釔鋁石榴石對(duì)氧化鋁基陶瓷型芯高溫性能的影響

徐東陽(yáng)， 李滌塵， 吳海華， 邢建東， 孫 博

(1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049;2.西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710049)

在空心渦輪葉片的定向凝固鑄造過(guò)程中，陶瓷型芯要在1500～1650℃的高溫金屬液中保持一段時(shí)間，一般不少于30min，這就要求陶瓷型芯具備高溫性能［1］。通常要求用于定向凝固及單晶葉片鑄造的陶瓷型芯高溫抗彎強(qiáng)度(1550℃)應(yīng)不低于2～4MPa，高溫?fù)隙取鱄≤2mm［2］。然而陶瓷型芯高溫性能往往不佳，如果直接用于渦輪葉片鑄造，容易產(chǎn)生偏芯、漏芯等缺陷。為提高渦輪葉片的成品率，需采取適當(dāng)?shù)膹?qiáng)化工藝提高陶瓷型芯的高溫性能。

北京航空材料研究院利用CS-1強(qiáng)化液浸漬強(qiáng)化處理AC-1和AC-2氧化鋁基型芯［3，4］，獲得較好的效果;中國(guó)科學(xué)院金屬研究所采用含有Si4+的強(qiáng)化液成功地強(qiáng)化了 Al2O3/SiO2納米復(fù)合型芯［5］。其強(qiáng)化機(jī)理均是Si4+與氧化鋁微粉反應(yīng)生成莫來(lái)石強(qiáng)化相(3Al2O3·2SiO2)，形成高溫互鎖網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而改善陶瓷型芯高溫性能［6，7］。

釔溶膠是一種含有氧化釔納米顆粒的溶膠液，在真空加壓條件下能夠滲入陶瓷型芯內(nèi)部，在高溫下納米氧化釔顆粒與α-Al2O3反應(yīng)生成高溫強(qiáng)化相釔鋁石榴石(YAG，3Y2O3·5Al2O3)［8，9］，YAG是已知的抗蠕變性能最好的氧化物，同時(shí)與α-Al2O3熱膨脹系數(shù)相近［10～12］。本研究選用釔溶膠為強(qiáng)化劑，應(yīng)用真空壓力浸漬工藝對(duì)氧化鋁基陶瓷型芯進(jìn)行強(qiáng)化處理，以改善氧化鋁基陶瓷型芯的高溫性能。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用粗、細(xì)兩種電熔剛玉粉末為型芯基體材料，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.32%，粒度分布由2604LC型馬爾文粒度儀測(cè)定(見(jiàn)圖1和圖2)。礦化劑為氧化鎂微粉和氧化釔微粉，分析純，質(zhì)量分?jǐn)?shù)均為99.99%。型芯成型時(shí)，陶瓷粉料的組成如下：電熔剛玉粗顆粒、電熔剛玉細(xì)顆粒、氧化鎂微粉和氧化釔微粉的質(zhì)量比為75∶15∶4∶6。

圖1 細(xì)顆粒電熔剛玉粒度分布Fig.1 Particle size distributions of finer α-Al2O3powder

圖2 粗顆粒電熔剛玉粒度分布Fig.2 Particle size distributions of coarser α-Al2O3powder

凝膠注模材料：選擇丙烯酰胺為有機(jī)單體，亞甲基雙丙烯酰胺為交聯(lián)劑(分析純)，選用聚丙烯酸鈉溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%，分析純)為分散劑。選擇過(guò)硫酸銨作為引發(fā)劑，四甲基乙二胺為催化劑(均為分析純)，pH調(diào)節(jié)劑為氨水，溶劑為去離子水。選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的釔溶膠為浸漬液。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

(1)試樣成型：采用凝膠注模成型工藝制備固相體積分?jǐn)?shù)為56%的陶瓷漿料。將有機(jī)單體丙烯酰胺，交聯(lián)劑亞甲基雙丙烯酰胺溶解于去離子水中，加入分散劑聚丙烯酸鈉，用氨水調(diào)節(jié)pH值至10，分批加入陶瓷粉料，置入行星式球磨機(jī)中球磨2h，獲得低黏度的陶瓷懸浮液。向陶瓷懸浮液中先后加入引發(fā)劑和催化劑，充分?jǐn)嚢韬螅⑷胗晒夤袒焖俪尚蜋C(jī)制出的樹(shù)脂模具中，振動(dòng)排氣，約10min后固化成形。

(2)坯體干燥：采用真空冷凍干燥方法干燥。將試樣放入-30℃的速凍柜中冷凍4h，待去離子水完全凍結(jié)成冰晶，然后將置入真空壓強(qiáng)約為30Pa凍干機(jī)干燥。

(3)預(yù)燒結(jié)：將干燥后的試樣放入高溫鐘罩爐中，以200℃/h的升溫速率焙燒至1360℃，保溫6h，隨爐冷卻。

(4)一次浸漬強(qiáng)化：將預(yù)燒結(jié)后的陶瓷型芯(預(yù)制體)，放入真空壓力浸漬機(jī)中浸漬(工藝參數(shù)：真空壓強(qiáng)600Pa，外加壓力0.3MPa，浸漬時(shí)間10min)。

(5)終燒：第一次浸漬完成后，將預(yù)制體放入100℃烘箱中干燥，再放入高溫鐘罩爐中，以每小時(shí)250℃的升溫速率焙燒至1550℃，保溫4h，隨爐冷卻。

(6)多次浸漬強(qiáng)化：將終燒后的型芯再次真空壓力浸漬，放入 100℃烘箱中干燥，高溫回爐(1550℃保溫0.5h)，如此浸漬2～3次，如圖3所示。

圖3 真空壓力浸漬強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.3 Experiment flow chart of VPI

1.3 測(cè)試方法

按照HB 5353—2004測(cè)試陶瓷型芯的相關(guān)性能。

采用PCY型高溫臥式膨脹儀實(shí)時(shí)記錄型芯試樣(φ4mm×50mm)的線膨脹率(升溫速率為6℃/ min)，繪制出線膨脹率曲線。

采用雙支點(diǎn)法測(cè)量1550℃/0.5h下?lián)隙?，試樣尺寸?mm×6mm×120mm。

用WDW-200微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣1550℃高溫抗彎強(qiáng)度。試樣尺寸4mm×10mm ×60mm，跨距30mm，加載速率0.5mm/min。

采取阿基米德排水法測(cè)量陶瓷型芯顯氣孔率。

采用X射線衍射儀測(cè)試型芯試樣斷口截面物相成分及含量。

用SEM觀察型芯試樣斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 線膨脹率曲線

圖4為不同浸漬次數(shù)下的型芯試樣線膨脹率曲線。

圖4 不同狀態(tài)下的型芯試樣的線膨脹率曲線Fig.4 Linear expansion curves of cores in different states

從圖4中可以看出：在1300℃之前線膨脹率曲線基本重合，這表明：低于1300℃，陶瓷顆粒僅受熱膨脹，尚未出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。高于1400℃時(shí)，未強(qiáng)化型芯的線膨脹率大幅下降，這表明試樣內(nèi)部細(xì)小的陶瓷顆粒在高溫下開(kāi)始熔融，出現(xiàn)了液相，試樣軟化，在宏觀上表現(xiàn)為試樣的尺寸開(kāi)始明顯收縮，1400℃為未強(qiáng)化的型芯軟化點(diǎn)。隨著真空壓力浸漬強(qiáng)化次數(shù)的增多，軟化點(diǎn)有所提高。一次強(qiáng)化處理后，軟化點(diǎn)達(dá)到1500℃左右;二次浸漬強(qiáng)化處理后、型芯軟化點(diǎn)升高到1545℃左右，經(jīng)三次強(qiáng)化后，型芯軟化點(diǎn)升高到1560℃左右。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以釔溶膠為強(qiáng)化液，采用真空壓力浸漬工藝對(duì)型芯進(jìn)行多次強(qiáng)化，可有效提高型芯的使用溫度，避免型芯軟化變形，減少偏芯，漏芯缺陷出現(xiàn)。

2.2 高溫?fù)隙群透邷乜箯潖?qiáng)度

圖5和圖6分別為陶瓷型芯試樣1550℃/0.5h撓度及1550℃抗彎強(qiáng)度隨浸漬次數(shù)的變化曲線圖。由圖可知：未經(jīng)浸漬強(qiáng)化的陶瓷型芯的高溫性能很差，高溫?fù)隙雀哌_(dá)7.38mm，高溫抗彎強(qiáng)度僅為0.95MPa;經(jīng)一次浸漬強(qiáng)化處理后，高溫?fù)隙葹?.41mm，高溫抗彎強(qiáng)度為1.91MPa，高溫性能改善;經(jīng)過(guò)二次浸漬強(qiáng)化后，高溫?fù)隙葴p小至1.29mm，高溫抗彎強(qiáng)度增加到3.00MPa，高溫性能進(jìn)一步改善。經(jīng)過(guò)三次浸漬強(qiáng)化后，高溫?fù)隙葴p小至0.72mm，高溫抗彎強(qiáng)度增加到4.61MPa?？梢?jiàn)，采用釔溶膠作為浸漬液，通過(guò)真空壓力浸漬強(qiáng)化工藝處理，氧化鋁基陶瓷型芯的高溫抗蠕變能力及抗彎強(qiáng)度得到明顯地改善。

圖5 不同真空壓力浸漬次數(shù)下的1550℃/0.5h撓度Fig.5 1550℃/0.5h deflection at different times of VPI

2.3 顯氣孔率

氧化鋁基型芯化學(xué)性能穩(wěn)定，不易于酸堿發(fā)生反應(yīng)，難以脫芯，為方便脫芯，一般要求陶瓷型芯應(yīng)具有較高的顯氣孔率，對(duì)于含氧化釔的鋁基陶瓷型芯顯氣孔率應(yīng)達(dá)到40%以上［13］。由圖7可見(jiàn)：隨著浸漬次數(shù)的增加，顯氣孔率逐步減小。浸漬處理前，型芯試樣顯氣孔率為45.69%;三次浸漬后，顯氣孔率下降了4.34%，為41.35%。在保證型芯具備良好的高溫性能(高溫抗自重變形能力及高溫抗彎強(qiáng)度)的同時(shí)，又具有較高的顯氣孔率(40%以上)，利于脫芯處理，浸漬次數(shù)2～3次較為合理。

圖6 不同真空壓力浸漬次數(shù)下1550℃時(shí)抗彎強(qiáng)度Fig.6 1550℃ bending strength at different times of VPI

圖7 不同真空壓力浸漬次數(shù)下的顯氣孔率Fig.7 Apparent porosity at different times of VPI

2.4 物相成分及微觀結(jié)構(gòu)

對(duì)不同浸漬次數(shù)的陶瓷型芯試樣斷口進(jìn)行XRD定性定量分析，物相組成如表1及圖8。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，陶瓷型芯物相由α-Al2O3、鎂鋁尖晶石MgAl2O4及釔鋁石榴石3Y2O3·5Al2O3組成;其中釔鋁石榴石3Y2O3·5Al2O3相對(duì)含量隨著浸漬次數(shù)的增加逐漸提高，而α-Al2O3、鎂鋁尖晶石MgAl2O4相對(duì)含量有所減少。這表明強(qiáng)化后的型芯內(nèi)部生成了抗蠕變性能優(yōu)良的新相，在高溫下起到了增強(qiáng)作用，可有效防止型芯過(guò)早地軟化變形，提高了型芯耐高溫能力。

表1 不同狀態(tài)下陶瓷型芯試樣斷口物相成分Table 1 Phase compositions of ceramic core specimen fractures in different states

圖8 不同狀態(tài)下的型芯試樣斷口XRDFig.8 XRD of core specimen fractures in different states (a)vacuum pressure impregnation 0 time;(b)vacuum pressure impregnation 1 time;(c)vacuum pressure impregnation 2 times;(d)vacuum pressure impregnation 3 times

圖9為不同真空壓力浸漬次數(shù)下的型芯試樣斷口微觀結(jié)構(gòu)。對(duì)比浸漬前后SEM照片可以看出：浸漬處理后，陶瓷鑄型基體粗顆粒α-Al2O3之間細(xì)小的球狀顆粒YAG顯著增加。這是由于隨著浸漬次數(shù)的增加，留在陶瓷型芯孔隙內(nèi)的納米氧化釔顆粒不斷增多，在高溫下納米氧化釔顆粒與陶瓷型芯基體α-Al2O3發(fā)生反應(yīng)生成抗蠕變性能優(yōu)良的釔鋁石榴石YAG，從而起到了高溫增強(qiáng)作用。因此，浸漬處理后釔鋁石榴石(YAG，3Y2O3·5Al2O3)的大量存在是陶瓷型芯高溫性能提高的根本原因。

圖9 不同狀態(tài)下的型芯試樣斷口SEMFig.9 SEM of core specimen fractures in different states (a)，(b)VPI 0 time;(c)，(d)VPI 3 times

3 結(jié)論

(1)用釔溶膠對(duì)氧化鋁基型芯進(jìn)行多次真空壓力浸漬強(qiáng)化處理后，型芯的高溫抗蠕變能力及高溫抗彎強(qiáng)度大幅提高。經(jīng)3次真空壓力浸漬強(qiáng)化后，型芯軟化點(diǎn)超過(guò)1550℃;同時(shí)型芯顯氣孔率保持在40%以上，利于脫芯。

(2)浸漬處理后型芯中的釔鋁石榴石YAG含量大量增加，釔鋁石榴石具有優(yōu)良的高溫抗蠕變能力，對(duì)陶瓷型芯起到了高溫增強(qiáng)作用，從而使陶瓷型芯高溫性能有了明顯改善。

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