熔融石英粉体级配对硅基陶瓷型芯性能的影响

陆丽芳 张弘毅 武振飞

摘  要  本文使用熔融石英粉体制备氧化硅陶瓷型芯，通过对熔融石英粒度分布的调整，研究了由单峰和双峰熔融石英粉体制备的陶瓷型芯之间的性能差异，以及双峰熔融石英粉体的粒度分布对硅基陶瓷型芯收缩、强度、体积密度、挠度等性能的影响。

关键词  双峰;粉体级配;硅基陶瓷型芯

0  引  言

航空发动机的性能是衡量飞机性能的关键因素之一，随着航空发动机的不断发展，其涡轮前温度开始受到叶片承温能力的限制很难继续提高。而采用气冷空心叶片技术可以有效提高叶片在高负荷、高温环境中的承温能力。为了提高叶片冷却效率，需要采用熔模铸造的方式来生产内部具有复杂精密空腔结构的叶片，陶瓷型芯是熔模铸造的关键。

在熔模铸造过程中，陶瓷型芯会受到高速蜡液冲击，温度的急剧变化，1 550 ℃以上的环境中承受金属液浸泡等恶劣工作环境的影响。因此，陶瓷型芯需要具备良好的强度、抗高温蠕变能力和热胀匹配性等性能。本文选用两种不同粒度分布的熔融石英粉体，按不同配比混合成具有双峰粒度分布的熔融石英粉体，研究由单峰和双峰粉体制得的陶瓷型芯间性能差异以及双峰粉体级配对硅基陶瓷型芯性能的影响。

1  实验条件和方法

以两种不同粒度分布的熔融石英粉体为基体材料，按比例配置后加入其他硅酸盐矿物和蜡基粘结剂充分混合制得喂料，其中陶瓷粉体和蜡基粘结剂按19：100质量比配置，蜡基粘结剂的主要成分包含有蜂蜡、分散剂、乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）和低密度聚乙烯（LDPE）等添加剂。

本实验所用陶瓷粉体粒度分布如表1所示，双峰熔融石英体系陶瓷型芯配方如表2所示。

实验中喂料在立式注射成型机上制成100 mm*12.7 mm*4.15 mm的样条，在井式电炉中埋烧脱脂，烧结温度为1 200 ℃，保温时间6 h。

2  结果与讨论

2.1熔融石英粉体级配对体积密度、显气孔率的影响

图1为采用阿基米德排水法测得的陶瓷型芯体积密度随粒度分布变化的曲线，图2为显气孔率的变化曲线。当熔融石英全部使用粗粉，其试样S1体积密度最低，这时陶瓷型芯骨架中有较多的孔隙。细粉表面活性更高，加入适量细粉可以使试样得到充分烧结，大幅度减少颗粒与颗粒之间留存的空隙，从试样S2到S7，体积密度随着熔融石英中细粉比例的增加而上升，显气孔率随之降低;其中试样S3到S6体积密度提升趋势较为显著，S6到S7的趋势比较平缓，这是因为试样中孔隙数量随着细粉的加入已经达到了一个较低的水平。

2.2熔融石英粉体级配对收缩的影响

图3为陶瓷型芯收缩率随粒度分布的变化曲线，从图3中可以看出收缩率总体上随着试样中熔融石英细粉比例的增多而上升，没有加入细粉时收缩率最低为0.324%，纯细粉的收缩率最高达到0.459%，当细粉含量占熔融石英总量低于50%时，试样收缩均在0.4%以下，而当细粉比例高于50%时，试样收缩均高于0.4%，熔融石英粉体越细，则其表面能越高，活化能越大，烧结更充分，致密度显著提高，产生较大的烧结收缩。

2.3熔融石英粉体级配对强度的影响

陶瓷型芯烧结后修坯整形过程中会受到各种机械力的作用，在压蜡时会受到高压、高速的蜡液冲击，因此室温强度是衡量陶瓷型芯品质的标准之一。图4为没有经过高温增强、低温增强的陶瓷型芯室温强度的变化曲线，从图4中可以看出，由粗粉构成的试样S1强度最低，由细粉构成的试样S7强度最高;从总体上看，陶瓷型芯试样室温强度随着细粉含量的增多而上升，粗粉减少、细粉增多让试样中孔隙数量降低，致密度提高，从而提高试样的室温强度。图4中试样S6强度低于试样S5是因为试样中细粉大量析出方石英导致微裂纹，造成试样强度下降。此外，过多的粗粉会使喂料流动性降低，在试样生坯成型过程中出现大量流纹和气泡影响试样的强度。

2.4熔融石英粉体级配对挠度的影响

图5为陶瓷型芯试样双支点法在1 540 ℃下保温半个小时的挠度变化曲线，从图5中可以看出，试样全部使用熔融石英粗粉时，热变形量最低;从S2到S6随着熔融石英粗粉比例减少，试样热变形量增大;当试样中熔融石英全部采用细粉时，试样S7热变形量达到最大值为8.53 mm;大量的细粉大幅度降低玻璃化温度使陶瓷型芯在浇注高温金属液时产生大量的玻璃相，产生黏性流动，而大颗粒可以起到骨架支撑作用，能有效抵御玻璃相的黏性流动，增强陶瓷型芯的抗高温蠕变性能。

3  结  论

（1）熔融石英粉体整体偏细可有效降低陶瓷型芯的显气孔率，提高体积密度。

（2）随着熔融石英双峰粉体中细粉比例升高，陶瓷型芯试样收缩总体呈上升趋势。

（3）室温强度随熔融石英粉体中细粉比例升高而升高，但过多细粉会析出方石英产生微裂纹导致强度下降。

（4）熔融石英粉体细粉比例升高会降低陶瓷型芯玻璃化温度，产生黏性流动，导致陶瓷型芯试样热变形量增大。

参 考 文 献

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