牛書(shū)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(guò)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(guò)設(shè)計(jì)復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)葉片來(lái)代替原來(lái)的實(shí)心葉片，熱量可以在冷空氣穿過(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)石纖維可分為多晶莫來(lái)石纖維和非晶莫來(lái)石纖維，兩種莫來(lái)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(lái)石纖維和非晶莫來(lái)石纖維來(lái)增強(qiáng)硅基陶瓷型芯的力學(xué)性能，研究莫來(lái)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(lái)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(lái)石纖維和多晶莫來(lái)石纖維。試驗(yàn)所用的莫來(lái)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(guò)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(lái)石相（PDF#15–0776）。

圖1 非晶和多晶莫來(lái)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(lái)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(lái)石纖維；配方CF3為92%熔融石英粉、5%鋯石英粉和3%多晶莫來(lái)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(lái)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(lái)石纖維的AF3陶瓷型芯，除檢測(cè)到硅酸鋯 （PDF#83–1376）和莫來(lái)石相 （PDF#15–0776），其方石英的含量有所增大，表明非晶莫來(lái)石纖維促進(jìn)了方石英的析晶。而加入3%多晶莫來(lái)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(lái)石纖維對(duì)方石英析晶的促進(jìn)作用強(qiáng)于非晶莫來(lái)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(lái)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(lái)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(guò)程中促進(jìn)石英玻璃轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞?，因此方石英含量隨著莫來(lái)石纖維的加入而升高。相比于非晶莫來(lái)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(lái)石纖維種類的變化?？梢钥闯?，隨著莫來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)石纖維，多晶莫來(lái)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(lái)源于兩個(gè)方面：（1）多晶莫來(lái)石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來(lái)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(lái)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(lái)石纖維，非晶莫來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)石纖維，非晶莫來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)石纖維后，高溫蠕變減小至0.31 mm，一方面由于莫來(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)石纖維的F0型芯試樣，其溶蝕率為0.24 g/min，隨著莫來(lái)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(lái)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(lái)石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來(lái)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(lái)石纖維，非晶莫來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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。