航空發動機性能的好壞直接影響飛機飛行的可靠性和飛行能力等，是一個國家 戰略性、高尖銳技術的高端產品，是一個國家頂尖制造水平的主要體現。推重比則 是衡量發動機性能好壞的一個重要指標 ，隨著現代航空工業技術的快速發展，發動 機推重比日益提高，而提高發動機推重比的關鍵是要提高航空發動機渦輪進口燃氣 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已經很難滿足葉片服役 需求，因此，通過復雜氣冷內腔結構改善渦輪葉片散熱能力已成為當代先進航空發 動機制造的關鍵 ，而陶瓷型芯作為形成葉片復雜氣冷內腔結構的關鍵技術，其性 能好壞直接決定渦輪葉片的內腔尺寸精度、澆注合格率及鑄造成本等 。因此，制 造空心葉片的關鍵是制備出能夠形成其復雜內腔結構的陶瓷型芯 。
硅基陶瓷型芯因熱膨脹系數小（ 1 200 ℃的燒結溫度下熱膨脹系數11×10-7 /℃左 右，常溫下熱膨脹系數5×10-7 /℃左右），高溫性能穩定，抗熱震穩定性好，高溫澆 注時成品率高且易被堿液腐蝕脫芯等優點，從而被廣泛的應用于熔模鑄造工藝 中 。據研究表明，純氧化硅基陶瓷型芯在燒結過程中收縮率大，很難保證尺寸的 穩定，且高溫撓度較大，在高溫澆注時容易出現偏芯的情況，造成葉片內腔尺寸的 偏差 。現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，他們認為隨 著硅酸鋯含量的增加，型芯樣品的收縮率、室溫強度、高溫撓度逐漸降低，顯氣孔 率逐漸增大，高溫強度先增加后減小，當硅酸鋯添加量為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，發現硅酸 鋯對方石英析出的影響并不明顯，硅酸鋯作為高溫穩定相，在燒結過程中釘扎在石 英玻璃附近，抑制石英玻璃的粘性流動，起到彌散強化的作用。
相比于傳統的添加劑，也有很多學者在石英玻璃基體中添加纖維通過裂紋偏 轉和纖維拔出效應改善陶瓷型芯性能 。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度、抗蠕變性能以及斷裂穩定性。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，指出在型芯燒結過程中， 一定量的纖維材料可以 與基體材料結合構成型芯的網絡骨架，當型芯受到外 力時，可以和型芯一起承擔外力的作用，另外纖維材 料可以阻礙型芯裂紋的擴展，從而增強型芯的綜合性 能，當加入過量的纖維材料時，由于纖維本身的交織 聚集現象，會纏繞在型芯基體中，而且團聚的纖維會 割裂基體，反而有利于裂紋的擴展。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，從而促進方石英的結晶。雖然 已經有各類纖維復合陶瓷型芯的報道，但是關于硅酸 鋁纖維在氧化硅基陶瓷型芯中的應用卻未見報道，硅 酸鋁纖維具有耐高溫、熱穩定性好、受熱膨脹小等優 點，如今所熟悉的用途一般是經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 纖維毯等產品 ，其對氧化硅基陶瓷型芯的作用機制 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，由于高溫下非晶態的 硅酸鋁纖維可能發生析晶，碎解現象，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
本試驗是以高純熔融石英玻璃粉（純度99.9%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，經高溫煅燒研磨而成，其化 學組成如表2所示。試驗所用非晶質硅酸鋁纖維的形貌 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， 熱壓注成形制備出尺寸為120 mm×10 mm×4 mm的試 樣條素坯，壓注參數見表3。對試樣條素坯進行修邊和 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 1 200 ℃高溫燒結6 h后取 出，將燒結后的試樣經高溫強化和低溫強化后烘干， 得到陶瓷型芯樣品。
1.2 性能表征
根據HB5353— 2004規定，采用數顯游標卡尺測 量燒結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；高溫抗彎強度測試 前，需將型芯樣品放入試驗機加熱區內升溫至 1 550 ℃ 后保溫30 min。型芯樣品的高溫撓度采用雙支點法測 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。以五個樣品測試結果的平均 值作為以上各組數據的有效值。樣品測試面經噴金處 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，具有優異的 高溫穩定性， 一定量的方石英有助于提高陶瓷型芯的 室溫和高溫強度。但是方石英在降溫過程中會由β-方 石英向α-方石英轉變，此過程伴隨體積變化產生內應 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，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硅酸鋁纖維，當溫度超 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行定量分析，結果如圖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。為了進一步了解硅酸鋁纖維 在燒結過程中的析晶行為，從而證實上述分析結果， 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，當溫度低 于900 ℃時，硅酸鋁纖維仍然處于非晶態，沒有方石英 和莫來石析出，當溫度升高到 1 200 ℃時，已經開始有 大量的方石英和莫來石析出，繼續升高溫度到 1 500 ℃ , 方石英和莫來石含量進一步增多，根據上述試驗結果 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。當不加纖維時，型芯的收縮率 較高為 1.5%，當加入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 結過程中，基體材料石英玻璃會隨著溫度的升高而發 生粘性流動，致使型芯向致密化結構轉變 ，此過程 會產生較大的收縮效應。然而，硅酸鋁纖維在燒結到 985 ℃時會在其表面析出方石英和莫來石晶體 （圖 2 ），晶態物質的存在會阻礙非晶態物質由于無序性所 導致的易流動性，非晶態物質的粘度與引入的晶態物 質的量α之間的關系式為：η = ηg（ 1+mα ) （ 2） 式中： η 為引入晶態物質后，非晶態物質的粘度； ηg為 純非晶態物質的粘度； α為引入晶態物質的體積分數； m 、n 為經驗常數 。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，導致收縮率減小。但是，并非所有的 硅酸鋁纖維都會出現晶化現象，研究表明 ，當溫度為 1 200 ℃時，硅酸鋁纖維的晶化率為52.3%。所以當燒 結完成后，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構具有較高的長徑比，其比表面 積明顯低于石英玻璃粉 ，燒結理論認為，顆粒之間 的比表面能是燒結的主要驅動力 ，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。為了進 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行了SEM斷口掃描，結果如 圖6所示，從圖中可以看出，纖維穿插在基體中，由于 纖維高溫性能優異，并不與二氧化硅燒結在一起，導 致纖維周圍氣孔的產生；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度的影響
陶瓷型芯在壓制蠟模時，要具有一定的室溫強度 抵抗蠟液的沖擊。圖8為不同硅酸鋁纖維含量下型芯的 室溫強度變化規律，從圖中可以看出，添加纖維后型 芯試樣的室溫強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異的高 溫穩定性，很難與基體材料燒結到一起，從而在二者 之間產生界面，當對型芯樣品施加外力時，裂紋在基 體材料上發生擴展，遇到基體和纖維之間的界面時， 裂紋方向會發生改變，從而延長了裂紋擴展路徑，提 高了型芯樣品的室溫強度。另一方面，型芯試樣在 發生斷裂過程中會發生纖維拔出效應，相比于石英 玻璃，纖維具有強度高、缺陷少、斷裂應變能大等優點，所以當發生纖維拔出過程時，會消耗更多的斷裂 能，從而提高型芯的室溫強度。
隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試樣的室溫強 度先增加后減小。當纖維含量為3 wt.%時，型芯試樣 的室溫強度最高為23.36 MPa。當纖維含量繼續增加， 型芯試樣的室溫強度逐漸下降，當纖維含量為10 wt.% 時，型芯試樣的室溫強度降低到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，導致 室溫強度的下降。另外，纖維含量的增加導致其在基 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，出現團聚現象，團聚態的纖維會部分 的抵消分散纖維對基體材料的強化作用，從而降低型 芯的室溫強度。但是總的來說，含有纖維的型芯樣品室溫強度均高于不含纖維的型芯樣品室溫強度。
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 度。從圖中可以看出，隨著硅酸鋁纖維含量的增加， 型芯試樣的高溫強度先增加后減小，當硅酸鋁纖維含 量為3wt.%時，高溫強度最高為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度。但是隨著大量的 方石英和莫來石從非晶質硅酸鋁纖維表面析出，破壞 了纖維的內部結構，伴隨著纖維彈性的下降，甚至可 能出現纖維變脆和碎解現象，導致型芯的高溫強度降 低。當纖維含量較少時，方石英和莫來石的強化作用 占據主導地位，所以型芯的高溫強度升高，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地位，表現出型芯高溫 強度的降低。
圖 10為不同硅酸鋁纖維含量下型芯的高溫撓 度。由圖可知，隨著硅酸鋁纖維含量的增加，型芯試 樣的高溫撓度逐漸降低，當纖維含量為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，方石英作為硅基陶瓷型芯的主晶相，具 有優異的高溫穩定性，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撓度逐漸降低。
3 結論
（ 1 ）高溫燒結時，硅酸鋁纖維析出的方石英和莫 來石可作為形核劑，促進石英玻璃析晶，隨著方石英 的大量析出，纖維自身將發生變脆和碎解，降低型芯 試樣的強度。
（ 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，室溫強度先增大后減小，高溫強度先 增大后減小，高溫撓度逐漸減小。
（3）當纖維含量為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 、室溫抗彎強度為23.36 MPa、高溫抗彎強度 為31.39 MPa、高溫撓度為0.69 mm。
豫公網安備 ：41018102000154號