纖維增強(qiáng)熔模鑄造復(fù)合型殼的性能及斷口形貌

呂 凱 劉向東 李艷芬 馮 華 王 浩

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特010051)

熔模精密鑄造是當(dāng)前制造航空航天零部件的主要技術(shù)之一［1］.航天、航空技術(shù)的發(fā)展，對所用熔模鑄件質(zhì)量不斷提出更高的要求.因此，作為獲得高質(zhì)量鑄件的前提，型殼必須具有優(yōu)良的常溫、高溫強(qiáng)度，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，且必須具有較低的殘留強(qiáng)度來保證脫殼工序的進(jìn)行［2］.為提高其強(qiáng)度，尤其是其濕強(qiáng)度，傳統(tǒng)的方法有采取額外的加固措施［3］，或采用多層復(fù)合技術(shù)來制備型殼，而增加型殼層數(shù)則需吹強(qiáng)風(fēng)干燥工藝來縮短制殼周期［4］.這雖可在一定程度上解決部分問題，但又會使得型殼厚度過厚、透氣性差，澆注后鑄件清理困難.因此，開發(fā)一種具有高強(qiáng)度、薄壁的增強(qiáng)型精鑄型殼制備技術(shù)就顯得尤為迫切.

研究表明，纖維增強(qiáng)混凝土中，大量亂向分布的纖維可以有效地防止混凝土的早期開裂，提高混凝土的韌性、抗沖擊、抗?jié)B、抗疲勞等耐久性［5-8］.這一領(lǐng)域的研究以及所取得的技術(shù)成果為纖維增強(qiáng)型殼制備技術(shù)的研究與開發(fā)提供了極具參考價(jià)值的思路與線索.在熔模鑄造生產(chǎn)中，通過纖維增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料也已有大量的研究［9-10］.而采用纖維來增強(qiáng)精鑄型殼的研究雖已開展［11-15］，但仍處于起步階段，尚不深入，如纖維的種類、長度、直徑以及加入量、加入方式等參數(shù)對型殼性能的影響規(guī)律以及制殼過程中纖維的團(tuán)聚、纏繞等諸多問題仍有待進(jìn)行系統(tǒng)研究.

硅酸鋁具有低的熱傳導(dǎo)率、優(yōu)良的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性.因此，提高增強(qiáng)型殼的高溫強(qiáng)度，硅酸鋁纖維就是一個(gè)非常有吸引力的選擇.天然植物纖維價(jià)廉、來源廣且潤濕性較好，用其制備的增強(qiáng)型殼在焙燒時(shí)燒失形成空隙會有效降低型殼殘留強(qiáng)度.

前期研究發(fā)現(xiàn)，采用單一天然植物增強(qiáng)或硅酸鋁纖維增強(qiáng)型殼的濕強(qiáng)度均顯著提高;相同纖維加入量條件下，采用單一硅酸鋁纖維增強(qiáng)型殼的濕強(qiáng)度達(dá)到最大值(3.34 MPa)，略高于采用單一天然植物增強(qiáng)型殼的濕強(qiáng)度最大值(3.28 MPa).但采用單一植物纖維增強(qiáng)的型殼焙燒后強(qiáng)度有所降低，最大降幅約20%;而采用單一硅酸鋁纖維增強(qiáng)型殼的焙燒后強(qiáng)度最大增幅則達(dá)50%.型殼的焙燒后強(qiáng)度過高，鑄件澆注后殘留強(qiáng)度也高，鑄件清理困難.從這個(gè)角度考慮，希望型殼的焙燒后強(qiáng)度不宜過高，但也不能太低(過低型殼在金屬壓力下易開裂或變形導(dǎo)致鑄件精度降低).因此，采用天然植物/硅酸鋁雙纖維混合增強(qiáng)型殼，發(fā)揮其對型殼性能影響的互補(bǔ)性，焙燒后型殼強(qiáng)度仍介于采用單一天然植物增強(qiáng)型殼與采用單一硅酸鋁纖維增強(qiáng)型殼的焙燒后強(qiáng)度之間，或許能較好地解決上述問題.考慮兩種纖維單一增強(qiáng)時(shí)，濕強(qiáng)度提高效果相近，而對型殼的焙燒后強(qiáng)度的影響相反，相互抵消后，焙燒后強(qiáng)度略有提高，不會明顯影響型殼的潰散性，故兩種纖維的比例1∶1選擇.基于此，本文通過在制殼用涂料中摻入一定量天然植物纖維和硅酸鋁纖維來制備精鑄用纖維增強(qiáng)型殼，并對不同纖維加入量條件下的纖維增強(qiáng)型殼試樣的常溫及焙燒后抗彎強(qiáng)度、高溫自重變形量的變化規(guī)律進(jìn)行研究，為獲得高強(qiáng)度型殼的制備工藝，并實(shí)現(xiàn)在熔模鑄生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)中選用的硅酸鋁纖維直徑為φ7～9 μm，長度為4～6 mm.天然植物纖維為蘆葦纖維，直徑φ7～11 μm，長 3 ～5 mm.制殼用面層和過渡層涂料中均不加纖維.纖維加入到背層及封漿層涂料中，其總加入量按涂料中耐火粉料質(zhì)量的0.2%～1.0%變化，其中硅酸鋁纖維與天然植物纖維質(zhì)量比為1∶1.試驗(yàn)中型殼試樣制備工藝如表1所示.型殼在室溫下干燥，焙燒溫度為900℃，保溫120min.

表1 型殼試樣制備用材料Table 1 Materials for preparation of shell samples

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用型殼試樣的尺寸為40 mm×20 mm×6 mm.采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法在室溫下對型殼試樣進(jìn)行強(qiáng)度測試.在XQY-Ⅱ型智能型砂強(qiáng)度儀上測試彎曲強(qiáng)度.用荷蘭QUANTA400型掃描電子顯微鏡對型殼試樣的斷口形貌進(jìn)行觀察.

高溫自重變形試樣為圓環(huán)狀，其內(nèi)徑為φ88 mm，外徑為 φ100 mm，厚 20 mm.試樣經(jīng)900℃ ×120 min焙燒冷卻至室溫后，再裝入高溫爐升溫至1200℃，保溫60 min，冷卻至室溫后測量試樣經(jīng)高溫自重變形后的外徑尺寸.然后再根據(jù)式(1)計(jì)算出該試樣的變形量.

式中，δt-τ為試樣在一定溫度和時(shí)間下的變形量，%;A為試樣的初始外徑，mm;B為試樣變形后的外徑，mm.

2 結(jié)果及討論

2.1 型殼試樣的常溫強(qiáng)度(濕強(qiáng)度)

圖1為型殼試樣隨纖維加入量不同其常溫抗彎強(qiáng)度的變化曲線.由圖1可知，纖維加入到涂料中，并制成型殼試樣后，隨著涂料中纖維加入量的增加，試樣的抗彎強(qiáng)度逐漸增大，但當(dāng)涂料中纖維加入量超過0.6%后，試樣的抗彎強(qiáng)度開始明顯下降.在纖維加入量為0.6%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度達(dá)到最大值2.94 MPa，較未加纖維進(jìn)行增強(qiáng)的型殼試樣提高了約30%.纖維加入量為1.0%時(shí)，試樣的抗彎強(qiáng)度較低，僅為1.84 MPa.

圖1 雙纖維加入量對型殼試樣常溫抗彎強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of double-fiber addition on bending strength of green shell samples

型殼試樣采用纖維增強(qiáng)后，纖維加入量不超過0.6%時(shí)，由于硅溶膠與纖維的界面結(jié)合形成了有效的受力骨架，強(qiáng)化了耐火粉料和粘結(jié)劑的連接.因此，在纖維加入量為0.2% ～0.6%時(shí)，其強(qiáng)度得到提升.但是，纖維在型殼中發(fā)揮增強(qiáng)作用的前提是纖維在基體中要能夠均勻分散，使外加應(yīng)力通過界面?zhèn)鬟f，作用到纖維上，發(fā)揮增強(qiáng)作用.硅溶膠型殼強(qiáng)度是隨著硅溶膠干燥轉(zhuǎn)變?yōu)閮瞿z而建立起來的，當(dāng)纖維加入量超過0.6%時(shí)，由于大量的纖維在涂料混制過程中出現(xiàn)團(tuán)聚、纏繞，進(jìn)而在型殼試樣內(nèi)部局部大量聚集，而得不到充分分散，增強(qiáng)效果顯著降低.同時(shí)，大量團(tuán)聚甚至纏繞的纖維存在于型殼層中，型殼干燥及焙燒后，留下了連續(xù)、集中的微觀孔隙，這些空隙在承受載荷時(shí)會成為裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的主要來源，導(dǎo)致強(qiáng)度降低.同時(shí)，涂料中纖維加入量過大時(shí)，涂料的黏度明顯增大，施涂難度增大甚至出現(xiàn)涂料堆積，堆積層脫水收縮量大，導(dǎo)致涂層中孔隙和初始裂紋數(shù)量增加，從而促使型殼試樣在承受載荷時(shí)迅速斷裂，抗彎強(qiáng)度大幅降低.

圖2 常溫型殼試樣斷口形貌Fig.2 SEM images of fracture surface morphology of the green shell samples

圖2為不同纖維加入量條件下所制備的增強(qiáng)型殼試樣的斷口形貌.從圖2a、圖2b可以發(fā)現(xiàn)，斷口只有少量纖維存在，這是由于涂料中纖維加入量較少所致，但可觀察到天然植物纖維和硅酸鋁纖維交叉分布，無明顯方向性，且分散較均勻.兩圖中標(biāo)示位置纖維均有部分制殼材料粘附，同時(shí)還有與顯微直徑相近的圓孔存在，這說明型殼試樣在承受載荷破壞時(shí)，除傳統(tǒng)制殼材料的斷裂外，還包括纖維以界面脫粘、拔出等形式失效.其中圖2b局部放大區(qū)域可以觀察到纖維四周存在著微細(xì)裂紋，且裂紋在纖維處終止，這說明裂紋沿著型殼斷裂前端運(yùn)動到纖維與基體形成的界面時(shí)，由于纖維脫粘、拔出，使得裂紋擴(kuò)展的能量在界面處被消耗，這也在一定程度上提高了型殼試樣的承載能力.纖維加入量為0.6%時(shí)的斷口形貌如圖2c所示，標(biāo)示處可觀察到纖維拔出后遺留的孔洞，并且視場內(nèi)的兩種不同直徑的纖維均勻分布，試樣破壞時(shí)，纖維以脫粘、拔出或斷裂的形式失效.試樣中纖維的脫粘、拔出或斷裂均需消耗能量，因此，宏觀上體現(xiàn)為抗彎強(qiáng)度的增加，裂紋擴(kuò)展遲滯，這與圖1結(jié)果相對應(yīng).當(dāng)型殼中纖維加入量分別增加到0.8%和1.0%以后，如圖2d、圖2e所示，纖維在涂料中分散性變差，甚至在型殼試樣中出現(xiàn)集束現(xiàn)象(試樣破壞時(shí)剝離或脫粘后遺留平行的圓孔或槽)，這些大量的分布方向相似、位置相同相近的纖維束對型殼試樣雖然仍有增強(qiáng)作用，但增強(qiáng)效果大大降低(試樣斷口表面纖維的彎曲表明，試樣在破壞時(shí)纖維仍具有增強(qiáng)作用).而集束纖維的存在會對試樣基體產(chǎn)生嚴(yán)重的割裂作用并造成大量微裂紋的集中，其對型殼的破壞作用遠(yuǎn)超過纖維增強(qiáng)作用，二者綜合作用導(dǎo)致型殼試樣的抗彎強(qiáng)度明顯降低.

2.2 不同焙燒溫度下型殼試樣的強(qiáng)度

焙燒工藝是制備高質(zhì)量型殼的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié).圖3為不同焙燒溫度下纖維增強(qiáng)復(fù)合型殼試樣的抗彎強(qiáng)度變化.

圖3 雙纖維加入量對型殼試樣焙燒后彎曲強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of double-fiber addition on bending strength of fired shell samples

由圖3可見，相比于未用纖維增強(qiáng)型殼試樣，加入0.6%纖維的增強(qiáng)型殼試樣，經(jīng)900℃溫度焙燒后，試樣的抗彎強(qiáng)度有所降低，僅為4.04 MPa，與未進(jìn)行纖維復(fù)合增強(qiáng)的型殼試樣的抗彎強(qiáng)度接近.加入0.2% ～0.6%纖維的增強(qiáng)型殼試樣，分別經(jīng)950℃及1000℃焙燒后，其抗彎強(qiáng)度均有不同程度提高.其中，加入0.6%纖維的增強(qiáng)型殼試樣，950℃焙燒時(shí)，其抗彎強(qiáng)度值達(dá)到最大，為5.04 MPa，繼續(xù)增加型殼中纖維的加入量，試樣的抗彎強(qiáng)度則開始大幅降低.

采用兩種纖維混合增強(qiáng)型殼時(shí)，纖維對復(fù)合型殼試樣的影響有兩個(gè)方面:一方面，焙燒后的纖維復(fù)合型殼試樣內(nèi)部可以看作是含有大量孔隙的多相多孔體.多孔體強(qiáng)度隨孔隙率的增加而減少，型殼試樣中的植物纖維在焙燒過程中燒失，會增加型殼試樣內(nèi)部的孔隙率，即減少了承載面積，降低型殼強(qiáng)度.另一方面，硅酸鋁纖維在焙燒后依然存在于型殼試樣中，并由于高溫焙燒使得纖維與基體間緊密連為一體，纖維復(fù)合增強(qiáng)的作用使型殼試樣的強(qiáng)度獲得提高，且硅酸鋁纖維在脫粘、拔出過程中留下了較為規(guī)整的圓形孔洞(其孔徑近似于纖維直徑)，相比型殼原有的帶有尖角的孔隙，對型殼的割裂作用也更弱.因此，型殼中纖維加入量為0.2%～0.6%時(shí)，硅酸鋁纖維的增強(qiáng)作用要大于天然植物纖維的割裂作用，所以型殼試樣的抗彎強(qiáng)度相比未加入纖維增強(qiáng)的型殼試樣略有升高.纖維加入量繼續(xù)增加后，天然植物纖維的作用占主導(dǎo)，導(dǎo)致型殼抗彎強(qiáng)度降低.

2.3 型殼試樣的高溫自重變形量

精鑄型殼的作用在于容納高溫金屬液并使其冷卻凝固.鑄件越大，型殼質(zhì)量越大，會導(dǎo)致其在自重條件下變形加劇，在高溫焙燒過程中這種變形顯得尤為嚴(yán)重.因此，控制型殼試樣高溫自重變形量是確保型殼質(zhì)量的另一個(gè)關(guān)鍵.圖4為型殼中不同纖維加入量對試樣高溫自重變形量的影響.由圖可見，當(dāng)纖維加入量小于0.4%時(shí)，隨著纖維加入量增加，型殼試樣的高溫自重變形量逐漸降低.纖維加入量超過0.4%時(shí)，試樣的高溫自重變形量開始逐漸增大.纖維加入量為0.4%時(shí)，高溫自重變形量最小，僅為0.75%.

圖4 雙纖維加入量對高溫自重變形量的影響Fig.4 Effect of addition of double-fiber on deformation under weight at elevated temperature

天然植物纖維的加入對焙燒后的復(fù)合型殼的影響，在本質(zhì)上與傳統(tǒng)型殼沒有太大的差別，只是相比后者空隙數(shù)量相對更多一些，使得型殼的承載面積進(jìn)一步減小.由于天然植物纖維在焙燒前期較低的溫度下便被燒失，如果纖維燒失前在型殼中的分布均勻，這些在型殼焙燒早期就增加的孔隙就可以降低型殼整體的剛性，使型殼在焙燒過程中各膨脹區(qū)域之間的退讓性得到改善，減少或消除型殼由于受熱而產(chǎn)生的熱膨脹，減小型殼內(nèi)的應(yīng)力及減輕應(yīng)力集中，進(jìn)而使型殼的變形得到不同程度的抑制.同時(shí)，在高溫下材料斷裂或變形由高溫蠕變機(jī)制控制，裂紋擴(kuò)展時(shí)，硅酸鋁纖維會消耗部分能量，對裂紋擴(kuò)展的阻擾能力明顯優(yōu)于未加纖維的型殼試樣，所以型殼在加入0.2%～0.8%纖維增強(qiáng)時(shí)，其自重變形量均低于1.0%，能滿足精鑄件的生產(chǎn)要求.當(dāng)纖維加入量為1.0%時(shí)，由于大量纖維在型殼試樣中以集束狀存在，天然植物纖維在燒失后所遺留的連續(xù)空隙會促使型殼在高溫下的變形，即自重變形量增大.

3 結(jié)論

1)天然植物/硅酸鋁雙纖維加入量從0.2%～1.0%變化時(shí)，常溫抗彎強(qiáng)度先增大后減小，加入量為0.6%時(shí)，達(dá)到最大值2.94 MPa，較未添加纖維進(jìn)行增強(qiáng)的型殼試樣提高了約30%;

2)天然植物/硅酸鋁雙纖維加入量為0.6%，900℃的溫度焙燒后，型殼試樣的抗彎強(qiáng)度與未添加纖維的型殼試樣相同;

3)隨天然植物/硅酸鋁雙纖維加入量的增加，型殼試樣的高溫自重變形量先減小后增大，加入量在0.2% ～0.8%時(shí)，變形量均低于1%;

4)天然植物/硅酸鋁雙纖維增強(qiáng)硅溶膠型殼試樣受力破壞失效主要由于硅溶膠凝膠膜的斷裂、硅酸鋁纖維拔出、斷裂及脫粘等綜合作用所致.

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