有界面反應，與合金熔體潤濕性較差，金屬錠極易與坩堝剝離且表面光潔，對 TiAl 合金熔體具有良好的化學惰性，對於合金熔體具有較高的化學穩定性。

  綜上所述，高溫合金精密鑄造對坩堝的要求極高，不同材質的坩堝在高溫合金精密鑄造中各有優劣。MgO 質坩堝因分解揮發導致合金液中氧含量增加和夾雜，不適用於高溫高真空工況;CaO 質坩堝受水化性能限制難以規模化應用;Al₂O₃質坩堝存在分解和夾雜問題，僅適用於要求不高的鑄造領域;Y₂O₃質坩堝雖性能優異但成本高且抗熱震性差。而 ZrO₂質坩堝和 BaZrO₃質坩堝展現出一定優勢，其中 ZrO₂質坩堝是航空航天用高品質高溫合金精密鑄造較理想的材質，但需進一步提高其抗熱震性能，優化組成和結構;BaZrO₃質坩堝在熔鑄活潑金屬 Ti 合金方面具有獨特優勢。未來，對高品質高溫合金精密鑄造用坩堝的研究應圍繞這些方向持續深入，以滿足不斷發展的精密鑄造行業需求 。