室溫強(qiáng)化對(duì)陶瓷型芯強(qiáng)度的影響

龐佳敏 陸麗芳

摘 ?要 ?本文講述了陶瓷型芯目前在航空領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展前景，闡述了陶瓷型芯性能強(qiáng)化的重要意義，介紹了在采用環(huán)氧樹脂對(duì)陶瓷型芯進(jìn)行低溫增強(qiáng)的過程中各因素產(chǎn)生的影響，研究了高溫強(qiáng)化、稀釋劑濃度、固化工藝對(duì)室溫強(qiáng)化陶瓷型芯強(qiáng)度的影響，以及強(qiáng)化液種類的選擇。

關(guān)鍵詞 ?陶瓷型芯;環(huán)氧樹脂;高溫強(qiáng)化;稀釋劑濃度;固化工藝

0 ?引 ?言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)正在向高推重比方向發(fā)展，目前提高渦輪的前進(jìn)口溫度是用來提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比最直接且有效的辦法，然而這一過程就讓渦輪葉片在工作過程中所承受的溫度提高，解決這一問題的方法主要有2種：（1）使渦輪葉片的承溫能力得到提高;（2）提升葉片使用中的冷卻技術(shù)。目前，1 757 ℃是先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪前進(jìn)口所能達(dá)到的最高溫度，由于合金受到熔點(diǎn)的限制，單方面的提升合金在使用過程中的承溫能力已經(jīng)無法滿足技術(shù)市場(chǎng)的需求，所以想要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的最佳方法就是葉片冷卻技術(shù)，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高效率的空心氣冷葉片，從而提高葉片使用過程中的冷卻效率。由于生產(chǎn)技術(shù)的需要，葉片內(nèi)腔的形狀逐漸趨于復(fù)雜，一些傳統(tǒng)方法例如鍛壓、電化學(xué)等都已無法滿足需求，只有通過熔模精密鑄造技術(shù)，才能切實(shí)解決這一問題。

1 ?實(shí) ?驗(yàn)

1.1 試樣的制備

本實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象為氧化硅基陶瓷型芯，采用注射成型，將制得的坯體經(jīng)修邊、去毛刺處理后，放在高溫電爐內(nèi)燒結(jié)，得到氧化硅基陶瓷型芯試條。配置不同濃度類型的強(qiáng)化液，將試條置于強(qiáng)化液中進(jìn)行浸泡，然后風(fēng)干、固化，測(cè)量其室溫抗彎強(qiáng)度。

1.2 原料的選擇

6101環(huán)氧樹脂、593固化劑、692稀釋劑。

1.3 測(cè)試方法

測(cè)定室溫抗彎強(qiáng)度（σw），試樣尺寸為3.5 mm×5 mm×70 mm，有效試樣數(shù)不少于5個(gè)。測(cè)定方法如下：測(cè)量試樣的寬度b和厚度h，精確至0.02 mm，在萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，下支點(diǎn)跨距L為30 mm，記錄試樣斷裂時(shí)的最大載荷P，根據(jù)公式計(jì)算室溫抗彎強(qiáng)度。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 高溫強(qiáng)化對(duì)室溫強(qiáng)化陶瓷型芯強(qiáng)度的影響

如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)高溫強(qiáng)化、直接室溫強(qiáng)化的陶瓷型芯的強(qiáng)度明顯高于經(jīng)過高溫強(qiáng)化再室溫強(qiáng)化的陶瓷型芯。分析其原因?yàn)椋盒托窘?jīng)過高溫強(qiáng)化，內(nèi)部的氣孔、間隙被二氧化硅所填充，從而降低強(qiáng)化液中環(huán)氧樹脂分子的進(jìn)入量，降低了陶芯的強(qiáng)度。

2.2 強(qiáng)化液稀釋劑濃度對(duì)室溫強(qiáng)化陶瓷型芯強(qiáng)度的影響

由圖1、表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著強(qiáng)化液中稀釋劑含量的變化，強(qiáng)化所得的陶瓷型芯的強(qiáng)度呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)稀釋劑的含量為40%時(shí)，陶芯的強(qiáng)度達(dá)到最高。

2.3固化工藝對(duì)室溫強(qiáng)化陶瓷型芯強(qiáng)度的影響

由表3所示，依據(jù)編號(hào)1、2可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過24 h風(fēng)干后陶芯試樣的強(qiáng)度低于未經(jīng)風(fēng)干直接加熱固化的陶芯的強(qiáng)度。分析原因?yàn)閺?qiáng)化液風(fēng)干，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，內(nèi)部的一些成分與空氣反應(yīng)，降低了強(qiáng)化的效果。

依據(jù)編號(hào)2～5得圖2，可以發(fā)現(xiàn)隨著固化溫度的升高，陶芯試樣的強(qiáng)度不斷下降。分析原因?yàn)椋S著溫度的升高， 環(huán)氧樹脂發(fā)生熱氧化分解，同時(shí)型芯中的方石英也開始發(fā)生高低溫晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致型芯中產(chǎn)生較多裂紋，從而降低型芯的室溫抗彎強(qiáng)度。

2.4 強(qiáng)化液類別的選擇

如表4所示，表中強(qiáng)化液的組成均是等量的環(huán)氧樹脂加相同濃度的稀釋劑構(gòu)成，由于固化劑的選擇不同，故強(qiáng)化后的效果不同，可以發(fā)現(xiàn)兩者強(qiáng)化后陶瓷型芯試樣的強(qiáng)度差別較小，編號(hào)1的強(qiáng)度高于編號(hào)2的強(qiáng)度。兩種固化劑的選擇不同，所對(duì)應(yīng)的的強(qiáng)化現(xiàn)象不同，各有優(yōu)缺點(diǎn)：

（1）593固化劑優(yōu)點(diǎn)：強(qiáng)化所得的陶芯樣品的強(qiáng)度較高，強(qiáng)化液所能放置的時(shí)間較長(zhǎng)。缺點(diǎn)：強(qiáng)化液的流動(dòng)性相較于聚酰胺做固化劑的溶液的流動(dòng)性低，較適用于形狀較為簡(jiǎn)單的陶瓷型芯樣品。

（2）聚酰胺做固化劑優(yōu)點(diǎn)：所制得的強(qiáng)化液流動(dòng)性較好，能用于較為精密復(fù)雜的陶瓷型芯樣品。

缺點(diǎn)：強(qiáng)化所得的陶瓷型芯樣品的強(qiáng)度低于593固化強(qiáng)化液強(qiáng)化的樣品的強(qiáng)度，并且所制得的強(qiáng)化液放置時(shí)間較短，于0.5～1 h后會(huì)產(chǎn)生少量的底部沉淀，影響強(qiáng)化效果。

因此，可以依據(jù)實(shí)際情況選取不同的固化劑。

3 ?結(jié) ?論

（1）高溫強(qiáng)化會(huì)對(duì)陶瓷型芯室溫強(qiáng)化產(chǎn)生影響，使得室溫強(qiáng)化的樣品強(qiáng)度降低。

（2）強(qiáng)化液稀釋劑的濃度要選擇合適，本實(shí)驗(yàn)的稀釋劑濃度選擇為40%最為合適。

（3）不同的固化工藝將對(duì)陶瓷型芯室溫強(qiáng)化后試樣強(qiáng)度產(chǎn)生影響，本實(shí)驗(yàn)最佳固化工藝為：樣品不經(jīng)風(fēng)干，直接120 ℃固化2 h。

（4）不同固化劑的選擇對(duì)強(qiáng)化過程產(chǎn)生不同的影響，應(yīng)依據(jù)實(shí)際情況選擇不同的固化劑。

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