面向大尺寸空心渦輪葉片一體化鑄型的陶瓷漿料固化控制研究

魯中良，劉亮杰，陳 義，苗 愷，李滌塵

（ 西安交通大學機械工程學院，機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，陜西西安710049 ）

渦輪葉片是航空發(fā)動機熱端關鍵零件，它的性能水平已成為熱動力設備先進程度的重要標志，也是一個國家制造技術水平的顯著標志[1-3]。 目前傳統(tǒng)制造葉片的方式是熔模鑄造， 但存在諸多缺點，為此，本研究提出了一種基于增材制造與凝膠注模技術的空心渦輪葉片（圖1）陶瓷鑄型制造方法[4-6]，克服了熔模鑄造的缺陷，能實現(xiàn)復雜結構渦輪葉片的快速制造[7]。

圖1 空心渦輪葉片

然而，在成形大尺寸一體化鑄型時，存在嚴重的陶瓷顆粒偏析現(xiàn)象，如圖2 所示。 大尺寸渦輪葉片陶瓷鑄型高度方向上尺寸大于400 mm， 凝膠注模后，當漿料固化時間偏長，大尺寸陶瓷顆粒受重力影響會發(fā)生沉降，出現(xiàn)顆粒偏析現(xiàn)象[8]，若漿料固化時間偏短，則影響一體化鑄型充型。 顆粒偏析會導致陶瓷鑄型組織均勻性下降，在高溫燒結過程中易出現(xiàn)燒結變形和開裂等問題，影響一體化陶瓷鑄型性能和結構完整性。

圖2 陶瓷顆粒分布

基于此，本研究從固化溫度、固相含量及硅溶膠濃度著手，探究了三者對陶瓷漿料固化成形的影響，以此優(yōu)化了工藝參數(shù)，并根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)進行了大尺寸鑄型的成形，得到了質(zhì)量較好的大尺寸陶瓷鑄型。

1 陶瓷漿料固化成形因素探究

針對上述三種因素，本研究制備了圖3 所示的圓柱形試樣，試樣高度為100 mm，試樣經(jīng)凝膠注模和冷凍干燥后沿重力方向上每隔20 mm，切取整塊試樣作為密度測試樣品，試樣從上到下分別標注對應數(shù)字1~5。 采用阿基米德排水法測量陶瓷試樣的密度，采用黏度計測量陶瓷漿料黏度。

圖3 陶瓷試樣尺寸

1.1 固化溫度

固定陶瓷漿料的固相含量（體積分數(shù)）為60%，將陶瓷漿料分別在20~50 ℃的溫度中固化，在電熱鼓風干燥箱中澆注陶瓷試樣。 樹脂在50 ℃前熱膨脹系數(shù)基本不發(fā)生變化， 因此將樹脂原型澆注前2 h 放置在干燥箱中保溫， 保證樹脂原型溫度與固化溫度一致。 陶瓷漿料經(jīng)過球磨分散后，注入樹脂試樣中，設置固化溫度為20~50 ℃，各組中催化劑和引發(fā)劑量保持一致。

圖4 是在不同固化溫度下測得的陶瓷試樣的固化時間。 可見，陶瓷試樣的固化時間隨著固化溫度的升高而逐漸減少，這是由于溫度的升高能夠加速單體和交聯(lián)劑之間發(fā)生交聯(lián)反應，最終促進陶瓷試樣的交聯(lián)固化。 在陶瓷鑄型凝膠注模真空注型過程中，當固化時間過短，難以保證陶瓷鑄型的充型結構完整；當固化時間過長，漿料易發(fā)生偏析和沉淀，影響陶瓷鑄型的性能穩(wěn)定。 試驗發(fā)現(xiàn)，在添加催化劑和引發(fā)劑后，在真空注型機里澆注時間穩(wěn)定在5~6 min， 澆注后的陶瓷鑄型從真空鑄型機取出，在大氣環(huán)境中固化時間穩(wěn)定在7~9 min， 則陶瓷鑄型固化時間維持在12~15 min 較為合適。 當澆注固化溫度為30~35 ℃時，陶瓷漿料固化時間滿足固化成形要求。

圖4 試樣隨固化溫度變化的固化時間

將經(jīng)過1350 ℃高溫燒結后的試樣由上到下均勻截取5 段，分別測量密度分布，結果如圖5 所示。對于100 mm 高度的陶瓷試樣， 其密度差由下式計算：

圖5 終燒試樣密度分布

對于固化溫度為20、25 ℃澆注的陶瓷試樣，其密度差分別為1.58%、1.6%；固化溫度為30 ℃時，試樣的密度差僅為0.69%；而當溫度升高到30 ℃以上時，試樣的密度差穩(wěn)定在0.8%以下；當溫度繼續(xù)升高到50 ℃時，試樣的密度差為0.79%。 與前文相對應，當固化溫度高于30 ℃時，陶瓷顆粒偏析現(xiàn)象不明顯，因此密度分布也較為均勻。

渦輪葉片陶瓷鑄型最終面向定向凝固成形金屬葉片，因此需考慮陶瓷鑄型在終燒后，定向凝固前的狀態(tài)。設計標準尺寸為60 mm×10 mm×4 mm 的陶瓷試樣，試樣經(jīng)凝膠注模、冷凍干燥、預燒脫脂和1350 ℃終燒后的陶瓷試樣進行室溫抗彎強度測試，采用全自動高溫應力應變試驗機進行測試，支點跨距為30 mm，結果如圖6 所示。

圖6 不同固化溫度固化下試樣室溫強度分布

由圖6 可見，在固化溫度為20、25 ℃成形的陶瓷試樣，室溫抗彎強度較低，均在30 MPa 以下，這是由于密度差異較大， 存在明顯的顆粒偏析現(xiàn)象，降低了陶瓷的堆積效果，阻礙燒結頸的生成；同時，顆粒分布不均勻也會導致試樣收縮精度存在各項異性，影響陶瓷鑄型性能和結構完整性。 當固化溫度為30 ℃時，陶瓷顆粒偏析現(xiàn)象基本消除；在固化溫度為30~50 ℃時，成形的陶瓷試樣的室溫抗彎強度基本維持在36~38 MPa， 較20~25 ℃固化的試樣力學性能有明顯提升， 此時試樣的顆粒分布均勻、堆積效果良好，經(jīng)高溫燒結后陶瓷顆粒間形成良好的燒結頸，能保證陶瓷試樣具有較好的力學性能。

雖然隨著溫度的升高，試樣的抗彎強度得到提升，但由于固化時間過短，不利于一體化陶瓷鑄型充型。 因此，將固化溫度控制在30 ℃最合適，此時試樣的室溫抗彎強度達36.19 MPa，成形的100 mm高試樣的密度差僅為0.69%。

1.2 固相含量

陶瓷漿料的固相含量過高時，漿料的流動性變差，影響凝膠注模的充型過程；固相含量過低時，會直接影響到坯體的密度，從而影響陶瓷鑄型的力學性能。同樣以高度100 mm 的試樣作為對象，研究固相含量為45%~65%的陶瓷漿料的各項性能。

圖7 是不同固相含量下的陶瓷漿料黏度分布，對于不同固相含量的陶瓷漿料，經(jīng)過球磨分散后其黏度存在明顯的差異，固相含量越高，陶瓷漿料的黏度越大。 當固相含量達到一定值時，漿料基本喪失了流動性，因此，凝膠注模成形時，需將陶瓷漿料固相含量控制在一定范圍內(nèi)。 對于凝膠注模成形而言，當陶瓷漿料的黏度小于1 Pa·s 時，基本能夠滿足零件的充型要求， 以實現(xiàn)后續(xù)的陶瓷鑄型制備，因此， 固體含量45%~65%的陶瓷漿料均能夠滿足凝膠注模成形。 后續(xù)主要對其組織均一性進行考量， 并結合陶瓷零件的收縮性能和高溫力學性能，確定面向空心渦輪葉片陶瓷鑄型成形的陶瓷漿料理想固相含量。

圖7 不同固相含量陶瓷漿料黏度分布

圖8 是不同固相含量的陶瓷漿料固化時間，可見隨著固相含量的升高，陶瓷試樣的固化時間逐漸減少，這是由于固相含量的升高使顆粒間距離變緊湊，促進凝膠固化反應進行。 當固化時間偏長時，漿料容易發(fā)生偏析和沉淀， 影響陶瓷鑄型的性能；在添加催化劑和引發(fā)劑后，陶瓷鑄型固化時間應維持在15 min 左右較為合適，根據(jù)圖8 的數(shù)據(jù)，當陶瓷漿料固相含量高于60%較為合適，陶瓷漿料固化時間為14.2 min，既能夠保證陶瓷漿料充型，又能夠減少顆粒偏析現(xiàn)象。

為驗證不同固相含量的陶瓷試樣的組織分布均一性， 對試樣經(jīng)過1350 ℃燒結后的密度進行分析，結果如圖9 所示。 陶瓷漿料的固相含量越高，分散的陶瓷顆粒數(shù)量越多，因此對應的陶瓷試樣密度越高。 由圖可見，對于不同固相含量的陶瓷試樣，對應的密度差值在0.51%~20.12%。 當固相含量高于55%時， 試樣的密度差值能夠控制在3.0%以內(nèi)，此時可以初步判斷試樣的組織分布達到均勻狀態(tài)。 與圖8 中固化時間比較可以得出， 固相含量較低時，其固化時間較長， 這明顯地造成了組織均一性差異，因而增大了密度差值。 因此，適用于鑄型成形的陶瓷漿料的固相含量應穩(wěn)定在55%以上。

圖8 不同固相含量陶瓷漿料固化時間

圖9 終燒后陶瓷試樣密度分布

圖10 是在1350 ℃高溫燒結下不同固相含量陶瓷試樣的室溫抗彎強度，可見當陶瓷試樣固相含量的增加后，抗彎強度逐步提高。

圖10 不同固相含量試樣的室溫抗彎強度

圖11 是在1350 ℃高溫燒結下不同固相含量陶瓷試樣的表面微觀形貌圖， 可見經(jīng)過高溫燒結后，試樣表面的孔隙數(shù)量明顯減少，試樣燒結出現(xiàn)致密化，并且五組陶瓷試樣的燒結頸已經(jīng)形成。 隨著固相含量的升高，陶瓷顆粒間的孔隙尺寸也在逐步減小，顆粒堆積更緊密，因此試樣的力學性能更好。 對于低固相的陶瓷試樣，經(jīng)過高溫燒結后孔隙率降低較為明顯；而高固相的陶瓷試樣由于顆粒間的相互填充，陶瓷試樣本身孔隙數(shù)量較少，因此經(jīng)過高溫燒結后，其孔隙率降低幅度較少，但高固相試樣本身致密度較高，能維持較好的機械性能。

圖11 終燒試樣微觀形貌圖

1.3 硅溶膠濃度

本研究采用穩(wěn)定的丙烯酰胺基凝膠體系，配制的預混液中含有一定量的硅溶膠。 硅溶膠的引入能得到活性SiO2，并促進與基體材料Al2O3反應，生成莫來石，提高鑄型的高溫強度。 隨著硅溶膠濃度的增加，陶瓷鑄型的燒結反應越明顯，會導致鑄型的燒結收縮偏大，難以維持鑄型結構的穩(wěn)定性，增大鑄型精度的控制難度。 因此，采用溫度誘導固化方法，結合原位聚合反應，使陶瓷漿料中的單體在較短時間內(nèi)完成交聯(lián)與聚合。 原位聚合反應的關鍵是聚合時間的控制，當聚合時間過長時，會出現(xiàn)顆粒偏析現(xiàn)象，而聚合時間過短時，陶瓷漿料的黏度會增大，無法實現(xiàn)細小結構的充型，同時固化過快會導致一體化鑄型局部熱量集中，易出現(xiàn)固化不均勻而導致應力集中，影響一體化鑄型的整體質(zhì)量。

首先分別配制硅溶膠質(zhì)量分數(shù)為20%、30%、40%的復合凝膠預混液并配制成固相含量為60%陶瓷漿料， 預混液中 Al2O3和SiO2的摩爾比分別為11.7、7.97、5.24，考察硅溶膠濃度對陶瓷漿料流變性能和聚合時間的影響。 當硅溶膠的含量提高后，預混液中SiO2含量迅速上升， 在一體化鑄型體系內(nèi)，更趨近于生成莫來石。 從圖12 所示的硅溶膠質(zhì)量分數(shù)與漿料黏度關系可見，隨著硅溶膠質(zhì)量分數(shù)的提升，漿料的黏度逐漸變大，主要原因是硅溶膠中微粉含量增加時， 納米SiO2顆粒體積分數(shù)增加，造成漿料的流變性能變差。 當硅溶膠質(zhì)量分數(shù)達到40%時， 陶瓷漿料的粘度已經(jīng)超過1 Pa·s 的穩(wěn)定值，因此選用質(zhì)量分數(shù)為20%和30%的硅溶膠配制預混液較為合適。

圖12 硅溶膠濃度與漿料粘度關系

陶瓷鑄型在真空注型機內(nèi)從澆注到固化主要包括以下階段： 攪拌分散催化劑/引發(fā)劑、 充型、固化。 圖13 是不同質(zhì)量分數(shù)硅溶膠的固化時間，可見添加20%硅溶膠的陶瓷漿料固化時間為15.2 min，而添加30%和40%硅溶膠的陶瓷漿料固化時間均低于13 min。 當聚合時間過短，會導致陶瓷漿料的黏度急速增加，漿料固化速度加快，影響結構充型的完整性，本技術方案理想的固化時間為15 min 左右，因此預混液中選擇質(zhì)量分數(shù)20%的硅溶膠較為合適，此時陶瓷漿料黏度和固化時間都能夠保證陶瓷鑄型結構充型完整。

圖13 硅溶膠濃度與固化時間關系

2 試驗驗證

采用上述優(yōu)化工藝參數(shù)， 制備大尺寸陶瓷鑄型，工藝流程包括：① 設計和成形樹脂模具；② 將陶瓷漿料澆注至樹脂模具，凝膠注模成形；③經(jīng)冷凍干燥、預燒脫脂、終燒結等過程，獲得最終大尺寸陶瓷鑄型。 圖14 是大尺寸陶瓷鑄型實例，并做了X射線測試，可見大尺寸陶瓷鑄型結構完整、形態(tài)良好，符合葉片制造的標準，驗證了優(yōu)化之后的工藝參數(shù)的合理性。

圖14 大尺寸陶瓷鑄型實例

3 結論

為研究一體化鑄型凝膠注模過固化過程，探究了固化溫度、固相含量及硅溶膠濃度對陶瓷漿料固化成形的影響，得到以下結論：

（1）將固化溫度控制在30 ℃時，固化時間為14.2 min，此時陶瓷顆粒間形成良好的堆積效果，大顆粒與小顆粒陶瓷顆粒分布均勻，能夠促進反應燒結頸生成，此時陶瓷鑄型的室溫強度可達36 MPa。

（2）當固相含量高于60%時，密度差值被控制在1%以下，此時顆粒偏析現(xiàn)象降低到最小，同時陶瓷顆粒間形成良好的堆積效果，孔隙率的減少伴隨著致密度的提高，從而能夠?qū)⑻沾设T型的室溫強度提升至35 MPa 以上。

（3）在丙烯酰胺基凝膠體系中，當配制的預混液中硅溶膠的質(zhì)量分數(shù)為20%時，陶瓷漿料的黏度為0.31 Pa·s，漿料的流變性能和充型效果最好。 經(jīng)X 射線掃描，大尺寸陶瓷鑄型結構完整、形態(tài)良好，驗證了優(yōu)化工藝參數(shù)的合理性。