影响定向空心叶片陶瓷型芯性能的一个重要因素

本文对某型号发动机定向空心涡轮叶片生产中陶瓷型芯的性能进行分析，力图弄清方石英含量对陶瓷型芯综合性能及其对定向凝固无余量空心叶片生产的影响。

关键词: 定向空心叶片， 陶资型芯，方石革

一、前言

定向凝固技术的发展使铸造高温合金的综合性能大幅度提高，但极限承温能力并未有大的改观。空心叶片因其能提高叶片冷却效果，延长叶片使用寿命而受到人们青睐。因此，涡轮叶片的制造从工艺上采用冷却技术，陶瓷型芯技术是实现空心气冷技术的关键。

定向凝固精铸空心叶片生产是一项周期长、工序多、综合影响因素复杂的工作。一定形状结构的陶瓷型芯在高温下定向浇铸后，经碱液腐蚀消失形成叶片内腔，完成气冷技术。因此，良好的陶瓷型芯应具有好的热稳定性、一定的抗弯强度(室沉)、气孔率、几何完整性、尺寸精度及适量方石英含量。方石英是硅基型芯高温焙烧时析出的呈四方晶系的晶体，它的显著特点是晶体转变时伴随着体积效应，在各种SiO2变体的高低温型转变中，方石英之间的体积变化最为剧烈，因此，适当控制方石英含量是十分必要的。

二、研究方法

研究材料为XD-1陶瓷型芯料。

型芯料经过配料、混炼、压制成型芯，修整后装人焙烧炉中焙烧。对焙烧后的陶瓷型芯进行X射线衍射分析，测定其方石英含量，并对同期焙烧的φ50×40试棒进行模拟强度测定。型芯焙烧在KO-9型箱式高温电炉中进行。方石英含量分析采用RU-20o型X射线衍射仪。模拟强度测定采用自制手摇强度测定仪。

三、试验结果及讨论

1. 方石英含量对型芯室温抗弯强度的影响

陶瓷型芯粉料在粉碎与研磨过程中消耗的能以表面能形式贮存于粉体中，这使粉体具有较高的活性，粉末体与烧结体相比是处于能量不稳定状态，因此，近代烧结理论认为:粉状物料的表面能大于多晶烧结体的晶界能，成为烧结的推动力。在这种推动力作用下，陶瓷型芯的焙烧使型芯坯体收缩、致密、实现强度增值。但是.硅基型芯在焙烧过程中发生方石英的析出，并在冷却过程中，由R-方石英转变为α一方石英，伴有体积效应，产生内应力，极易在型芯内形成微裂纹，导致强度下降。   

在实际制备陶瓷型芯时，每批焙烧炉内都装有同批料的型芯跟踪试棒，尺寸为φ50×40，通过其模拟强度掌握并判断型芯的相对烧成性。陶瓷型芯室温抗弯强度是衡量型芯烧成率的重要指标之一。一般而言，陶瓷型芯模拟强度大于15 MPa时，能够承受蜡模制备压力，型芯不致在压蜡时在蜡模内断裂。图1为型芯焙烧后方石英含量与其模拟室温强度的回归曲线。从图中看出，陶瓷型芯经焙烧后由于析出少量方石英，其模拟强度呈下降趋势，且随析出方石英含量的增多，强度降低得越多。这是因为方石英在冷却过程中伴有5.6%的体积变化，导致型芯内部产生裂纹，使型芯因烧结产生的强度增位遭到损失，且方石英含量越高，型芯强度损失愈大。

当然.方石英的析出在某种怪度上能够阻滞硅基型芯的收缩，减少型芯普形量而对制备合格型芯有所贡献，所以。控制合适的方石英含量对合格型芯制备有重要意义。从本试验结果看，方石英含量在10%左右是适宜的。

2. 方石英含.对一倪皿芯烧成.的形晌

陶瓷型芯经预测、焙烧、冷却后出炉，表面无玻损、龟裂、气泡等缺陷的型芯为合格型芯。陶瓷型芯烧成率由这部分型芯统计而得。通过对型芯X射线衍射分析可得圈2所示回归曲线。从圈中看出: 随方石英析出量的增加。型芯烧成率呈下降趋势。这同样是由于型芯在焙烧过程中方石英的体积效应造成的

事实上，型芯裂纹的产生较多地出规在型芯结构薄弱的部位。如排气边、喉道等.这一方面是由于结构的薄弱难以抗衡体积效应，另一方面，薄弱的结构部位较易析晶，造成方石英含量较高，阵低模拟强度。如图3和图中的表内数值所示。

基于以上分析讨论得知一型芯焙烧后方石英含量对陶瓷型芯综合性能影响复杂，为此，将培烧后陶瓷型芯中方石英含量与叶片定向浇铸不露芯率进行统计分析.结果如图4所示，图中可以明显看出，当焙烧后型芯方石英含量控制在5～15%时，.叶片浇铸不露芯率基本可保持在50%以上，这就说明焙烧后型芯的方石英含量控制在5～15%时，型芯具有良好的综合性能，能够较好地承受压力，达到较为适宜与型壳的匹配关系，从承受浇人钢水及定向凝固过程中复杂机械应力和热应力的作用，制成不露芯的空心叶片.

四、结论

1. XD-1陶瓷型芯在本工艺烧成制度下.经焙挠后有少量方石英析出。

2..型芯室温强度应大于15MPA.

3.焙烧后,型芯中方石英含量在5～15%时，型芯具有良好的综合性量.

参考文献（略）