陶瓷材料在重型燃机叶片研发中的问题探讨

曾洪，杨功显，张松泉，赵代银，何建，伍林

(东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000)

陶瓷材料在重型燃机叶片研发中的问题探讨

曾洪，杨功显，张松泉，赵代银，何建，伍林

(东方汽轮机有限公司 长寿命高温材料国家重点实验室，四川德阳，618000)

陶瓷材料在重型燃机叶片研究和制备中具有重要的作用，陶瓷型芯和陶瓷型壳是其中两种不可替代的陶瓷材料，文章就陶瓷型芯和陶瓷型壳在燃机叶片研发中存在的问题展开论述。主要包括陶瓷型芯和陶瓷型壳原材料、湿法成型、检测标准和计算机辅助研究。

重型燃机叶片，陶瓷型芯，陶瓷型壳

0 引言

在重型燃机叶片（以下简称叶片）研究和制备过程中，陶瓷材料承担了不可替代的作用。陶瓷型芯和陶瓷型壳是燃机叶片开发过程中不可缺少的两种陶瓷材料。陶瓷型壳用于形成叶片铸件的外形，陶瓷型芯用于形成叶片铸件的内腔。在浇铸过程中，陶瓷型芯和陶瓷型壳需要承受高温熔融金属液的冲击和浸泡保持不变形、不断裂及不与高温熔融金属液发生反应。因此，陶瓷型芯和陶瓷型壳必须具备适合的强度和化学稳定性[1]。虽然，从理论上来说，陶瓷材料的化学键成分以离子键和共价键为主，这种化学键决定了大部分陶瓷材料具有较好的高温性能。但是，受原材料和制备工艺等的影响，陶瓷型芯和陶瓷型壳的理论性能得不到充分的发挥，从而影响陶瓷型芯和陶瓷型壳在燃机叶片研发中的使用。本文首先就影响陶瓷型芯和陶瓷型壳理论性能得不到充分发挥的重要因素展开论述。另外，就当前国内基础较为薄弱的陶瓷型芯与陶瓷型壳检测标准和计算机模拟技术展开论述。

1 存在问题探讨

1.1 原材料

从结构来说，陶瓷材料主要由主晶相、晶间相和气孔组成。如果陶瓷型芯以石英玻璃为基体材料，主晶相就是石英玻璃或石英。如果陶瓷型壳以白刚玉为基体材料，主晶相就是白刚玉。石英玻璃的熔点为1 700℃，白刚玉的熔点为2 050℃[1]。从理论上来说，这两种材料都具有较高的强度和化学稳定性。但是，在实际使用过程中往往发现陶瓷型芯和陶瓷型壳变形和断裂的问题。其中一个重要的原因就是大家过度关注主晶相对陶瓷型芯和陶瓷型壳性能的影响，而忽略了晶间相的性质、数量以及分布对陶瓷型芯和陶瓷型壳性能的影响。一般来说，晶间相在主晶相之间的分布存在连续分布和不连续分布两种形式。如果晶间相数量较多，熔点较低，而且又呈连续分布的话，如图1所示，在浇铸过程中，主晶相还未发生任何变化，晶间相就开始发生软化，主晶相随之发生移动，如图2所示，造成陶瓷型芯和陶瓷型壳发生变形和断裂。在这种情况下，陶瓷型芯和陶瓷型壳的性能由晶间相决定,即使主晶相有优异的力学性能和化学稳定性，其性能也得不到充分的发挥。因此，控制晶间相的性质、数量以及分布，使主晶相性能得到充分的发挥，对控制陶瓷型芯和陶瓷型壳的变形和断裂十分重要。对于陶瓷型芯和陶瓷型壳原材料来说，就是要减少低熔点杂质的含量，使陶瓷型芯和陶瓷型壳主晶相性能得到充分的发挥。当前国内原材料存在的问题是杂质较多，原材料制备工艺不稳定，可能各批次原材料的杂质含量都不一样，造成陶瓷型芯和陶瓷型壳性能不稳定。

1.2 湿法成型

图1 晶间相在主晶相之间呈连续分布

图2 在高温下主晶相随着晶间相发生变形

由于叶片陶瓷型芯和陶瓷型壳形状复杂，为满足成型要求，陶瓷型芯和陶瓷型壳原材料必须具备良好的塑性和流动性。因此，陶瓷型芯和陶瓷型壳目前都采取湿法成型。陶瓷型芯一般以有机物作为增塑剂，将基体材料与增塑剂混合均匀，在一定的温度下加热融化，形成具有一定流动性的浆料。陶瓷型壳一般以去离子水和硅溶胶作为增塑剂，将基体材料与水和硅溶胶混合，形成具有一定流动性的浆料。与干法成型相比，湿法成型的优点是能够形成复杂的陶瓷型芯和陶瓷型壳坯体。湿法成型最大的缺点就是形成的浆料不稳定。粉体在增塑剂中分散稳定主要有3种机制：（1）静电机制，通过基体材料颗粒之间的静电引力和斥力保持平衡，避免团聚；（2）空间位阻机制，通过在基体材料颗粒表面形成有机长链，避免颗粒团聚；（3）静电空间位阻机制，从某种程度来说就是静电机制和空间位阻机制的叠加[1-5]。陶瓷型芯浆料在长时间的加热和搅拌过程中，由于增塑剂发生变性或挥发，导致分散稳定机制失效。陶瓷型壳浆料在长时间的搅拌过程中，受环境温度、湿度等的影响，分散稳定机制也会失效。当陶瓷型芯和陶瓷型壳浆料的分散稳定机制失效以后，浆料中的基体材料颗粒就会发生团聚和沉淀，成型后陶瓷型芯和陶瓷型壳坯体各个部分的成分偏离理论值，导致陶瓷型芯和陶瓷型壳各部分性能发生偏移。因此，定期监测陶瓷型芯和陶瓷型壳浆料的成分，保持浆料的稳定性，对陶瓷型芯和陶瓷型壳性能尤为重要。

湿法成型的另外一个特点是增塑剂的去除。增塑剂去除过程中容易遇到的问题是坯体变形、表面起皮、起泡和开裂。陶瓷型芯增塑剂的去除是将陶瓷型芯放入装有填料的匣钵中，然后在一定温度下，增塑剂发生熔化、流动和被填料吸收。在这个过程中，比较关键的因素是升温速度和填料的性能。升温速度过大，陶瓷型芯表面容易发生起皮和鼓泡。填料的吸收性能不好，陶瓷型芯表面也会发生起皮和鼓泡。陶瓷型壳增塑剂的去除是将陶瓷型壳坯体放在具有一定的温度和湿度的环境中，使坯体中的水分发生迁移和蒸发。在这个过程中，如果水分蒸发过快，陶瓷型壳的表面就会开裂。如果水分没有去除完成，陶瓷型壳胶凝程度不够，就会导致陶瓷型壳的强度较低。因此，陶瓷型芯和陶瓷型壳增塑剂的去除过程对陶瓷型芯和型壳理论性能的发挥具有重要影响。

1.3 检测标准

现阶段，国外对陶瓷型芯和陶瓷型壳的检测标准严格保密，国内在这方面还处于起步阶段，还没有系统完整的检测标准。燃机叶片开发过程复杂，成本较高，如果没有一套完善的陶瓷型芯和陶瓷型壳检测标准，会造成人力、物力和财力的巨大浪费。因此，建立一套燃机叶片用陶瓷型芯和陶瓷型壳的检测标准势在必行。

1.4 计算机模拟技术

陶瓷型芯的制备包括浆料配制、压制、烧结、强化等流程，工艺繁琐，生产周期长。利用计算机模拟技术模拟陶瓷型芯的制备过程及使用过程，可为试验提供指导，优化制作工艺，减小试验成本，缩短试验周期。

该技术的研究在国外起步较早，世界顶尖陶瓷制造商——摩根热陶瓷公司视该技术为其研发能力的重要体现，利用该技术为陶瓷型芯模具设计提供指导。国内在这方面的研究较少。上海大学应用Fluent软件对浇铸过程中陶瓷型芯的受力分布进行分析，为浇铸工艺提供指导[6]。

我们在2012年开始了陶瓷型芯的计算机模拟工作。到目前为止，已能利用软件模拟陶瓷型芯的整个压制过程，预测缺陷位置，为压制工艺提供指导。此外，利用该技术优化模具注射系统、分析陶瓷型芯在高温金属液浇铸过程中的状态等研究工作正在进行中。

2 结束语

燃机叶片陶瓷型芯和陶瓷型壳制备和检测技术被各个国家视为核心机密，我国陶瓷型芯和陶瓷型壳制备和检测还在起步阶段，与国外发达国家相比还有很多差距。因此，提高在陶瓷型芯和陶瓷型壳方面的研究投入，提高原材料品质，优化生产和检验过程，形成一套系统的燃机叶片用陶瓷型芯和陶瓷型壳检测标准，采用计算机模拟技术为陶瓷型芯研发提供指导等方面的工作势在必行。

[1]姜不居.实用熔模铸造技术[M].沈阳:辽宁科学技术出版社, 2008.

[2]I C Huseby,M P Borom,C D Greskovich.High Temperature Characterization of Silica-Based Cores for Superalloys [J].Am.Ceram.Soc.Bull.1979,58(4):448-452.

[3]J Ronald,S Rondey,J A Faison.Ceramic Core and Method of Making[P].U.S.Pat.No.6578623.2003.

[4]K Steven.Ceramie Core for Investment Casting and Method for Preparation of the Same[P].U.S.Pat.No.5468285.1995.

[5]杨丽静,田辉平,龙军,等.碱性硅溶胶稳定性的研究[J].石油炼制与化工,2010,41(6):12-16.

[6]李霞,任忠鸣,余建波,等.充型过程中陶瓷型芯结构分析的数值模拟研究[J].铸造技术,2011,（9）:1264-1268.

Problems of Ceramics in Development of Heavy-duty Gas Turbine Blade

Zeng Hong，Yang Gongxian，Zhang Songquan，Zhao Daiyin，He Jian，Wu Lin

（State key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Ceramics plays an important role in the development of heavy-duty gas turbine blade,ceramic core and ceramic shell are two kinds of irreplaceable materials.In this paper,the problems of ceramic core and ceramic shell in the development of gas turbine blade are discussed,mainly including the raw materials,wet processing,inspection standards and computer simulation study.

heavy-duty gas turbine blade,ceramic core,ceramic shell

TB321

A

1674-9987（2017）01-049-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.010

曾洪 （1981-），男，博士，高级工程师，毕业于中国科学院，现从事精密铸造研究工作。