重型燃機葉片熔模精密鑄造陶瓷型芯開發

曾洪,何建,伍林,楊照宏,楊功顯

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

0 引言

陶瓷型芯是重型燃氣輪機透平空心葉片精密鑄造過程中的重要轉接件，它的作用是形成葉片內部冷卻通道。陶瓷型芯應滿足以下幾個要求[1-3]：（1）足夠的強度，滿足型芯在蠟模壓制、脫蠟和澆注過程中不發生斷裂；（2）低的熱變形量，保證陶瓷型芯在澆注過程中盡量低的變形，滿足燃氣輪機葉片內腔精度要求；（3）合適的孔隙率，保證澆注完成后型芯容易脫出。目前，發達國家在陶瓷型芯方面已形成了專業化的生產，廣泛應用于精密鑄造中，國際陶瓷型芯市場也一直被這些國外公司壟斷。我國在陶瓷型芯方面的研究剛剛起步，特別是重型燃氣輪機透平葉片用陶瓷型芯，由于尺寸大、形狀復雜、制作技術含量高，需要長期的研究投入。

本文介紹了一種燃機葉片用硅基陶瓷型芯制備方法及性能研究。

1 陶瓷型芯制備

原料：（1）基體材料：熔融石英粉、氧化鋯粉、氧化鋁粉。（2）礦化劑：氧化鋁粉、氧化鎂粉。（3）增塑劑：石蠟、蜂蠟、油酸。

基體材料、礦化劑與增塑劑的比例為（82~70）:（3~10）:（15~20），其中油酸含量為粉料質量的1%~5%。

制備流程見圖1。

圖1 陶瓷型芯制備流程

2 性能檢測及分析

2.1 顯氣孔率、吸水率及體積密度

顯氣孔率參照標準HB 5353.1-2004進行測試。測試過程如下：

將試樣在110 ℃烘干2h，立刻轉移至干燥器中，冷卻半小時，快速稱量試樣重量G1。將試樣放入燒杯中，加入去離子水，加熱至沸騰，繼續加熱2h，直到型芯沒有氣泡逸出。冷卻1h后，稱量型芯完全浸沒到水中的質量G3，記錄水溫，查詢對應水密度d。取出型芯，用完全浸濕的綢布匹擦拭型芯表面殘留水， 測試型芯飽和水后在空氣中的重量G2。計算型芯的顯氣孔率B、吸水率W以及體積密度D。B=(G2-G1)/(G2-G3)×100%W=(G2-G1)/G1×100%D=(G1×d)/(G2-G3)×100%

表1為型芯的顯氣孔率、吸水率和體積密度結果，從表中可以看出，型芯的顯氣孔率為32%~36%，吸水率為21%~24%，體積密度為1.48~1.56g/cm3。

表1 硅基陶瓷型芯試樣顯氣孔率、 吸水率和體積密度

2.2 抗彎強度

抗彎強度檢測參照標準HB5353.3-2004，試樣規格為60mm×10mm×4mm。

表2為型芯在不同燒結溫度下的抗彎強度數據。

表2 焙燒溫度對型芯抗彎強度的影響（高溫強度為1450 ℃測試）

從表2可以看出，隨焙燒溫度的升高，室溫強度和高溫強度都呈上升趨勢。焙燒溫度提高，燒結程度增大，因此室溫強度增大。高溫強度來自于方石英含量的增加，而方石英的形成主要從1200 ℃開始，因此在1200 ℃以前高溫強度增強不明顯。

表3為分別用硅酸乙酯水解液和硅溶膠進行高溫強化對型芯抗彎強度的影響。強化過程為將型芯放入烘箱中除去水分，然后放入到硅酸乙酯強化液或硅溶膠中，直到沒有氣泡為止。取出型芯，室溫干燥24h，然后放入烘箱中110 ℃干燥8 h。

表3 高溫強化對型芯抗彎強度的影響（高溫強度為1 450 ℃測試）

從表3可以看出，高溫強化對型芯低溫強度具有增強作用，且隨強化次數的增加，低溫強度增強明顯，硅酸乙酯強化對低溫強度的影響大于硅溶膠強化。硅酸乙酯效果好于硅溶膠的原因可能是硅酸乙酯是以水解液的形式進入，硅溶膠是以納米顆粒進入，由于孔尺寸限制，硅溶膠顆粒進入少，更多是聚集于型芯表面層。高溫強化對于型芯高溫強度增強明顯，且硅酸乙酯效果明顯優于硅溶膠。兩者的增強原理均為強化劑進入到型芯內部，最終以無定性二氧化硅的形態存在于孔隙中，當溫度升高，迅速轉變為方石英，并作為晶種，加快型芯方石英轉化速率。因為硅酸乙酯水解液強化更為均勻，形成的二氧化硅顆粒更為細小，因此強化效果更好。

表4為經過高溫強化后再經過低溫強化對型芯室溫強度的影響。低溫強化過程為將經過高溫強化的陶瓷型芯放入到環氧樹脂低溫強化劑中浸泡，直到沒有氣泡為止，室溫干燥24h，再在70℃烘箱中干燥8h。

表4 高/低溫強化對型芯室溫強度的影響MPa

從表4可以看出，低溫強化對型芯的室溫強度具有明顯的增強作用。

2.3 熱變形量

熱變形量測定標準參考HB5353.4-2004，試樣規格為120mm×10mm×4mm。

圖2為熱變形試樣放置到試樣臺上的照片（單支點法，懸臂80mm）。

圖2 單支點熱變形試驗

經過10 ℃/min 的升溫速率達到1 450 ℃， 保溫30 min， 圖3 是型芯未經強化而直接進行熱變形試驗過程中的照片， 圖3（a）為920 ℃， 圖3（b）為1 450 ℃， 可見型芯在1450 ℃已經發生嚴重變形。

圖4為經過高溫強化后熱變形試驗中的照片，圖4（a)為900 ℃，圖4（b)為1450 ℃，可見兩者變化很小，經測試，1450 ℃最終變形量約為0.3mm，滿足應用要求。

圖3 未強化型芯熱變形試驗

圖4 型芯強化后熱變形試驗中照片

3 結論

（1）高溫強化對型芯室溫強度具有增強作用，且隨強化次數的增加，室溫強度增強明顯，硅酸乙酯強化對室溫強度的影響大于硅溶膠強化。

（2）環氧樹脂低溫強化劑對型芯的室溫強度具有明顯的增強作用。

（3）高溫強化可以降低陶瓷型芯熱變形量。高溫強化后型芯1450 ℃熱變形量約為0.3mm。

[1]姜不居.實用熔模鑄造技術[M].沈陽:遼寧科學技術出版社,2008

[2]C.Huseby, M.P.Borom.High Temperature Characterization of Silica-Based Cores forSuperalloys[J].Am.Ceram.Soc.Bull.1979, 58(4):448-452

[3]王毅強.硅基陶瓷型芯制備與性能分析[D].西安西北工業大學, 2005