正硅酸乙酯對(duì)硅基陶瓷型芯強(qiáng)化的常溫性能研究

陸麗芳 王帥 龐佳敏 喬經(jīng)緯

摘 ?要 ?本文主要研究了正硅酸乙酯溶液pH對(duì)增強(qiáng)液的穩(wěn)定性關(guān)系，在最佳pH時(shí)，正硅酸乙酯濃度、陶芯浸漬次數(shù)對(duì)陶芯的常溫強(qiáng)度和氣孔率的影響，采用金相顯微鏡對(duì)增強(qiáng)前后陶芯斷口形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果表明最佳的浸漬液為正硅酸乙酯、乙醇、水，配比為2：6：5，正硅酸乙酯摩爾濃度為16.7%，浸漬液最佳的pH為5，浸漬次數(shù)為2次。通過斷口形貌分析，高溫增強(qiáng)后的型芯晶體堆積更致密，因此抗折強(qiáng)度增大，氣孔率在允許的范圍內(nèi)有所降低。

關(guān)鍵詞 ?正硅酸乙酯;硅基陶瓷型芯;常溫性能;強(qiáng)化

0 ?前 ?言

現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)以及工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)渦輪進(jìn)口溫度的不斷提高，使得氣冷空心葉片的熔模精密鑄造技術(shù)不斷發(fā)展，因此這一技術(shù)的關(guān)鍵——陶瓷型芯的研制引起了人們的廣泛關(guān)注。在整個(gè)葉片精密鑄造過程中陶瓷型芯的工作環(huán)境十分惡劣。陶瓷型芯既要具有足夠的室溫抗彎強(qiáng)度，以抵擋壓蠟?zāi)r(shí)高速蠟液的沖擊與制造過程中的各種機(jī)械損傷及熱損傷，又要具有較高的高溫強(qiáng)度，保證在澆注過程中受到高溫金屬液的物理沖擊和熱沖擊時(shí)不發(fā)生斷裂。

由于氧化硅基陶瓷的熱膨脹系數(shù)小、機(jī)械強(qiáng)度高、表面光潔度好，并且易于用堿液腐蝕，所以在國(guó)內(nèi)外被廣泛用作型芯材料。本研究在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)結(jié)論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究高溫強(qiáng)化液的穩(wěn)定性及高溫強(qiáng)化液的濃度、高溫強(qiáng)化次數(shù)對(duì)型芯的室溫性能影響，旨在從中找出較合適的強(qiáng)化工藝方法。

1 ?試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)原料及設(shè)備

試驗(yàn)原料：正硅酸乙酯、乙醇、去離子水、草酸等。

主要設(shè)備：磁力攪拌器、真空泵、烘箱、電爐、金相顯微鏡、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、顯氣孔體密測(cè)定儀、NDJ-5S數(shù)字顯示粘度計(jì)等。

1.2氧化硅基陶瓷型芯的高溫增強(qiáng)

本實(shí)驗(yàn)所用的陶瓷型芯增強(qiáng)液，主要組成為一定比例的正硅酸乙酯、乙醇、去離子水，通過10%草酸調(diào)節(jié)pH為4，水解完成之后用2%的氨水調(diào)節(jié)溶液pH為4～7，常溫抽真空到9×104 Pa，將燒成后的型芯真空浸漬20 min，然后常壓再浸漬20 min，去除表面多余溶液，自然干燥，然后烘箱90 ℃烘1 h，最后1 000 ℃燒成。

1.3性能與表征

（1）采用NDJ-5S數(shù)字顯示粘度計(jì)對(duì)不同pH陶瓷型芯增強(qiáng)液的粘度進(jìn)行分析。

（2）采用電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、顯氣孔體密測(cè)定儀對(duì)不同濃度型芯增強(qiáng)液的型芯強(qiáng)度和孔隙率分析。

（3）采用電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、顯氣孔體密測(cè)定儀對(duì)浸漬不同次數(shù)的型芯強(qiáng)度和孔隙率分析。

（4）采用金相顯微鏡對(duì)增強(qiáng)前后的陶瓷型芯進(jìn)行形貌分析。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 pH對(duì)陶芯浸漬液的穩(wěn)定性影響（見圖1）

由圖1可知，所有溶液都表現(xiàn)出剪切變稀的現(xiàn)象，隨著剪切速度的增加，溶液粘度逐漸降低。在pH為5時(shí)剪切變稀作用最小。通過圖1可以看出，在增強(qiáng)液配好一天內(nèi)測(cè)溶液的粘度，隨著pH的增加，在pH為4～6溶液的粘度變化較小，當(dāng)溶液pH為7時(shí)，溶液的粘度急劇增大，不可浸漬操作。硅酸乙酯與水在酸性條件下可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅溶膠（-Si-O-Si）x，圖1考察了不同pH溶液的穩(wěn)定性時(shí)間，即保持較好的流動(dòng)性時(shí)間，從圖1中可以看出，pH由4～7，溶液的穩(wěn)定時(shí)間先增加后減小，酸性太高，溶液易變渾濁，有硅酸沉淀析出，影響溶液的穩(wěn)定性，pH為5～7，隨著pH的增強(qiáng)，加速了硅溶膠生成的反應(yīng)速度，當(dāng)pH為7時(shí)，增強(qiáng)液在30 min內(nèi)迅速凝膠，因此陶芯高溫增強(qiáng)浸漬液的最佳pH為5。

2.2強(qiáng)化液濃度對(duì)型芯強(qiáng)度和孔隙率影響（見圖2）

由圖2可知，不增強(qiáng)的陶芯抗折強(qiáng)度為9.3 MPa，孔隙率為31.9%，隨著正硅酸乙酯摩爾濃度的增加，孔隙率隨之減小，基本成線性關(guān)系。由于孔隙率的高低是影響型芯壓蠟和后期脫芯的關(guān)鍵因素，因此本試驗(yàn)的主要目的是在具有一定抗折強(qiáng)度的范圍前提下盡可能地提高型芯的孔隙率。從圖2中可以看出，隨著正硅酸乙酯摩爾濃度的增加，抗折強(qiáng)度隨之增大，與孔隙率成反比。因此最佳的正硅酸乙酯摩爾濃度為16.7%，其中乙醇的摩爾濃度是46.2%，整個(gè)反應(yīng)體系中乙醇為正硅酸乙酯水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)的產(chǎn)物，隨著乙醇含量升高，一方面會(huì)抑制反應(yīng)朝著有利于硅溶膠生成的方向進(jìn)行，使溶液中硅溶膠的含量降低;另一方面，乙醇對(duì)整個(gè)反應(yīng)體系有稀釋作用，使整個(gè)體系中硅酸乙脂的濃度降低，水、酯接觸面積減小，碰撞機(jī)率降低，反應(yīng)速度減慢，導(dǎo)致溶液中硅溶膠的生成量降低。所以隨著強(qiáng)化液中硅酸乙酯含量提高，乙醇含量減少，溶液中硅溶膠的含量逐漸增多，當(dāng)正硅酸乙酯摩爾濃度大于16.7%時(shí)，溶液的粘度增大，型芯表面溶液不易被孔隙全部吸收，殘留在表面的溶液析出膠凍狀SiO2，然后失去水分，變成硬的SiO2顆粒層吸附在試樣表面很難去除，表面上看是抗折強(qiáng)度變大，且整個(gè)高濃度的硅酸乙酯體系水解不充分，易凝膠，造成很大浪費(fèi)。因此，最佳的正硅酸乙酯摩爾濃度為16.7%，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩爾比是2：6：5，在該濃度下型芯的抗折強(qiáng)度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

2.3浸漬次數(shù)對(duì)型芯強(qiáng)度和孔隙率的影響（見圖3）

圖3試驗(yàn)選擇在強(qiáng)化效果最佳的一組強(qiáng)化液中進(jìn)行，即采用強(qiáng)化液pH為5，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩爾比是2：6：5，每組3個(gè)試樣型芯分別在其中浸泡1～3次，表面自然風(fēng)干后在90 ℃烘箱中干燥1 h，冷卻后再進(jìn)行下一次浸泡。由圖3可知，未進(jìn)行任何強(qiáng)化的剛燒結(jié)好的型芯試樣的抗折強(qiáng)度為9.3 Mpa，孔隙率為31.9%。隨著浸漬增強(qiáng)次數(shù)的增加，型芯抗折強(qiáng)度增大，孔隙率變小。隨著強(qiáng)化次數(shù)增多，型芯的開氣孔率和室溫抗彎強(qiáng)度成反比，這是因?yàn)殡S強(qiáng)化次數(shù)增多，型芯中滲入的無定形SiO2隨之增多，顆粒與顆粒之間的聯(lián)系更緊密，導(dǎo)致型芯的抗折強(qiáng)度增大，而開氣孔率逐漸降低。當(dāng)浸漬三次與浸漬兩次相比，型芯強(qiáng)度增加的幅度較小，而增加一次浸漬在操作、成本和損壞率上都大幅度提高。綜上所述最終確定強(qiáng)化次數(shù)為2次，抗折強(qiáng)度由9.3 MPa增加到19.3 Mpa，孔隙率由31.9%降低到29.5%，滿足制造葉片的需要。

2.4高溫增強(qiáng)前后型芯斷口形貌分析（見圖4）

圖4為型芯高溫增強(qiáng)前后的斷口形貌金相顯微圖，其中（a）為未增強(qiáng)，（b）為兩次增強(qiáng)。從圖中看出，型芯經(jīng)過2次高溫強(qiáng)化后，強(qiáng)化層組織更加致密、均勻，開氣孔率減小，基體顆粒之間填充的無定形SiO2小顆粒進(jìn)一步增多，這些SiO2顆粒在1 000 ℃高溫?zé)嶙冃芜^程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?鱗石英，這進(jìn)一步解釋了隨著強(qiáng)化次數(shù)增多，型芯的強(qiáng)度不斷增大的原因。

3 ?結(jié) ?論

本文對(duì)陶瓷型芯高溫增強(qiáng)溶液體系及對(duì)型芯的性能影響進(jìn)行了研究，得出結(jié)論如下：

（1）陶芯高溫增強(qiáng)浸漬液的最佳pH為5，溶液具有較好流動(dòng)性時(shí)間為28天。

（2）型芯增強(qiáng)最佳的正硅酸乙酯摩爾濃度為16.7%，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩爾比是2：6：5，在該濃度下型芯的抗折強(qiáng)度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

（3）型芯高溫增強(qiáng)次數(shù)最佳為2次?？拐蹚?qiáng)度由9.3 MPa增加到19.3 Mpa，孔隙率由31.9%降低到29.5%。

（4）型芯高溫二次增強(qiáng)后的組織更加致密、均勻，開氣孔率進(jìn)一步減小。

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