基于多種莫來石纖維的硅基陶瓷型芯增強機制及性能研究

牛書鑫，劉智鵬，周婷婷，司 遠，李 鑫，駱宇時，王東升，郭新龍，石振梅，焦 琦，張騰飛，許西慶

（1.中國航發(fā)北京航空材料研究院先進高溫結構材料重點實驗室，北京 100095；2.大連理工大學，大連 124000；3.長安大學，西安 710064）

航空發(fā)動機被稱為飛機的“心臟”，代表著一個國家的航空水平和軍事實力[1–2]。由于國內航空發(fā)動機起步較晚加之世界各國的技術封鎖，航空發(fā)動機研制是我國的一項卡脖子工程，自主研制高性能航空發(fā)動機迫在眉睫。衡量航空發(fā)動機的重要指標之一是推重比，航空發(fā)動機的高推重比通過提高渦輪燃氣溫度實現[3]，葉片的耐高溫性能成為高推重比的關鍵。目前，最先進的航空發(fā)動機渦輪溫度已經接近各種合金的熔點[4]，為進一步提高渦輪燃氣溫度，各國科研機構著力關注提高發(fā)動機葉片的散熱能力，通過設計復雜內腔結構的發(fā)動機葉片來代替原來的實心葉片，熱量可以在冷空氣穿過空心葉片時被帶走，從而提高散熱效率[5–6]。

在空心葉片的發(fā)展歷程中，其內腔結構越來越復雜，傳統(tǒng)的電化學腐蝕和機械加工等方法很難滿足具有復雜內腔結構的空心葉片的成型，熔模鑄造成為獲得精確內腔結構的理想方法。陶瓷型芯[7–9]在渦輪葉片的熔模鑄造中提供精確復雜的內腔結構，在后續(xù)工序中，面臨著高溫、應力、熔融金屬侵蝕等多種極端條件。因此，陶瓷型芯應具有優(yōu)越的熱化學穩(wěn)定性、耐高溫性、熱膨脹系數、強度和抗蠕變性能。

熔融石英是制造陶瓷型芯的常用材料，具有低熱膨脹系數、優(yōu)良抗熱震性、冶金化學穩(wěn)定性，且可以在強堿溶液中溶出[9–10]。但熔融石英高溫性能不足，石英玻璃在高溫下轉變?yōu)榉绞⒕啵绞⒃诶鋮s中又發(fā)生α→β相變，相變伴隨體積收縮，使應力集中，產生的裂紋導致型芯強度降低。另一方面，方石英晶相可阻礙石英玻璃的黏性流動，抑制陶瓷型芯的高溫蠕變，使其尺寸穩(wěn)定性提高。因此，通常加入硅酸鋯、納米石英、氧化鋁等礦化劑[11–13]來改善氧化硅基陶瓷型芯的高溫穩(wěn)定性。

纖維補強是改善陶瓷力學性能的常用方法[14–15]，并用于各種陶瓷型芯的改性[16–18]。莫來石具有優(yōu)良的抗熱震性和高溫力學性能[19–20]，可顯著提高硅基陶瓷型芯的力學性能。根據結晶狀況，莫來石纖維可分為多晶莫來石纖維和非晶莫來石纖維，兩種莫來石纖維在氧化硅基陶瓷型芯中的研究還少有報道，相關作用機制仍然有待研究。

本研究分別選用多晶莫來石纖維和非晶莫來石纖維來增強硅基陶瓷型芯的力學性能，研究莫來石纖維結晶狀況對方石英析晶行為的影響，探究不同種類的莫來石纖維改善硅基陶瓷型芯的結構與性能的機理。

1 試驗

本研究制備陶瓷型芯選用的基體原料為熔融石英粉 （SiO2，平均粒徑5 μm），礦化劑為鋯石英粉（ZrSiO4，平均粒徑20 μm），增強相分別為非晶莫來石纖維和多晶莫來石纖維。試驗所用的莫來石纖維SEM圖和XRD圖如圖1所示，兩種纖維表面較為光滑，尺寸均勻，平均直徑接近，約為8 μm，平均長度超過100 μm，XRD譜圖表明兩種纖維的物相組成分別為非晶相和晶體莫來石相（PDF#15–0776）。

圖1 非晶和多晶莫來石纖維的SEM圖和XRD圖Fig.1 SEM image and XRD patterns of the polycrysatl and amorphous mullite fibers

為對比莫來石纖維形態(tài)對陶瓷型芯結構和性能的影響，本試驗選用3種配方，配方F0為95%熔融石英粉和5%鋯石英粉 （質量分數）；配方AF3為92%熔融石英粉、5%鋯石英粉和3%非晶莫來石纖維；配方CF3為92%熔融石英粉、5%鋯石英粉和3%多晶莫來石纖維。將上述粉體料與配置好的增塑劑置于攪拌機中進行混合，然后利用熱壓注機得到型芯坯體，在1190 ℃/6 h的條件下進行燒結，進行強化后得到陶瓷型芯。

利用掃描電子顯微鏡分析試樣的斷口形貌，采用X射線衍射分析陶瓷型芯的物相組成。根據HB 5353.2—2004計算試條在燒結中的收縮率；根據ASTM B962—2015進行三點彎曲測試，測試溫度分別為常溫和1540 ℃；根據HB 5353.4—2004，采用雙懸臂梁法測試型芯試棒在1540 ℃的高溫蠕變。

2 結果與討論

2.1 物相分析

對不同陶瓷型芯進行XRD測試 （圖2），對于未添加莫來石纖維的F0陶瓷型芯，其XRD譜圖中檢測到了硅酸鋯 （PDF#83–1376）和方石英（PDF#27–0605）的特征衍射峰，表明陶瓷型芯中有少量石英玻璃轉化為方石英相。對于含有質量分數3%非晶莫來石纖維的AF3陶瓷型芯，除檢測到硅酸鋯 （PDF#83–1376）和莫來石相 （PDF#15–0776），其方石英的含量有所增大，表明非晶莫來石纖維促進了方石英的析晶。而加入3%多晶莫來石纖維后，CF3陶瓷型芯的方石英衍射峰強度進一步增大，表明多晶莫來石纖維對方石英析晶的促進作用強于非晶莫來石纖維。利用K值法[18]計算得到3種陶瓷型芯的方石英，質量分數分別為2.2%、7.5%和18.3%。

圖2 添加不同莫來石纖維的陶瓷型芯XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of the ceramic cores with different mullite fibers

石英玻璃在高溫下可轉化為晶相，析出方石英晶體。根據Uhlmann均相成核理論[20]，石英玻璃在1300℃的成核醞釀期接近14 h，表明該條件下很難成核。然而大多數石英玻璃的析晶溫度低于1300 ℃，且析晶始于顆粒表面，表明石英玻璃的主要析晶方式是異相成核。陶瓷型芯中加入的莫來石纖維可以作為晶種，有利于其表面的異質成核，在型芯燒結過程中促進石英玻璃轉變?yōu)榉绞ⅲ虼朔绞⒑侩S著莫來石纖維的加入而升高。相比于非晶莫來石纖維，多晶纖維具有規(guī)則的晶格結構和原子排列，在熔融石英的異相成核中能提供更多的晶種，因此多晶纖維對方石英析晶的促進作用強于非晶纖維。

2.2 結構分析

圖3為陶瓷型芯線收縮率與氣孔率隨莫來石纖維種類的變化?？梢钥闯觯S著莫來石纖維的加入，陶瓷型芯的收縮率降低、顯氣孔率提高。未添加莫來石纖維的F0陶瓷型芯燒結收縮率為1.22%，氣孔率為29.7%；添加質量分數3%非晶莫來石纖維的AF3陶瓷型芯，其收縮率降低至0.62%，氣孔率增大為43.4%；對于含多晶莫來石纖維質量分數3%的CF3型芯試樣，其收縮率和氣孔率分別達到了0.35%和48.9%。在型芯燒結中，石英玻璃因黏性流動而結構致密化，添加莫來石纖維后，由于纖維的比表面積低于氧化硅粉體，在燒結中起到增強骨架的作用，顯著抑制燒結致密化，因此降低了型芯的線收縮率，提高了氣孔率。

圖3 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的線收縮率和氣孔率Fig.3 Linear shrinkage and apparent porosity of the ceramic cores with different mullite fibers

相比非晶莫來石纖維，多晶莫來石纖維對型芯燒結收縮的抑制作用更加顯著，其原因來源于兩個方面：（1）多晶莫來石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來石纖維試樣中的方石英，方石英在燒結中起到提高黏度、阻礙燒結致密化的作用，因此多晶莫來石纖維對陶瓷型芯收縮率的降低效果更加顯著； （2）相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維為熱力學亞穩(wěn)態(tài)，具有更多的結構缺陷，在燒結過程中能促進纖維與熔融石英粉間的擴散傳質，在一定程度上促進型芯的收縮，因此減弱了非晶莫來石纖維對陶瓷型芯收縮率的抑制效果。

圖4為不同纖維含量陶瓷型芯的斷面SEM圖。當陶瓷型芯中未添加纖維時，顯微結構較為致密，氣孔較少 （圖4（a））；當加入非晶纖維時，結構變得疏松并產生孔洞 （圖4（b）），這是由于纖維阻礙了陶瓷型芯的燒結致密化，提高了氣孔率。SEM圖中呈現出明顯的纖維拔出效應，有利于改善陶瓷型芯的力學性能。相比于非晶纖維，多晶纖維試樣結構變得更為疏松 （圖4（c）），且纖維和顆粒之間存在大量孔洞，纖維與顆粒之間結合較弱，這是由于非晶莫來石纖維處于熱力學亞穩(wěn)定狀態(tài)，具有更高的結構缺陷，能夠在燒結過程中促進纖維與熔融石英粉之間的擴散傳質，因此多晶纖維與熔融石英粉間的結合明顯減弱，并呈現出較多的氣孔，這與48.9%的高氣孔率相一致。

圖4 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的SEM圖Fig.4 SEM images of the sintered ceramic cores with different mullite fibers

2.3 性能研究

如圖5所示，隨著非晶莫來石纖維 （質量分數3%）的加入，陶瓷型芯的室溫彎曲強度從18.5 MPa增大至27.7 MPa，高溫強度從15.3 MPa增大至22.4 MPa。結合圖4（b）的SEM圖可知，在型芯破壞過程中會發(fā)生纖維拔出效應，從而提高陶瓷型芯的強度。當多晶莫來石纖維添加量為3%時，陶瓷型芯的室溫、高溫彎曲強度分為24.9 MPa和20.6 MPa，表明多晶莫來石纖維對陶瓷型芯的增韌效果低于非晶纖維。結合圖4（c）SEM圖可知，含多晶纖維的型芯試樣結構較為疏松，且纖維與顆粒之間結合較弱，因此表現出較低的彎曲強度。相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維原子排列具有亞穩(wěn)態(tài)結構，具有更多結構缺陷，在燒結過程中能促進纖維與熔融石英粉間的擴散傳質，因此非晶纖維與熔融石英粉間的結合強于多晶纖維，從而表現出更高的強度。

圖5 添加不同莫來石纖維陶瓷型芯的彎曲強度Fig.5 Bending strengths of ceramic cores with different mullite fibers

不同莫來石纖維對陶瓷型芯高溫蠕變和溶蝕性的影響如圖6所示。不含氧化鋁礦化劑的F0陶瓷型芯在1540 ℃的蠕變?yōu)?.1 mm，加入3%非晶莫來石纖維后，高溫蠕變減小至0.31 mm，一方面由于莫來石纖維作為高溫相抑制了熔融石英的黏性流動，從而降低高溫蠕變性；另一方面，纖維通過微裂紋橋聯和纖維拔出效應提高型芯強度，阻礙試樣的變形。非晶莫來石纖維能顯著提高型芯的高溫穩(wěn)定性，可以很好地滿足精密鑄造對型芯的性能要求。當采取多晶莫來石纖維作為增強相時，型芯的高溫蠕變?yōu)?.42 mm，表明多晶纖維對陶瓷型芯的高溫蠕變性能提升效果低于非晶纖維，這是由于多晶纖維與熔融石英顆粒之間的結合力較弱，且試樣的氣孔率較大，在一定程度上降低了型芯的高溫抗蠕變性能。

圖6 莫來石纖維對陶瓷型芯高溫蠕變和溶蝕性的影響Fig.6 Effect of mullite fibers on the high temperature creep deformation and leaching rate of ceramic cores

由圖6中的溶蝕性變化可知，對于未添加莫來石纖維的F0型芯試樣，其溶蝕率為0.24 g/min，隨著莫來石纖維的加入，陶瓷型芯的溶蝕性均明顯增長，這與氣孔率的變化趨勢類似，氣孔為堿溶液提供了滲透通道，從而提高了試樣的溶蝕性。當纖維質量分數3%時，非晶、多晶莫來石纖維試樣的溶蝕率分別為1.26 g/min和0.78 g/min，盡管多晶纖維試樣CF3的氣孔率高于非晶試樣AF3，但是非晶纖維更加有利于型芯在鑄造后的溶出。其原因在于兩個方面：（1）多晶莫來石纖維試樣中的方石英多于非晶莫來石纖維的試樣，在很大程度上降低了型芯的溶蝕性； （2）相比于多晶莫來石纖維，非晶莫來石纖維處于亞穩(wěn)狀態(tài)，具有更多的結構缺陷，因此更容易在KOH溶液中溶出。

3 結論

以熔融石英粉為基體，分別以多晶、非晶莫來石纖維為增強相制備硅基陶瓷型芯，并探究了不同纖維對型芯結構與性能的作用機制，結論如下。

（1）非晶、多晶莫來石纖維均促進方石英析晶，同時降低陶瓷型芯的燒結收縮率，提高顯氣孔率，顯著改善型芯彎曲強度、抗蠕變性能和溶蝕性。

（2）非晶莫來石纖維在促進方石英析晶、降低收縮率、提高氣孔率方面效果低于多晶纖維，但由于非晶纖維的亞穩(wěn)態(tài)結構具有較多的結構缺陷，纖維與顆粒之間結合緊密，在裂紋擴展和纖維拔出中吸收更多能量，從而提高了型芯強度和抗蠕變性，且亞穩(wěn)態(tài)結構在堿性溶液中具有較高的化學活性，表現出優(yōu)良的溶蝕性。

（3）添加質量分數3%非晶莫來石纖維的硅基陶瓷型芯試樣表現出優(yōu)異的綜合性能，其室溫彎曲強度達27.7 MPa，高溫強度為22.4 MPa，高溫蠕變?yōu)?.31 mm，溶蝕率為1.26 g/min，能夠很好地滿足空心葉片的澆注需求。