熔融石英粉體級配對硅基陶瓷型芯性能的影響

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，通過對熔融石英粒度分布的調整，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硅基陶瓷型芯收縮、強度、體積密度、撓度等性能的影響。

關鍵詞 ?雙峰;粉體級配;硅基陶瓷型芯

0 ?引 ?言

航空發動機的性能是衡量飛機性能的關鍵因素之一，隨著航空發動機的不斷發展，其渦輪前溫度開始受到葉片承溫能力的限制很難繼續提高。而采用氣冷空心葉片技術可以有效提高葉片在高負荷、高溫環境中的承溫能力。為了提高葉片冷卻效率，需要采用熔模鑄造的方式來生產內部具有復雜精密空腔結構的葉片，陶瓷型芯是熔模鑄造的關鍵。

在熔模鑄造過程中，陶瓷型芯會受到高速蠟液沖擊，溫度的急劇變化，1 550 ℃以上的環境中承受金屬液浸泡等惡劣工作環境的影響。因此，陶瓷型芯需要具備良好的強度、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配對硅基陶瓷型芯性能的影響。

1 ?實驗條件和方法

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劑充分混合制得喂料，其中陶瓷粉體和蠟基粘結劑按19：100質量比配置，蠟基粘結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。

本實驗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。

實驗中喂料在立式注射成型機上制成100 mm*12.7 mm*4.15 mm的樣條，在井式電爐中埋燒脫脂，燒結溫度為1 200 ℃，保溫時間6 h。

2 ?結果與討論

2.1熔融石英粉體級配對體積密度、顯氣孔率的影響

圖1為采用阿基米德排水法測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。當熔融石英全部使用粗粉，其試樣S1體積密度最低，這時陶瓷型芯骨架中有較多的孔隙。細粉表面活性更高，加入適量細粉可以使試樣得到充分燒結，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體積密度提升趨勢較為顯著，S6到S7的趨勢比較平緩，這是因為試樣中孔隙數量隨著細粉的加入已經達到了一個較低的水平。

2.2熔融石英粉體級配對收縮的影響

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粉比例的增多而上升，沒有加入細粉時收縮率最低為0.324%，純細粉的收縮率最高達到0.459%，當細粉含量占熔融石英總量低于50%時，試樣收縮均在0.4%以下，而當細粉比例高于50%時，試樣收縮均高于0.4%，熔融石英粉體越細，則其表面能越高，活化能越大，燒結更充分，致密度顯著提高，產生較大的燒結收縮。

2.3熔融石英粉體級配對強度的影響

陶瓷型芯燒結后修坯整形過程中會受到各種機械力的作用，在壓蠟時會受到高壓、高速的蠟液沖擊，因此室溫強度是衡量陶瓷型芯品質的標準之一。圖4為沒有經過高溫增強、低溫增強的陶瓷型芯室溫強度的變化曲線，從圖4中可以看出，由粗粉構成的試樣S1強度最低，由細粉構成的試樣S7強度最高;從總體上看，陶瓷型芯試樣室溫強度隨著細粉含量的增多而上升，粗粉減少、細粉增多讓試樣中孔隙數量降低，致密度提高，從而提高試樣的室溫強度。圖4中試樣S6強度低于試樣S5是因為試樣中細粉大量析出方石英導致微裂紋，造成試樣強度下降。此外，過多的粗粉會使喂料流動性降低，在試樣生坯成型過程中出現大量流紋和氣泡影響試樣的強度。

2.4熔融石英粉體級配對撓度的影響

圖5為陶瓷型芯試樣雙支點法在1 540 ℃下保溫半個小時的撓度變化曲線，從圖5中可以看出，試樣全部使用熔融石英粗粉時，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;當試樣中熔融石英全部采用細粉時，試樣S7熱變形量達到最大值為8.53 mm;大量的細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產生大量的玻璃相，產生黏性流動，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，增強陶瓷型芯的抗高溫蠕變性能。

3 ?結 ?論

（1）熔融石英粉體整體偏細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粉比例升高，陶瓷型芯試樣收縮總體呈上升趨勢。

（3）室溫強度隨熔融石英粉體中細粉比例升高而升高，但過多細粉會析出方石英產生微裂紋導致強度下降。

（4）熔融石英粉體細粉比例升高會降低陶瓷型芯玻璃化溫度，產生黏性流動，導致陶瓷型芯試樣熱變形量增大。

參 考 文 獻

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