牛書鑫，劉智鵬，周婷婷，司 遠(yuǎn)，李 鑫，駱宇時(shí)，王東升，郭新龍，石振梅，焦 琦，張騰飛，許西慶

（1.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院先進(jìn)高溫結(jié)構(gòu)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；2.大連理工大學(xué)，大連 124000；3.長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)被稱為飛機(jī)的“心臟”，代表著一個(gè)國(guó)家的航空水平和軍事實(shí)力[1–2]。由于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)起步較晚加之世界各國(guó)的技術(shù)封鎖，航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制是我國(guó)的一項(xiàng)卡脖子工程，自主研制高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)迫在眉睫。衡量航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)之一是推重比，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的高推重比通過提高渦輪燃?xì)鉁囟葘?shí)現(xiàn)[3]，葉片的耐高溫性能成為高推重比的關(guān)鍵。目前，最先進(jìn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪溫度已經(jīng)接近各種合金的熔點(diǎn)[4]，為進(jìn)一步提高渦輪燃?xì)鉁囟?，各?guó)科研機(jī)構(gòu)著力關(guān)注提高發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的散熱能力，通過設(shè)計(jì)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片來代替原來的實(shí)心葉片，熱量可以在冷空氣穿過空心葉片時(shí)被帶走，從而提高散熱效率[5–6]。

在空心葉片的發(fā)展歷程中，其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的電化學(xué)腐蝕和機(jī)械加工等方法很難滿足具有復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的空心葉片的成型，熔模鑄造成為獲得精確內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的理想方法。陶瓷型芯[7–9]在渦輪葉片的熔模鑄造中提供精確復(fù)雜的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，在后續(xù)工序中，面臨著高溫、應(yīng)力、熔融金屬侵蝕等多種極端條件。因此，陶瓷型芯應(yīng)具有優(yōu)越的熱化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性、熱膨脹系數(shù)、強(qiáng)度和抗蠕變性能。

熔融石英是制造陶瓷型芯的常用材料，具有低熱膨脹系數(shù)、優(yōu)良抗熱震性、冶金化學(xué)穩(wěn)定性，且可以在強(qiáng)堿溶液中溶出[9–10]。但熔融石英高溫性能不足，石英玻璃在高溫下轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞⒕?，方石英在冷卻中又發(fā)生α→β相變，相變伴隨體積收縮，使應(yīng)力集中，產(chǎn)生的裂紋導(dǎo)致型芯強(qiáng)度降低。另一方面，方石英晶相可阻礙石英玻璃的黏性流動(dòng)，抑制陶瓷型芯的高溫蠕變，使其尺寸穩(wěn)定性提高。因此，通常加入硅酸鋯、納米石英、氧化鋁等礦化劑[11–13]來改善氧化硅基陶瓷型芯的高溫穩(wěn)定性。

纖維補(bǔ)強(qiáng)是改善陶瓷力學(xué)性能的常用方法[14–15]，并用于各種陶瓷型芯的改性[16–18]。莫來石具有優(yōu)良的抗熱震性和高溫力學(xué)性能[19–20]，可顯著提高硅基陶瓷型芯的力學(xué)性能。根據(jù)結(jié)晶狀況，莫來石纖維可分為多晶莫來石纖維和非晶莫來石纖維，兩種莫來石纖維在氧化硅基陶瓷型芯中的研究還少有報(bào)道，相關(guān)作用機(jī)制仍然有待研究。

本研究分別選用多晶莫來石纖維和非晶莫來石纖維來增強(qiáng)硅基陶瓷型芯的力學(xué)性能，研究莫來石纖維結(jié)晶狀況對(duì)方石英析晶行為的影響，探究不同種類的莫來石纖維改善硅基陶瓷型芯的結(jié)構(gòu)與性能的機(jī)理。

1 試驗(yàn)

本研究制備陶瓷型芯選用的基體原料為熔融石英粉 （SiO2，平均粒徑5 μm），礦化劑為鋯石英粉（ZrSiO4，平均粒徑20 μm），增強(qiáng)相分別為非晶莫來石纖維和多晶莫來石纖維。試驗(yàn)所用的莫來石纖維SEM圖和XRD圖如圖1所示，兩種纖維表面較為光滑，尺寸均勻，平均直徑接近，約為8 μm，平均長(zhǎng)度超過100 μm，XRD譜圖表明兩種纖維的物相組成分別為非晶相和晶體莫來石相（PDF#15–0776）。

圖1 非晶和多晶莫來石纖維的SEM圖和XRD圖Fig.1 SEM image and XRD patterns of the polycrysatl and amorphous mullite fibers

為對(duì)比莫來石纖維形態(tài)對(duì)陶瓷型芯結(jié)構(gòu)和性能的影響，本試驗(yàn)選用3種配方，配方F0為95%熔融石英粉和5%鋯石英粉 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；配方AF3為92%熔融石英粉、5%鋯石英粉和3%非晶莫來石纖維；配方CF3為92%熔融石英粉、5%鋯石英粉和3%多晶莫來石纖維。將上述粉體料與配置好的增塑劑置于攪拌機(jī)中進(jìn)行混合，然后利用熱壓注機(jī)得到型芯坯體，在1190 ℃/6 h的條件下進(jìn)行燒結(jié)，進(jìn)行強(qiáng)化后得到陶瓷型芯。

利用掃描電子顯微鏡分析試樣的斷口形貌，采用X射線衍射分析陶瓷型芯的物相組成。根據(jù)HB 5353.2—2004計(jì)算試條在燒結(jié)中的收縮率；根據(jù)ASTM B962—2015進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測(cè)試，測(cè)試溫度分別為常溫和1540 ℃；根據(jù)HB 5353.4—2004，采用雙懸臂梁法測(cè)試型芯試棒在1540 ℃的高溫蠕變。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

對(duì)不同陶瓷型芯進(jìn)行XRD測(cè)試 （圖2），對(duì)于未添加莫來石纖維的F0陶瓷型芯，其XRD譜圖中檢測(cè)到了硅酸鋯 （PDF#83–1376）和方石英（PDF#27–0605）的特征衍射峰，表明陶瓷型芯中有少量石英玻璃轉(zhuǎn)化為方石英相。對(duì)于含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%非晶莫來石纖維的AF3陶瓷型芯，除檢測(cè)到硅酸鋯 （PDF#83–1376）和莫來石相 （PDF#15–0776），其方石英的含量有所增大，表明非晶莫來石纖維促進(jìn)了方石英的析晶。而加入3%多晶莫來石纖維后，CF3陶瓷型芯的方石英衍射峰強(qiáng)度進(jìn)一步增大，表明多晶莫來石纖維對(duì)方石英析晶的促進(jìn)作用強(qiáng)于非晶莫來石纖維。利用K值法[18]計(jì)算得到3種陶瓷型芯的方石英，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.2%、7.5%和18.3%。

圖2 添加不同莫來石纖維的陶瓷型芯XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of the ceramic cores with different mullite fibers

石英玻璃在高溫下可轉(zhuǎn)化為晶相，析出方石英晶體。根據(jù)Uhlmann均相成核理論[20]，石英玻璃在1300℃的成核醞釀期接近14 h，表明該條件下很難成核。然而大多數(shù)石英玻璃的析晶溫度低于1300 ℃，且析晶始于顆粒表面，表明石英玻璃的主要析晶方式是異相成核。陶瓷型芯中加入的莫來石纖維可以作為晶種，有利于其表面的異質(zhì)成核，在型芯燒結(jié)過程中促進(jìn)石英玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅲ虼朔绞⒑侩S著莫來石纖維的加入而升高。相比于非晶莫來石纖維，多晶纖維具有規(guī)則的晶格結(jié)構(gòu)和原子排列，在熔融石英的異相成核中能提供更多的晶種，因此多晶纖維對(duì)方石英析晶的促進(jìn)作用強(qiáng)于非晶纖維。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

圖3為陶瓷型芯線收縮率與氣孔率隨莫來石纖維種類的變化?？梢钥闯?，隨著莫來石纖維的加入，陶瓷型芯的收縮率降低、顯氣孔率提高。未添加莫來石纖維的F0陶瓷型芯燒結(jié)收縮率為1.22%，氣孔率為29.7%；添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%非晶莫來石纖維的AF3陶瓷型芯，其收縮率降低至0.62%，氣孔率增大為43.4%；對(duì)于含多晶莫來石纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的CF3型芯試樣，其收縮率和氣孔率分別達(dá)到了0.35%和48.9%。在型芯燒結(jié)中，石英玻璃因黏性流動(dòng)而結(jié)構(gòu)致密化，添加莫來石纖維后，由于纖維的比表面積低于氧化硅粉體，在燒結(jié)中起到增強(qiáng)骨架的作用，顯著抑制燒結(jié)致密化，因此降低了型芯的線收縮率，提高了氣孔率。

圖3 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的線收縮率和氣孔率Fig.3 Linear shrinkage and apparent porosity of the ceramic cores with different mullite fibers

相比非晶莫來石纖維，多晶莫來石纖維對(duì)型芯燒結(jié)收縮的抑制作用更加顯著，其原因來源于兩個(gè)方面：（1）多晶莫來石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來石纖維試樣中的方石英，方石英在燒結(jié)中起到提高黏度、阻礙燒結(jié)致密化的作用，因此多晶莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯收縮率的降低效果更加顯著； （2）相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維為熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)，具有更多的結(jié)構(gòu)缺陷，在燒結(jié)過程中能促進(jìn)纖維與熔融石英粉間的擴(kuò)散傳質(zhì)，在一定程度上促進(jìn)型芯的收縮，因此減弱了非晶莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯收縮率的抑制效果。

圖4為不同纖維含量陶瓷型芯的斷面SEM圖。當(dāng)陶瓷型芯中未添加纖維時(shí)，顯微結(jié)構(gòu)較為致密，氣孔較少 （圖4（a））；當(dāng)加入非晶纖維時(shí)，結(jié)構(gòu)變得疏松并產(chǎn)生孔洞 （圖4（b）），這是由于纖維阻礙了陶瓷型芯的燒結(jié)致密化，提高了氣孔率。SEM圖中呈現(xiàn)出明顯的纖維拔出效應(yīng)，有利于改善陶瓷型芯的力學(xué)性能。相比于非晶纖維，多晶纖維試樣結(jié)構(gòu)變得更為疏松 （圖4（c）），且纖維和顆粒之間存在大量孔洞，纖維與顆粒之間結(jié)合較弱，這是由于非晶莫來石纖維處于熱力學(xué)亞穩(wěn)定狀態(tài)，具有更高的結(jié)構(gòu)缺陷，能夠在燒結(jié)過程中促進(jìn)纖維與熔融石英粉之間的擴(kuò)散傳質(zhì)，因此多晶纖維與熔融石英粉間的結(jié)合明顯減弱，并呈現(xiàn)出較多的氣孔，這與48.9%的高氣孔率相一致。

圖4 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的SEM圖Fig.4 SEM images of the sintered ceramic cores with different mullite fibers

2.3 性能研究

如圖5所示，隨著非晶莫來石纖維 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%）的加入，陶瓷型芯的室溫彎曲強(qiáng)度從18.5 MPa增大至27.7 MPa，高溫強(qiáng)度從15.3 MPa增大至22.4 MPa。結(jié)合圖4（b）的SEM圖可知，在型芯破壞過程中會(huì)發(fā)生纖維拔出效應(yīng)，從而提高陶瓷型芯的強(qiáng)度。當(dāng)多晶莫來石纖維添加量為3%時(shí)，陶瓷型芯的室溫、高溫彎曲強(qiáng)度分為24.9 MPa和20.6 MPa，表明多晶莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯的增韌效果低于非晶纖維。結(jié)合圖4（c）SEM圖可知，含多晶纖維的型芯試樣結(jié)構(gòu)較為疏松，且纖維與顆粒之間結(jié)合較弱，因此表現(xiàn)出較低的彎曲強(qiáng)度。相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維原子排列具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，具有更多結(jié)構(gòu)缺陷，在燒結(jié)過程中能促進(jìn)纖維與熔融石英粉間的擴(kuò)散傳質(zhì)，因此非晶纖維與熔融石英粉間的結(jié)合強(qiáng)于多晶纖維，從而表現(xiàn)出更高的強(qiáng)度。

圖5 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的彎曲強(qiáng)度Fig.5 Bending strengths of ceramic cores with different mullite fibers

不同莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯高溫蠕變和溶蝕性的影響如圖6所示。不含氧化鋁礦化劑的F0陶瓷型芯在1540 ℃的蠕變?yōu)?.1 mm，加入3%非晶莫來石纖維后，高溫蠕變減小至0.31 mm，一方面由于莫來石纖維作為高溫相抑制了熔融石英的黏性流動(dòng)，從而降低高溫蠕變性；另一方面，纖維通過微裂紋橋聯(lián)和纖維拔出效應(yīng)提高型芯強(qiáng)度，阻礙試樣的變形。非晶莫來石纖維能顯著提高型芯的高溫穩(wěn)定性，可以很好地滿足精密鑄造對(duì)型芯的性能要求。當(dāng)采取多晶莫來石纖維作為增強(qiáng)相時(shí)，型芯的高溫蠕變?yōu)?.42 mm，表明多晶纖維對(duì)陶瓷型芯的高溫蠕變性能提升效果低于非晶纖維，這是由于多晶纖維與熔融石英顆粒之間的結(jié)合力較弱，且試樣的氣孔率較大，在一定程度上降低了型芯的高溫抗蠕變性能。

圖6 莫來石纖維對(duì)陶瓷型芯高溫蠕變和溶蝕性的影響Fig.6 Effect of mullite fibers on the high temperature creep deformation and leaching rate of ceramic cores

由圖6中的溶蝕性變化可知，對(duì)于未添加莫來石纖維的F0型芯試樣，其溶蝕率為0.24 g/min，隨著莫來石纖維的加入，陶瓷型芯的溶蝕性均明顯增長(zhǎng)，這與氣孔率的變化趨勢(shì)類似，氣孔為堿溶液提供了滲透通道，從而提高了試樣的溶蝕性。當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%時(shí)，非晶、多晶莫來石纖維試樣的溶蝕率分別為1.26 g/min和0.78 g/min，盡管多晶纖維試樣CF3的氣孔率高于非晶試樣AF3，但是非晶纖維更加有利于型芯在鑄造后的溶出。其原因在于兩個(gè)方面：（1）多晶莫來石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來石纖維的試樣，在很大程度上降低了型芯的溶蝕性； （2）相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維處于亞穩(wěn)狀態(tài)，具有更多的結(jié)構(gòu)缺陷，因此更容易在KOH溶液中溶出。

3 結(jié)論

以熔融石英粉為基體，分別以多晶、非晶莫來石纖維為增強(qiáng)相制備硅基陶瓷型芯，并探究了不同纖維對(duì)型芯結(jié)構(gòu)與性能的作用機(jī)制，結(jié)論如下。

（1）非晶、多晶莫來石纖維均促進(jìn)方石英析晶，同時(shí)降低陶瓷型芯的燒結(jié)收縮率，提高顯氣孔率，顯著改善型芯彎曲強(qiáng)度、抗蠕變性能和溶蝕性。

（2）非晶莫來石纖維在促進(jìn)方石英析晶、降低收縮率、提高氣孔率方面效果低于多晶纖維，但由于非晶纖維的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)具有較多的結(jié)構(gòu)缺陷，纖維與顆粒之間結(jié)合緊密，在裂紋擴(kuò)展和纖維拔出中吸收更多能量，從而提高了型芯強(qiáng)度和抗蠕變性，且亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在堿性溶液中具有較高的化學(xué)活性，表現(xiàn)出優(yōu)良的溶蝕性。

（3）添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%非晶莫來石纖維的硅基陶瓷型芯試樣表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，其室溫彎曲強(qiáng)度達(dá)27.7 MPa，高溫強(qiáng)度為22.4 MPa，高溫蠕變?yōu)?.31 mm，溶蝕率為1.26 g/min，能夠很好地滿足空心葉片的澆注需求。