重型燃機(jī)葉片熔模精密鑄造陶瓷型芯開(kāi)發(fā)

曾洪,何建,伍林,楊照宏,楊功顯

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)，618000)

0 引言

陶瓷型芯是重型燃?xì)廨啓C(jī)透平空心葉片精密鑄造過(guò)程中的重要轉(zhuǎn)接件，它的作用是形成葉片內(nèi)部冷卻通道。陶瓷型芯應(yīng)滿足以下幾個(gè)要求[1-3]：（1）足夠的強(qiáng)度，滿足型芯在蠟?zāi)褐啤⒚撓灪蜐沧⑦^(guò)程中不發(fā)生斷裂；（2）低的熱變形量，保證陶瓷型芯在澆注過(guò)程中盡量低的變形，滿足燃?xì)廨啓C(jī)葉片內(nèi)腔精度要求；（3）合適的孔隙率，保證澆注完成后型芯容易脫出。目前，發(fā)達(dá)國(guó)家在陶瓷型芯方面已形成了專業(yè)化的生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于精密鑄造中，國(guó)際陶瓷型芯市場(chǎng)也一直被這些國(guó)外公司壟斷。我國(guó)在陶瓷型芯方面的研究剛剛起步，特別是重型燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片用陶瓷型芯，由于尺寸大、形狀復(fù)雜、制作技術(shù)含量高，需要長(zhǎng)期的研究投入。

本文介紹了一種燃機(jī)葉片用硅基陶瓷型芯制備方法及性能研究。

1 陶瓷型芯制備

原料：（1）基體材料：熔融石英粉、氧化鋯粉、氧化鋁粉。（2）礦化劑：氧化鋁粉、氧化鎂粉。（3）增塑劑：石蠟、蜂蠟、油酸。

基體材料、礦化劑與增塑劑的比例為（82~70）:（3~10）:（15~20），其中油酸含量為粉料質(zhì)量的1%~5%。

制備流程見(jiàn)圖1。

圖1 陶瓷型芯制備流程

2 性能檢測(cè)及分析

2.1 顯氣孔率、吸水率及體積密度

顯氣孔率參照標(biāo)準(zhǔn)HB 5353.1-2004進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試過(guò)程如下：

將試樣在110 ℃烘干2h，立刻轉(zhuǎn)移至干燥器中，冷卻半小時(shí)，快速稱量試樣重量G1。將試樣放入燒杯中，加入去離子水，加熱至沸騰，繼續(xù)加熱2h，直到型芯沒(méi)有氣泡逸出。冷卻1h后，稱量型芯完全浸沒(méi)到水中的質(zhì)量G3，記錄水溫，查詢對(duì)應(yīng)水密度d。取出型芯，用完全浸濕的綢布匹擦拭型芯表面殘留水， 測(cè)試型芯飽和水后在空氣中的重量G2。計(jì)算型芯的顯氣孔率B、吸水率W以及體積密度D。B=(G2-G1)/(G2-G3)×100%W=(G2-G1)/G1×100%D=(G1×d)/(G2-G3)×100%

表1為型芯的顯氣孔率、吸水率和體積密度結(jié)果，從表中可以看出，型芯的顯氣孔率為32%~36%，吸水率為21%~24%，體積密度為1.48~1.56g/cm3。

表1 硅基陶瓷型芯試樣顯氣孔率、 吸水率和體積密度

2.2 抗彎強(qiáng)度

抗彎強(qiáng)度檢測(cè)參照標(biāo)準(zhǔn)HB5353.3-2004，試樣規(guī)格為60mm×10mm×4mm。

表2為型芯在不同燒結(jié)溫度下的抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

表2 焙燒溫度對(duì)型芯抗彎強(qiáng)度的影響（高溫強(qiáng)度為1450 ℃測(cè)試）

從表2可以看出，隨焙燒溫度的升高，室溫強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度都呈上升趨勢(shì)。焙燒溫度提高，燒結(jié)程度增大，因此室溫強(qiáng)度增大。高溫強(qiáng)度來(lái)自于方石英含量的增加，而方石英的形成主要從1200 ℃開(kāi)始，因此在1200 ℃以前高溫強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯。

表3為分別用硅酸乙酯水解液和硅溶膠進(jìn)行高溫強(qiáng)化對(duì)型芯抗彎強(qiáng)度的影響。強(qiáng)化過(guò)程為將型芯放入烘箱中除去水分，然后放入到硅酸乙酯強(qiáng)化液或硅溶膠中，直到?jīng)]有氣泡為止。取出型芯，室溫干燥24h，然后放入烘箱中110 ℃干燥8 h。

表3 高溫強(qiáng)化對(duì)型芯抗彎強(qiáng)度的影響（高溫強(qiáng)度為1 450 ℃測(cè)試）

從表3可以看出，高溫強(qiáng)化對(duì)型芯低溫強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，且隨強(qiáng)化次數(shù)的增加，低溫強(qiáng)度增強(qiáng)明顯，硅酸乙酯強(qiáng)化對(duì)低溫強(qiáng)度的影響大于硅溶膠強(qiáng)化。硅酸乙酯效果好于硅溶膠的原因可能是硅酸乙酯是以水解液的形式進(jìn)入，硅溶膠是以納米顆粒進(jìn)入，由于孔尺寸限制，硅溶膠顆粒進(jìn)入少，更多是聚集于型芯表面層。高溫強(qiáng)化對(duì)于型芯高溫強(qiáng)度增強(qiáng)明顯，且硅酸乙酯效果明顯優(yōu)于硅溶膠。兩者的增強(qiáng)原理均為強(qiáng)化劑進(jìn)入到型芯內(nèi)部，最終以無(wú)定性二氧化硅的形態(tài)存在于孔隙中，當(dāng)溫度升高，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榉绞ⅲ⒆鳛榫ХN，加快型芯方石英轉(zhuǎn)化速率。因?yàn)楣杷嵋阴ニ庖簭?qiáng)化更為均勻，形成的二氧化硅顆粒更為細(xì)小，因此強(qiáng)化效果更好。

表4為經(jīng)過(guò)高溫強(qiáng)化后再經(jīng)過(guò)低溫強(qiáng)化對(duì)型芯室溫強(qiáng)度的影響。低溫強(qiáng)化過(guò)程為將經(jīng)過(guò)高溫強(qiáng)化的陶瓷型芯放入到環(huán)氧樹(shù)脂低溫強(qiáng)化劑中浸泡，直到?jīng)]有氣泡為止，室溫干燥24h，再在70℃烘箱中干燥8h。

表4 高/低溫強(qiáng)化對(duì)型芯室溫強(qiáng)度的影響MPa

從表4可以看出，低溫強(qiáng)化對(duì)型芯的室溫強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)作用。

2.3 熱變形量

熱變形量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)參考HB5353.4-2004，試樣規(guī)格為120mm×10mm×4mm。

圖2為熱變形試樣放置到試樣臺(tái)上的照片（單支點(diǎn)法，懸臂80mm）。

圖2 單支點(diǎn)熱變形試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)10 ℃/min 的升溫速率達(dá)到1 450 ℃， 保溫30 min， 圖3 是型芯未經(jīng)強(qiáng)化而直接進(jìn)行熱變形試驗(yàn)過(guò)程中的照片， 圖3（a）為920 ℃， 圖3（b）為1 450 ℃， 可見(jiàn)型芯在1450 ℃已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重變形。

圖4為經(jīng)過(guò)高溫強(qiáng)化后熱變形試驗(yàn)中的照片，圖4（a)為900 ℃，圖4（b)為1450 ℃，可見(jiàn)兩者變化很小，經(jīng)測(cè)試，1450 ℃最終變形量約為0.3mm，滿足應(yīng)用要求。

圖3 未強(qiáng)化型芯熱變形試驗(yàn)

圖4 型芯強(qiáng)化后熱變形試驗(yàn)中照片

3 結(jié)論

（1）高溫強(qiáng)化對(duì)型芯室溫強(qiáng)度具有增強(qiáng)作用，且隨強(qiáng)化次數(shù)的增加，室溫強(qiáng)度增強(qiáng)明顯，硅酸乙酯強(qiáng)化對(duì)室溫強(qiáng)度的影響大于硅溶膠強(qiáng)化。

（2）環(huán)氧樹(shù)脂低溫強(qiáng)化劑對(duì)型芯的室溫強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)作用。

（3）高溫強(qiáng)化可以降低陶瓷型芯熱變形量。高溫強(qiáng)化后型芯1450 ℃熱變形量約為0.3mm。

[1]姜不居.實(shí)用熔模鑄造技術(shù)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2008

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[3]王毅強(qiáng).硅基陶瓷型芯制備與性能分析[D].西安西北工業(yè)大學(xué), 2005