陸麗芳 張弘毅 武振飛

摘 ?要 ?本文使用熔融石英粉體制備氧化硅陶瓷型芯，通過對(duì)熔融石英粒度分布的調(diào)整，研究了由單峰和雙峰熔融石英粉體制備的陶瓷型芯之間的性能差異，以及雙峰熔融石英粉體的粒度分布對(duì)硅基陶瓷型芯收縮、強(qiáng)度、體積密度、撓度等性能的影響。

關(guān)鍵詞 ?雙峰;粉體級(jí)配;硅基陶瓷型芯

0 ?引 ?言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)的性能是衡量飛機(jī)性能的關(guān)鍵因素之一，隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，其渦輪前溫度開始受到葉片承溫能力的限制很難繼續(xù)提高。而采用氣冷空心葉片技術(shù)可以有效提高葉片在高負(fù)荷、高溫環(huán)境中的承溫能力。為了提高葉片冷卻效率，需要采用熔模鑄造的方式來生產(chǎn)內(nèi)部具有復(fù)雜精密空腔結(jié)構(gòu)的葉片，陶瓷型芯是熔模鑄造的關(guān)鍵。

在熔模鑄造過程中，陶瓷型芯會(huì)受到高速蠟液沖擊，溫度的急劇變化，1 550 ℃以上的環(huán)境中承受金屬液浸泡等惡劣工作環(huán)境的影響。因此，陶瓷型芯需要具備良好的強(qiáng)度、抗高溫蠕變能力和熱脹匹配性等性能。本文選用兩種不同粒度分布的熔融石英粉體，按不同配比混合成具有雙峰粒度分布的熔融石英粉體，研究由單峰和雙峰粉體制得的陶瓷型芯間性能差異以及雙峰粉體級(jí)配對(duì)硅基陶瓷型芯性能的影響。

1 ?實(shí)驗(yàn)條件和方法

以兩種不同粒度分布的熔融石英粉體為基體材料，按比例配置后加入其他硅酸鹽礦物和蠟基粘結(jié)劑充分混合制得喂料，其中陶瓷粉體和蠟基粘結(jié)劑按19：100質(zhì)量比配置，蠟基粘結(jié)劑的主要成分包含有蜂蠟、分散劑、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和低密度聚乙烯（LDPE）等添加劑。

本實(shí)驗(yàn)所用陶瓷粉體粒度分布如表1所示，雙峰熔融石英體系陶瓷型芯配方如表2所示。

實(shí)驗(yàn)中喂料在立式注射成型機(jī)上制成100 mm*12.7 mm*4.15 mm的樣條，在井式電爐中埋燒脫脂，燒結(jié)溫度為1 200 ℃，保溫時(shí)間6 h。

2 ?結(jié)果與討論

2.1熔融石英粉體級(jí)配對(duì)體積密度、顯氣孔率的影響

圖1為采用阿基米德排水法測(cè)得的陶瓷型芯體積密度隨粒度分布變化的曲線，圖2為顯氣孔率的變化曲線。當(dāng)熔融石英全部使用粗粉，其試樣S1體積密度最低，這時(shí)陶瓷型芯骨架中有較多的孔隙。細(xì)粉表面活性更高，加入適量細(xì)粉可以使試樣得到充分燒結(jié)，大幅度減少顆粒與顆粒之間留存的空隙，從試樣S2到S7，體積密度隨著熔融石英中細(xì)粉比例的增加而上升，顯氣孔率隨之降低;其中試樣S3到S6體積密度提升趨勢(shì)較為顯著，S6到S7的趨勢(shì)比較平緩，這是因?yàn)樵嚇又锌紫稊?shù)量隨著細(xì)粉的加入已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)較低的水平。

2.2熔融石英粉體級(jí)配對(duì)收縮的影響

圖3為陶瓷型芯收縮率隨粒度分布的變化曲線，從圖3中可以看出收縮率總體上隨著試樣中熔融石英細(xì)粉比例的增多而上升，沒有加入細(xì)粉時(shí)收縮率最低為0.324%，純細(xì)粉的收縮率最高達(dá)到0.459%，當(dāng)細(xì)粉含量占熔融石英總量低于50%時(shí)，試樣收縮均在0.4%以下，而當(dāng)細(xì)粉比例高于50%時(shí)，試樣收縮均高于0.4%，熔融石英粉體越細(xì)，則其表面能越高，活化能越大，燒結(jié)更充分，致密度顯著提高，產(chǎn)生較大的燒結(jié)收縮。

2.3熔融石英粉體級(jí)配對(duì)強(qiáng)度的影響

陶瓷型芯燒結(jié)后修坯整形過程中會(huì)受到各種機(jī)械力的作用，在壓蠟時(shí)會(huì)受到高壓、高速的蠟液沖擊，因此室溫強(qiáng)度是衡量陶瓷型芯品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一。圖4為沒有經(jīng)過高溫增強(qiáng)、低溫增強(qiáng)的陶瓷型芯室溫強(qiáng)度的變化曲線，從圖4中可以看出，由粗粉構(gòu)成的試樣S1強(qiáng)度最低，由細(xì)粉構(gòu)成的試樣S7強(qiáng)度最高;從總體上看，陶瓷型芯試樣室溫強(qiáng)度隨著細(xì)粉含量的增多而上升，粗粉減少、細(xì)粉增多讓試樣中孔隙數(shù)量降低，致密度提高，從而提高試樣的室溫強(qiáng)度。圖4中試樣S6強(qiáng)度低于試樣S5是因?yàn)樵嚇又屑?xì)粉大量析出方石英導(dǎo)致微裂紋，造成試樣強(qiáng)度下降。此外，過多的粗粉會(huì)使喂料流動(dòng)性降低，在試樣生坯成型過程中出現(xiàn)大量流紋和氣泡影響試樣的強(qiáng)度。

2.4熔融石英粉體級(jí)配對(duì)撓度的影響

圖5為陶瓷型芯試樣雙支點(diǎn)法在1 540 ℃下保溫半個(gè)小時(shí)的撓度變化曲線，從圖5中可以看出，試樣全部使用熔融石英粗粉時(shí)，熱變形量最低;從S2到S6隨著熔融石英粗粉比例減少，試樣熱變形量增大;當(dāng)試樣中熔融石英全部采用細(xì)粉時(shí)，試樣S7熱變形量達(dá)到最大值為8.53 mm;大量的細(xì)粉大幅度降低玻璃化溫度使陶瓷型芯在澆注高溫金屬液時(shí)產(chǎn)生大量的玻璃相，產(chǎn)生黏性流動(dòng)，而大顆粒可以起到骨架支撐作用，能有效抵御玻璃相的黏性流動(dòng)，增強(qiáng)陶瓷型芯的抗高溫蠕變性能。

3 ?結(jié) ?論

（1）熔融石英粉體整體偏細(xì)可有效降低陶瓷型芯的顯氣孔率，提高體積密度。

（2）隨著熔融石英雙峰粉體中細(xì)粉比例升高，陶瓷型芯試樣收縮總體呈上升趨勢(shì)。

（3）室溫強(qiáng)度隨熔融石英粉體中細(xì)粉比例升高而升高，但過多細(xì)粉會(huì)析出方石英產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

（4）熔融石英粉體細(xì)粉比例升高會(huì)降低陶瓷型芯玻璃化溫度，產(chǎn)生黏性流動(dòng)，導(dǎo)致陶瓷型芯試樣熱變形量增大。

參 考 文 獻(xiàn)

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