航空發(fā)動機(jī)性能的好壞直接影響飛機(jī)飛行的可靠性和飛行能力等，是一個國家 戰(zhàn)略性、高尖銳技術(shù)的高端產(chǎn)品，是一個國家頂尖制造水平的主要體現(xiàn)。推重比則 是衡量發(fā)動機(jī)性能好壞的一個重要指標(biāo) ，隨著現(xiàn)代航空工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動 機(jī)推重比日益提高，而提高發(fā)動機(jī)推重比的關(guān)鍵是要提高航空發(fā)動機(jī)渦輪進(jìn)口燃?xì)?的溫度，單純依靠提高材料的承溫能力和采用熱障涂層技術(shù)已經(jīng)很難滿足葉片服役 需求，因此，通過復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改善渦輪葉片散熱能力已成為當(dāng)代先進(jìn)航空發(fā) 動機(jī)制造的關(guān)鍵 ，而陶瓷型芯作為形成葉片復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)，其性 能好壞直接決定渦輪葉片的內(nèi)腔尺寸精度、澆注合格率及鑄造成本等 。因此，制 造空心葉片的關(guān)鍵是制備出能夠形成其復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯 。
硅基陶瓷型芯因熱膨脹系數(shù)?。?1 200 ℃的燒結(jié)溫度下熱膨脹系數(shù)11×10-7 /℃左 右，常溫下熱膨脹系數(shù)5×10-7 /℃左右），高溫性能穩(wěn)定，抗熱震穩(wěn)定性好，高溫澆 注時成品率高且易被堿液腐蝕脫芯等優(yōu)點，從而被廣泛的應(yīng)用于熔模鑄造工藝 中 。據(jù)研究表明，純氧化硅基陶瓷型芯在燒結(jié)過程中收縮率大，很難保證尺寸的 穩(wěn)定，且高溫?fù)隙容^大，在高溫澆注時容易出現(xiàn)偏芯的情況，造成葉片內(nèi)腔尺寸的 偏差 。現(xiàn)階段主要是通過在二氧化硅基體中加入礦化劑來改善硅基陶瓷型芯的綜 合性能，目前常用的礦化劑主要有硅酸鋯、氧化鋁、莫來石以及一些稀土氧化 物 。趙登科等人 研究了硅酸鋯含量對硅基陶瓷型芯性能的影響，他們認(rèn)為隨 著硅酸鋯含量的增加，型芯樣品的收縮率、室溫強(qiáng)度、高溫?fù)隙戎饾u降低，顯氣孔 率逐漸增大，高溫強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)硅酸鋯添加量為10wt.%時，型芯的綜合性 能最佳。武振飛等人探究了硅酸鋯的含量對硅基陶瓷型芯性能的影響，發(fā)現(xiàn)硅酸 鋯對方石英析出的影響并不明顯，硅酸鋯作為高溫穩(wěn)定相，在燒結(jié)過程中釘扎在石 英玻璃附近，抑制石英玻璃的粘性流動，起到彌散強(qiáng)化的作用。
相比于傳統(tǒng)的添加劑，也有很多學(xué)者在石英玻璃基體中添加纖維通過裂紋偏 轉(zhuǎn)和纖維拔出效應(yīng)改善陶瓷型芯性能 。如肖祖德等人 研究了石英纖維對氧化硅 基陶瓷型芯性能的影響，研究表明，石英纖維在顯著降低氧化硅陶瓷型芯收縮的同 時，還明顯改善了其室溫和高溫抗彎強(qiáng)度、抗蠕變性能以及斷裂穩(wěn)定性。黃嘉俊等人 研究了氧化鋁纖維含量對硅基陶瓷型芯性能的影 響，指出在型芯燒結(jié)過程中， 一定量的纖維材料可以 與基體材料結(jié)合構(gòu)成型芯的網(wǎng)絡(luò)骨架，當(dāng)型芯受到外 力時，可以和型芯一起承擔(dān)外力的作用，另外纖維材 料可以阻礙型芯裂紋的擴(kuò)展，從而增強(qiáng)型芯的綜合性 能，當(dāng)加入過量的纖維材料時，由于纖維本身的交織 聚集現(xiàn)象，會纏繞在型芯基體中，而且團(tuán)聚的纖維會 割裂基體，反而有利于裂紋的擴(kuò)展。Niu等人研究 了莫來石纖維對硅基陶瓷型芯性能的影響，指出莫來 石纖維可以作為晶核，從而促進(jìn)方石英的結(jié)晶。雖然 已經(jīng)有各類纖維復(fù)合陶瓷型芯的報道，但是關(guān)于硅酸 鋁纖維在氧化硅基陶瓷型芯中的應(yīng)用卻未見報道，硅 酸鋁纖維具有耐高溫、熱穩(wěn)定性好、受熱膨脹小等優(yōu) 點，如今所熟悉的用途一般是經(jīng)紡織或編織而成的硅 酸鋁纖維板、硅酸鋁纖維氈、硅酸鋁纖維繩、硅酸鋁 纖維毯等產(chǎn)品 ，其對氧化硅基陶瓷型芯的作用機(jī)制 還不清晰。本文研究了不同硅酸鋁纖維含量對氧化硅 基陶瓷型芯析晶與性能的影響，由于高溫下非晶態(tài)的 硅酸鋁纖維可能發(fā)生析晶，碎解現(xiàn)象，影響型芯的高 溫性能，為此在氧化硅基陶瓷型芯中加入10 wt.%硅酸 鋯以保障其高溫性能。
1 試驗材料與方法
1.1 制備工藝
本試驗是以高純?nèi)廴谑⒉ＡХ郏兌?9.9%以 上）作原料，由激光粒度儀測得其粒度分布如表 1 所 示。硅酸鋯粒徑為325目，經(jīng)高溫煅燒研磨而成，其化 學(xué)組成如表2所示。試驗所用非晶質(zhì)硅酸鋁纖維的形貌 如圖1所示，其純度為98.4%，直徑為1~10 μm，長度為 10~100 μm。采用石蠟作增塑劑。
首先將一定質(zhì)量配比的石英玻璃粉、硅酸鋯、硅 酸鋁纖維充分混合均勻，其中硅酸鋯含量為10 wt.% 不變， 硅酸鋁纖維含量分別為0 、3wt.% 、5wt.% 、8wt.% 、10wt.%。將混合均勻的粉料放入干燥箱中進(jìn)行 干燥處理，溫度為120 ℃,時間為10 h。然后將烘干的 粉料分批次加入到已經(jīng)熔化的增塑劑中，增塑劑含量 為16 wt.%，混合漿料在90 ℃下真空攪拌7 h，得到混合 均勻的陶瓷漿料。將制備好的陶瓷漿料倒入壓注機(jī)， 熱壓注成形制備出尺寸為120 mm×10 mm×4 mm的試 樣條素坯，壓注參數(shù)見表3。對試樣條素坯進(jìn)行修邊和 去毛刺處理后，將樣品條素坯放入匣缽中用埋粉造型 后，放入箱式電阻爐中，經(jīng) 1 200 ℃高溫?zé)Y(jié)6 h后取 出，將燒結(jié)后的試樣經(jīng)高溫強(qiáng)化和低溫強(qiáng)化后烘干， 得到陶瓷型芯樣品。
1.2 性能表征
根據(jù)HB5353— 2004規(guī)定，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測 量燒結(jié)前后樣品的尺寸測出試樣的線收縮率；型芯樣 品的氣孔率和體積密度采用Archimedes法測量；型芯樣 品的室溫和高溫抗彎強(qiáng)度采用三點抗彎法測量，測量 跨距30 mm，加載速率0.5 mm/min；高溫抗彎強(qiáng)度測試 前，需將型芯樣品放入試驗機(jī)加熱區(qū)內(nèi)升溫至 1 550 ℃ 后保溫30 min。型芯樣品的高溫?fù)隙炔捎秒p支點法測 量，將燒成樣品放入箱式電阻爐中，以5 ℃/min的升溫 速率升溫至 1 550 ℃后保溫30 min，待型芯樣品隨爐冷 卻后，測出其熱變形量。以五個樣品測試結(jié)果的平均 值作為以上各組數(shù)據(jù)的有效值。樣品測試面經(jīng)噴金處 理后，在日本HITACHI公司SU-1500型掃描電子顯微鏡 下觀察型芯樣品的斷口形貌及顯微組織，測試電壓為 15 kV。采用日本理學(xué)的 D/MAX型X射線衍射儀測定型 芯樣品中的物相，測試選用CuKα射線，步長0.02° , 掃描速度10°/min。
2 結(jié)果與討論
2.1 硅酸鋁纖維含量對型芯析晶的影響
方石英作為硅基陶瓷型芯的主晶相，具有優(yōu)異的 高溫穩(wěn)定性， 一定量的方石英有助于提高陶瓷型芯的 室溫和高溫強(qiáng)度。但是方石英在降溫過程中會由β-方 石英向α-方石英轉(zhuǎn)變，此過程伴隨體積變化產(chǎn)生內(nèi)應(yīng) 力，致使型芯中微裂紋的形成，所以過量的方石英可 能降低型芯的室溫強(qiáng)度 。因此，為了探究不同硅酸 鋁纖維含量對硅基陶瓷型芯析晶的影響，本研究對不 同硅酸鋁纖維含量的型芯試樣進(jìn)行了XRD物相分析。 從圖2a中可以看出，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，方 石英衍射峰逐漸增強(qiáng)，并且還有少量莫來石相析出， 這是因為試驗采用的是非晶質(zhì)硅酸鋁纖維，當(dāng)溫度超 過985 ℃時，會在其表面析出方石英和莫來石晶體。
通過XRD圖譜對型芯中方石英含量進(jìn)行定量分析，結(jié)果如圖2b所示，從圖中可以看出，隨著硅酸鋁 纖維含量的增加，型芯中方石英含量逐漸增多。由于 硅酸鋁纖維析出的方石英和莫來石晶體可以作為石英 玻璃析晶的形核劑，促進(jìn)了型芯試樣中方石英的析 出 ， 所以隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試樣 中方石英含量逐漸增多。為了進(jìn)一步了解硅酸鋁纖維 在燒結(jié)過程中的析晶行為，從而證實上述分析結(jié)果， 將硅酸鋁纖維在不同溫度下保溫6 h，圖3為不同溫度下 硅酸鋁纖維的XRD圖譜，從圖中可以看出，當(dāng)溫度低 于900 ℃時，硅酸鋁纖維仍然處于非晶態(tài)，沒有方石英 和莫來石析出，當(dāng)溫度升高到 1 200 ℃時，已經(jīng)開始有 大量的方石英和莫來石析出，繼續(xù)升高溫度到 1 500 ℃ , 方石英和莫來石含量進(jìn)一步增多，根據(jù)上述試驗結(jié)果 可以得出，硅酸鋁纖維對硅基陶瓷型芯析晶的影響是 基于硅酸鋁纖維在燒結(jié)過程中析出的莫來石和方石英 可以作為石英玻璃析晶的形核劑，從而促進(jìn)了型芯試 樣中方石英的析出。
2.2 硅酸鋁纖維含量對型芯收縮率的影響
圖4為不同硅酸鋁纖維含量對型芯試樣收縮率的影 響規(guī)律，由圖可知，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型 芯的收縮率逐漸減小。當(dāng)不加纖維時，型芯的收縮率 較高為 1.5%，當(dāng)加入3 wt.%的纖維時，型芯的收縮率下 降最明顯，由 1.5%下降到1.0%，當(dāng)纖維含量為10wt.% 時，收縮率最低為0.39%。這是因為硅基陶瓷型芯在燒 結(jié)過程中，基體材料石英玻璃會隨著溫度的升高而發(fā) 生粘性流動，致使型芯向致密化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變 ，此過程 會產(chǎn)生較大的收縮效應(yīng)。然而，硅酸鋁纖維在燒結(jié)到 985 ℃時會在其表面析出方石英和莫來石晶體 （圖 2 ），晶態(tài)物質(zhì)的存在會阻礙非晶態(tài)物質(zhì)由于無序性所 導(dǎo)致的易流動性，非晶態(tài)物質(zhì)的粘度與引入的晶態(tài)物 質(zhì)的量α之間的關(guān)系式為：η = ηg（ 1+mα ) （ 2） 式中： η 為引入晶態(tài)物質(zhì)后，非晶態(tài)物質(zhì)的粘度； ηg為 純非晶態(tài)物質(zhì)的粘度； α為引入晶態(tài)物質(zhì)的體積分?jǐn)?shù)； m 、n 為經(jīng)驗常數(shù) 。從式（ 2 ）中可以看出，隨著析 出的晶體含量的增加，石英玻璃粉的粘度增加，粘性 流動更加困難，導(dǎo)致收縮率減小。但是，并非所有的 硅酸鋁纖維都會出現(xiàn)晶化現(xiàn)象，研究表明 ，當(dāng)溫度為 1 200 ℃時，硅酸鋁纖維的晶化率為52.3%。所以當(dāng)燒 結(jié)完成后，型芯試樣中還存在部分未晶化的硅酸鋁纖 維，從圖6斷口掃描中也可以清晰的看到纖維的存在。 由于纖維的長棒狀結(jié)構(gòu)具有較高的長徑比，其比表面 積明顯低于石英玻璃粉 ，燒結(jié)理論認(rèn)為，顆粒之間 的比表面能是燒結(jié)的主要驅(qū)動力 ，所以硅酸鋁纖維 的加入在一定程度上抑制了型芯的燒結(jié)過程，降低了 陶瓷型芯的收縮。
2.3 硅酸鋁纖維對型芯氣孔率和體積密度的影響
圖5為不同硅酸鋁纖維含量對型芯氣孔率的影響規(guī)律，從圖中可以看出，隨著纖維含量的增加，型芯的 氣孔率逐漸增加，當(dāng)纖維含量為10wt.%時，氣孔率最 高為33.26%，這與收縮率的變化趨勢相對應(yīng)。為了進(jìn) 一步說明硅酸鋁纖維對型芯氣孔率的影響，對不同纖 維添加量下的型芯斷口進(jìn)行了SEM斷口掃描，結(jié)果如 圖6所示，從圖中可以看出，纖維穿插在基體中，由于 纖維高溫性能優(yōu)異，并不與二氧化硅燒結(jié)在一起，導(dǎo) 致纖維周圍氣孔的產(chǎn)生；另一方面，隨著纖維含量的 增加，型芯試樣中方石英和莫來石含量逐漸增多（圖 2 ），方石英和莫來石作為高溫穩(wěn)定相抑制二氧化硅的 粘性流動，從而顆粒間孔隙增多，氣孔率增加。
圖7為不同硅酸鋁纖維含量對型芯體積密度的影響 規(guī)律，從圖中可以看出，隨著纖維含量的增加，型芯 的體積密度基本保持不變， 一般情況下，隨著型芯氣 孔率的增加，型芯的體積密度應(yīng)該逐漸減小，但是無 論是硅酸鋁纖維的密度（2.9 g/cm3 ）還是由纖維析出的莫來石密度（3.16 g/cm3 ）均大于二氧化硅的密度 （ 2.2 g/cm3 ），當(dāng)硅酸鋁纖維含量增加時，型芯的重量 增加，所以總的來說，型芯的體積密度變化不大。
2.4 硅酸鋁纖維含量對型芯室溫強(qiáng)度的影響
陶瓷型芯在壓制蠟?zāi)r，要具有一定的室溫強(qiáng)度 抵抗蠟液的沖擊。圖8為不同硅酸鋁纖維含量下型芯的 室溫強(qiáng)度變化規(guī)律，從圖中可以看出，添加纖維后型 芯試樣的室溫強(qiáng)度高于未添加纖維的試樣。通過圖6的 斷口形貌可知， 一方面，硅酸鋁纖維因具有優(yōu)異的高 溫穩(wěn)定性，很難與基體材料燒結(jié)到一起，從而在二者 之間產(chǎn)生界面，當(dāng)對型芯樣品施加外力時，裂紋在基 體材料上發(fā)生擴(kuò)展，遇到基體和纖維之間的界面時， 裂紋方向會發(fā)生改變，從而延長了裂紋擴(kuò)展路徑，提 高了型芯樣品的室溫強(qiáng)度。另一方面，型芯試樣在 發(fā)生斷裂過程中會發(fā)生纖維拔出效應(yīng)，相比于石英 玻璃，纖維具有強(qiáng)度高、缺陷少、斷裂應(yīng)變能大等優(yōu)點，所以當(dāng)發(fā)生纖維拔出過程時，會消耗更多的斷裂 能，從而提高型芯的室溫強(qiáng)度。
隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試樣的室溫強(qiáng) 度先增加后減小。當(dāng)纖維含量為3 wt.%時，型芯試樣 的室溫強(qiáng)度最高為23.36 MPa。當(dāng)纖維含量繼續(xù)增加， 型芯試樣的室溫強(qiáng)度逐漸下降，當(dāng)纖維含量為10 wt.% 時，型芯試樣的室溫強(qiáng)度降低到11.83 MPa。這是因為 隨著纖維含量的增加，型芯試樣中的孔洞逐漸增多， 在受到外界載荷的作用時，有效承載面積降低，導(dǎo)致 室溫強(qiáng)度的下降。另外，纖維含量的增加導(dǎo)致其在基 體中分散性變差，從圖6d可以看出，部分纖維聚集在 一起交叉分布，出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚態(tài)的纖維會部分 的抵消分散纖維對基體材料的強(qiáng)化作用，從而降低型 芯的室溫強(qiáng)度。但是總的來說，含有纖維的型芯樣品室溫強(qiáng)度均高于不含纖維的型芯樣品室溫強(qiáng)度。
2.5 硅酸鋁纖維含量對型芯高溫性能的影響
陶瓷型芯在高溫澆注時要承受高溫金屬液的沖 擊，所以陶瓷型芯必須要有一定的高溫強(qiáng)度。圖9為不 同硅酸鋁纖維含量的型芯試樣在1 550 ℃下的高溫強(qiáng) 度。從圖中可以看出，隨著硅酸鋁纖維含量的增加， 型芯試樣的高溫強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)硅酸鋁纖維含 量為3wt.%時，高溫強(qiáng)度最高為31.39 MPa。這可能是 因為 1 550 ℃下，方石英和莫來石大量析出，方石英 和莫來石因具有高熔點和高硬度，限制了型芯的蠕性 流動，從而提高了型芯的高溫強(qiáng)度。但是隨著大量的 方石英和莫來石從非晶質(zhì)硅酸鋁纖維表面析出，破壞 了纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，伴隨著纖維彈性的下降，甚至可 能出現(xiàn)纖維變脆和碎解現(xiàn)象，導(dǎo)致型芯的高溫強(qiáng)度降 低。當(dāng)纖維含量較少時，方石英和莫來石的強(qiáng)化作用 占據(jù)主導(dǎo)地位，所以型芯的高溫強(qiáng)度升高，隨著纖維 含量增多，變脆和碎解的纖維含量也增加，此時纖維 變脆和碎解的削弱作用占主導(dǎo)地位，表現(xiàn)出型芯高溫 強(qiáng)度的降低。
圖 10為不同硅酸鋁纖維含量下型芯的高溫?fù)?度。由圖可知，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試 樣的高溫?fù)隙戎饾u降低，當(dāng)纖維含量為10 wt.%時， 撓度最低為0.22 mm。實際上，從微觀角度來看，陶 瓷型芯的蠕變主要是與型芯焙燒過程中生成的方石英 量密切相關(guān)，方石英作為硅基陶瓷型芯的主晶相，具 有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，其在高溫下釘扎在石英玻璃周 圍，抑制石英玻璃的粘性流動，增加型芯的高溫抗蠕 變性能，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試樣中方 石英含量逐漸增多，所以型芯試樣的高溫?fù)隙戎饾u降低。
3 結(jié)論
（ 1 ）高溫?zé)Y(jié)時，硅酸鋁纖維析出的方石英和莫 來石可作為形核劑，促進(jìn)石英玻璃析晶，隨著方石英 的大量析出，纖維自身將發(fā)生變脆和碎解，降低型芯 試樣的強(qiáng)度。
（ 2 ）隨著硅酸鋁纖維含量的增加，硅基陶瓷型芯 試樣的收縮率逐漸減小，氣孔率逐漸增加，體積密度 基本保持不變，室溫強(qiáng)度先增大后減小，高溫強(qiáng)度先 增大后減小，高溫?fù)隙戎饾u減小。
（3）當(dāng)纖維含量為3wt.%時，型芯的綜合性能最 佳，收縮率為 1.0%、氣孔率為29.23%、體積密度為 1.62 g/cm3 、室溫抗彎強(qiáng)度為23.36 MPa、高溫抗彎強(qiáng)度 為31.39 MPa、高溫?fù)隙葹?.69 mm。
豫公網(wǎng)安備 ：41018102000154號