碳纖維和尼龍纖維對TiAl合金型殼退讓性的影響*

任玉艷， 張雙琪， 包春玲， 張志勇

(1. 沈陽工業大學 材料科學與工程學院， 沈陽 110870； 2. 沈陽鑄造研究所 鈦合金事業部， 沈陽 110022)

因具有與Ti合金相似的良好高溫性能、高比強度、低密度等特點，TiAl合金日益受到人們的重視，在航空航天、汽車工業等領域有著廣闊的應用前景[1].國內外多家公司先后采用TiAl基合金制作了一些如活塞蓋等與發動機相關的零部件[2].目前國內對TiAl合金的研究主要集中在排氣閥與渦輪葉片鑄造缺陷等方面[3].鑄造是TiAl合金零件的主要成形技術，鑄造方法主要有熔模鑄造[4]、金屬型鑄造[5]、離心鑄造[6-7]三種，但因為熔模鑄造方法可以得到尺寸精確、無余量或近無余量的精密復雜鑄件，大幅降低成本，所以通常采用熔模鑄造方法生產TiAl合金鑄件.在Ti中加入Al會使其線性收縮增加，當Al的質量分數達到20%時，其凝固收縮能夠達到1.6%[8].鑄件澆注后會受到型殼的作用力，如果型殼強度很大，使得鑄件所受型殼阻力大于其所能承受的應力極限，那么鑄件就會產生裂紋.但如果型殼強度過低，在鑄件凝固過程中很容易使型殼破裂，且運輸十分不方便.因此，需要通過改變型殼成分和結構，使其達到既有一定強度又不會過于阻礙合金收縮的程度，即擁有良好的退讓性.目前對退讓性的評價方法很不統一，部分研究人員通過采用向型殼中加入高聚物、改變粘結劑等方法來改變型殼強度，從而獲得更好的退讓性[9-11].部分學者研究了陶瓷和尼龍纖維的長度、配比、含量對精鑄型殼性能的影響[12-16].本文通過向氧化鋯陶瓷型殼中加入不同含量和尺寸的碳纖維和尼龍纖維，得到不同添加物及其含量對不同狀態下型殼強度的影響，以期為TiAl合金陶瓷型殼退讓性的改進提供一些數據參考.

1 材料與方法

1.1 型殼制備

利用模具制作出如圖1所示的蠟模.制備好蠟模后進行涂料的配制與涂掛，其中面層層數為2層，背層層數為4層，各層涂料成分和配比如表1、2所示.氧化鋯中加入氧化釔穩定劑.在背層涂料制作過程中分別制備未加入纖維的涂料，加入質量分數分別為2%、5%和10%的碳纖維涂料，以及質量分數分別為5%和10%的尼龍纖維涂料.對上述涂料分別涂掛后進行侵漿、干燥，得到如圖2所示的侵漿后試樣.將試樣脫蠟后得到如圖3所示的未焙燒過的陶瓷型殼試塊.將每組試樣按照圖4所示的工藝進行焙燒，焙燒溫度為1 030 ℃，最終得到了如圖5所示的焙燒后陶瓷試塊，其尺寸為30 mm×20 mm×6 mm.

1.2 抗彎強度測試

目前尚無統一的熔模精鑄型殼退讓性測定方法.因為型殼是非均質體系，測量抗拉強度數據時波動很大，故國內外常采用測定抗彎強度的方法來衡量型殼退讓性.目前常用來評價型殼性能的強度包括濕強度、室溫干強度和高溫干強度.濕強度是指制殼干燥后型殼的強度，其數值決定于制殼過程中粘結劑自然干燥和硬化程度等，若濕強度過低，脫蠟過程中型殼就會開裂或變形.室溫干強度是指經過脫蠟、焙燒后制成的型殼在室溫時的強度，室溫強度過高，清理困難，并易因清理使鑄件產生變形或破壞.高溫干強度是指澆注時型殼的強度，型殼高溫強度不足，就會使鑄件在澆注過程中發生變形和破裂，但是型殼高溫強度過高會使鑄件在受拉部位產生裂紋，使得成型難度增加.因此，型殼的高溫干強度常用來表征型殼使用狀態下的退讓性.

圖1 蠟模Fig.1 Wax mold

面層材料粘結劑層數粉液比粘度氧化鋯醋酸鋯21∶2.58～10

表2 背層材料組成Tab.2 Constitute of back material

圖2 侵漿后試樣Fig.2 Sample after slurry invasion

圖3 焙燒前陶瓷試塊Fig.3 Ceramic block before baking

圖4 型殼焙燒工藝Fig.4 Baking process of shell

圖5 焙燒后陶瓷試塊Fig.5 Ceramic sample after baking

采用WDW-20型微控電子萬能試驗機并利用三點彎曲試驗測試了試塊不同狀態下的抗彎強度，具體測試方法如圖6所示.采用圖3所示的經過脫蠟但未經過焙燒的試塊在室溫條件測試濕強度.采用圖4所示的試塊在室溫與1 350 ℃條件下分別進行室溫與高溫干強度測試.

圖6 型殼抗彎強度測試的三點彎曲方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of three point bending test method for bending strength test of shell

試塊抗彎強度計算公式為

δ=3PL/2WD2

(1)

式中：P為試樣所受力；L為兩點跨距；W為試樣寬度；D為試樣斷裂處厚度.本文中L為20 mm，W為20 mm，D為6 mm.

2 結果與分析

2.1 抗彎強度

圖7 型殼試驗力位移曲線Fig.7 Test force-displacement curves of shell

由表3可見，不同碳纖維添加量對試塊強度的影響不同.當背層涂料中加入質量分數為2%的碳纖維時，與原始型殼相比，其濕強度明顯提高，而其室溫和高溫干強度均降低.當碳纖維添加量為5%時，型殼試塊濕強度和室溫干強度分別提高了51.9%和20.7%，高溫干強度降低了8.5%.當碳纖維的含量達到10%時，型殼的三種強度都得到了提高.由表4可見，尼龍纖維對型殼強度的影響規律不同.添加不同含量的尼龍纖維后，型殼各狀態強度均比原始型殼有所降低，特別是當尼龍纖維添加量為10%時，型殼室溫和高溫干強度相比原始型殼明顯降低.

圖8 型殼抗彎強度位移曲線Fig.8 Bending strength-displacement curves of shell

w(碳纖維)%濕強度MPa室溫干強度MPa高溫干強度MPa05.9454.631.89027.2954.121.65559.0305.591.7301012.7705.891.955

表4 不同尼龍纖維添加量下陶瓷型殼的最大抗彎強度Tab.4 Maximum bending strength of ceramic shell with different additions of nylon fiber

2.2 微觀結構分析

兩種纖維對陶瓷型殼試塊強度的影響與添加纖維后型殼試塊的微觀結構變化有關.圖9為添加了不同含量碳纖維后陶瓷型殼試塊斷面形貌.由圖9a可見，當碳纖維含量為2%時，在未經過焙燒的情況下可以明顯看到碳纖維的存在，正是這些碳纖維起到了增強作用，使得型殼的濕強度得到提高.由圖9b可見，經焙燒后在型殼試塊中出現了明顯的碳纖維形狀孔隙，這是因為在焙燒過程中由于溫度很高，使得型殼中的碳纖維被燒失，型殼試塊中出現碳纖維燒失后留下的孔隙，這些孔隙的存在降低了型殼試塊的室溫和高溫干強度.由圖9c可見，當碳纖維含量為5%時，既可以看到因碳纖維燒失而形成的孔隙又可以看到并未被完全燒失的碳纖維，即纖維起到的增強作用和孔隙導致的減弱作用同時存在，但由于碳纖維的添加量較多，在脫蠟焙燒過程中碳纖維并未被全部燒失，燒失得到的孔隙對型殼試塊強度的降低作用小于未被燒失碳纖維帶來的增強作用，因此，室溫干強度仍然得到提高，而在高溫條件下碳纖維會發生進一步燒失，因而高溫干強度會降低.由圖9d可見，當碳纖維含量為10%時，雖然經過了焙燒和高溫彎曲過程，型殼試塊中仍然保留了許多未被燒失的碳纖維，由此可見在進行高溫強度測量時這些纖維仍然起到了強化型殼試塊強度的作用，而且這部分未被燒失的碳纖維起到的增強作用大于因燒失對型殼試塊強度產生的降低作用，導致型殼三種強度都得到了提高，因此，當碳纖維含量為10%時，其高溫抗彎強度仍然得到增強.對比圖9b、d可知，當碳纖維含量為2%時，經過焙燒可以得到大量因燒失而形成的孔隙，但當碳纖維含量為10%時，經過焙燒卻依然存在大量殘留碳纖維，兩組焙燒溫度和抗彎強度測量環境相同，得到的碳纖維殘留量卻不同，推測其原因為型殼內透氣性較差，型殼中氧氣含量有限，碳纖維量過多時不能完全燒失，從而導致碳纖維有所殘留.

圖10為不同尼龍纖維含量下型殼斷面形貌.對比圖10a、b可知，與原始型殼試塊相比，當尼龍纖維的質量分數為5%時，可以觀察到少量球狀物體，且尼龍纖維的顆粒形狀十分接近球形.由圖10c可見，在未經焙燒的含10%尼龍纖維型殼試塊中可以觀察到較多球狀尼龍纖維顆粒.圓球狀顆粒的尼龍纖維與粘結劑、耐火材料的結合并不是很牢固，當進行抗彎強度測試時，由于受到外界壓力作用會導致型殼試塊變形，使得本身結合并不是很牢固的尼龍纖維顆粒脫離與耐火材料的結合.由于還未經焙燒，型殼試塊耐火材料和粘結劑未發生反應，因而無法強化型殼試塊強度.當尼龍纖維顆粒在外力作用下發生移動時，很容易破壞型殼試塊結構，從而降低濕強度.由圖10d可見，在焙燒后的含10%尼龍纖維型殼試塊中出現了球狀孔隙，這些孔隙是由圖10c中的球狀尼龍纖維顆粒燒失后形成的.由于尼龍纖維熔點遠低于碳纖維，經過焙燒后很容易燒失而產生孔隙，這些孔隙的存在使得型殼試塊的室溫和高溫干強度降低.

圖9 不同碳纖維含量下型殼斷面形貌Fig.9 Fracture morphologies of ceramic shells with different contents of carbon fiber

圖10 不同尼龍纖維含量下型殼斷面形貌Fig.10 Fracture morphologies of ceramic shells with different contents of nylon fiber

綜上，由于碳纖維和尼龍纖維的微觀形狀與高溫焙燒后燒損率不同，導致其對型殼試塊不同狀態抗彎強度的影響規律不同.考慮到型殼在室溫運輸和裝配等過程中需要保持較高的濕強度和室溫干強度，而在高溫澆注過程中需要具有良好的退讓性，即相對較低的高溫干強度，適量添加碳纖維可以在改善退讓性的同時，提高型殼室溫轉輸和安裝的安全性.本文碳纖維的最佳加入量為5%.

3 TiAl合金工字梁鑄件

按照碳纖維最佳加入量分別制備了含有5%碳纖維和不含纖維的原始工字梁型殼.工字梁尺寸如圖11所示(單位：mm)，工字梁厚度為2 mm.陶瓷型殼的涂掛、焙燒等方法與陶瓷試塊相同，涂掛后的工字梁蠟模如圖12所示.使用真空懸浮熔煉爐進行熔煉.經過澆注、脫殼、清理后獲得的兩種TiAl合金工字梁鑄件如圖13、14所示.TiAl合金具體成分配比如表5所示.

圖11 工字梁的尺寸Fig.11 Dimension of I-beam

圖12 涂掛后工字梁蠟模Fig.12 I-beam wax after slurry invasion

圖13 原始型殼工字梁Fig.13 I-beam of original shell

圖14 碳纖維型殼工字梁Fig.14 I-beam of carbon fiber shell

Tab.5 Actual composition of TiAl alloy(w)%

由圖13、14可見，利用添加了5%碳纖維的陶瓷型殼澆注出的工字梁鑄件表面要明顯好于由原始型殼澆注成的工字梁.在原始型殼的下方橫梁處可以看到少量裂紋，而碳纖維型殼澆注出的工字梁表面則十分平整，且未發現裂紋.加入碳纖維的型殼經焙燒后，型殼內部的碳纖維被燒失，型殼內部的孔洞增加，使其強度下降，并阻礙合金鑄件收縮能力下降，減少了鑄件因收縮受阻而產生裂紋的可能性，從而提高了型殼退讓性.

4 結 論

通過向TiAl合金陶瓷型殼試塊中加入不同含量的碳纖維和尼龍纖維來改變型殼試塊的成分和結構，通過與原始型殼試塊進行對比，分析不同狀態下型殼的抗彎強度，得出了以下結論：

1) 在陶瓷型殼試塊中加入適量碳纖維可以提高型殼試塊濕強度，降低室溫和高溫干強度，但如果添加量過多，則會同時提高型殼試塊的高溫干強度，從而不利于改善型殼受力時的退讓性.

2) 碳纖維對型殼試塊強度的影響為纖維增強和燒損孔隙減弱兩方面共同作用的結果，當碳纖維添加量為5%時，可以使型殼試塊濕強度和室溫干強度分別提高了51.9%和20.7%，高溫干強度降低了8.5%，滿足了提高型殼退讓性的要求.

3) 當尼龍纖維添加量在10%以內時，會對陶瓷型殼試塊的濕強度、室溫和高溫干強度都起到降低作用.

4) 添加適量碳纖維有助于減少鑄件產生裂紋的可能性，并提高鑄件成品率.