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粉体百科:航空发动机涡轮叶片用陶瓷型芯及其制备


来源:中国粉体网   初末

[导读]  陶瓷型芯最先应用于航空工业涡轮发动机空心叶片的铸造,随着其制备技术的不断提高,陶瓷型芯的应用范围也越来越广泛,目前,陶瓷型芯广泛应用于高尔夫球头、船舶用大推力发动机空心叶片、大型薄壁铝合金铸件、化工用叶轮等产品的精密铸造。

中国粉体网讯  陶瓷型芯最先应用于航空工业涡轮发动机空心叶片的铸造,随着其制备技术的不断提高,陶瓷型芯的应用范围也越来越广泛,目前,陶瓷型芯广泛应用于高尔夫球头、船舶用大推力发动机空心叶片、大型薄壁铝合金铸件、化工用叶轮等产品的精密铸造。




陶瓷型芯的分类


陶瓷型芯主要由耐火基体材料、矿化剂和添加剂组成,其中广泛应用的耐火基体材料主要为石英、刚玉等,常见的矿化剂为锆英粉、氧化镁、氧化钇等,此外还有增塑剂、强化剂、成孔剂等材料,目前国内外制造高效气冷涡轮叶片用陶瓷型芯按照基体材料主要分为氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯。


氧化硅基陶瓷型芯


氧化硅基陶瓷型芯以石英玻璃粉为基体材料,添加莫来石、氧化铝、锆英粉等为矿化剂以提高陶瓷型芯的性能。氧化硅陶瓷型芯具有热膨胀系数小、耐火性好、较高的室温和高温强度、易被碱液腐蚀等优点。


氧化硅基型芯中石英玻璃在烧结过程有自发析出方石英的能力,析出的方石英由于具有较高的熔点(1723℃)可以提高陶瓷型芯的耐高温性和抗蠕变性能,此外方石英在陶瓷型芯焙烧过程中可以抑制石英玻璃熔体流动,使型芯收缩率降低,稳定尺寸。但石英的体晶型转变也伴随积变化而产生内应力,导致型芯内产生微裂纹使其强度下降,所以保证陶瓷型芯的综合性能必须严格控制方石英的转变数量。


氧化硅基陶瓷型芯最大的优点是能实现快速脱芯,目前在航空和民用发动机上被广泛使用,但氧化硅陶瓷型芯与型壳的热膨胀系数相差较大,型芯难以固定在型壳中。


氧化铝基陶瓷型芯


与硅基陶瓷型芯相比,氧化铝陶瓷型芯具有更好的高温化学稳定性、高温抗蠕变性,使用温度更高(最高温度可达1850℃),且铝基陶瓷型芯与型壳的热膨胀几乎相同,适合制造高级别的涡轮叶片。但由于氧化铝的熔点极高(2054℃),很难进行烧结,需要添加氧化镁、氧化硅等物质促进烧结。氧化镁在烧结过程中与氧化铝在晶界处反应生成镁铝尖晶石,降低型芯材料的烧结温度,同时氧化镁也会抑制氧化铝晶粒的生长,晶粒细化可提高陶瓷型芯的强度且可保留大量气孔。


氧化铝基陶瓷型芯的耐火性好,化学稳定性、热稳定性更好,是制备新一代涡轮叶片最有竞争力的型芯材料,但氧化铝的高化学稳定性也给型芯的脱除带来不便。


陶瓷型芯的成型


凝胶注模法


为了保证陶瓷型芯的近净尺寸,以及成型出复杂形状的型芯,现在一般选择用凝胶注模成型。美国橡树岭国家重点实验室于20世纪90年代初研究发明了这种陶瓷成型技术,该技术将高分子化学、胶体化学和传统的陶瓷工艺巧妙地结合起来,是一种新型的制备高品质复杂形状陶瓷件的近净成型技术。


凝胶注模成型技术的原理是通过制备高固相体积分数、低黏度的浆料,利用有机单体的聚合作用使浆料发生原位凝固,从而使最后成型的型芯坯体具有高强度和高密度。


压制成型法


干压成型、等静压成型等成型方式均属于压制成型,它们都是在一定压力的作用下使陶瓷粉料受到力的作用而形成陶瓷坯体。其中干压成型需控制坯料中的含水率在4~8%,操作方便、工艺简单且生坯强度高,干燥收缩和烧结收缩都较小,但成型时压力的不均匀分布会导致坯体开裂、分层等缺陷。等静压成型分为冷等静压和热等静压,冷等静压在室温下使粉料受各个方向相同的压力而成型,热等静压是在成型过程的同时进行烧结的一种成型方法。等静压成型要求粉料的粒度小于20μm,粉料含水量为1~3%,这两种成型方法都只能制备形状较简单的陶瓷型芯,且制备的型芯样品的形状和尺寸精度都不高。


热压注成型


热压注成型也叫低压注射成型,是生产特种陶瓷的较为广泛的一种生产工艺,其基本原理是利用石蜡在受热时发生熔化及遇冷后凝固的特点,将没有可塑性的瘠性料和热的石蜡液混合均匀,并在一定压力下将流动性好的浆料注入到金属模具中成型,冷却到蜡浆凝固后,脱模即可得到成型好的坯体。热压注成型是一种近净尺寸的成型方式,目前在制备陶瓷型芯的领域已被广泛采用。


陶瓷型芯的烧结


烧结温度、保温时间以及填料的选择是影响陶瓷型芯性能的重要因素。陶瓷型芯的烧结分为两个阶段:500℃以内的脱腊阶段以及500℃以上的烧结阶段,烧结温度通过影响陶瓷型芯的内部结构而影响陶瓷型芯的高温性能。氧化硅基陶瓷型芯的烧结通常在1100~1400℃温度范围内进行,在出现方石英之前,型芯的烧成强度最大,出现方石英网纹之后,型芯内出现裂纹的倾向增大,型芯强度下降。氧化铝基陶瓷型芯的烧结温度在1300℃,甚至超过1500℃。在设计烧结制度时,要认真考虑升温速率、烧成温度的高低及保温时间的长短,避免降低陶瓷型芯的性能。


参考资料:

许素芳、吴建青.陶瓷型芯的制备方法

梁启如、吴玉胜等.航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯研究进展

陈晓燕、肖旅等.高温合金空心叶片用陶瓷型芯概述


(中国粉体网编辑整理/初末)

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