正硅酸乙酯對硅基陶瓷型芯強化的常溫性能研究

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對增強液的穩(wěn)定性關(guān)系，在最佳pH時，正硅酸乙酯濃度、陶芯浸漬次數(shù)對陶芯的常溫強度和氣孔率的影響，采用金相顯微鏡對增強前后陶芯斷口形貌進行了分析，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，高溫增強后的型芯晶體堆積更致密，因此抗折強度增大，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;強化

0 ?前 ?言

現(xiàn)代航空發(fā)動機以及工業(yè)燃氣輪機渦輪進口溫度的不斷提高，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度，以抵擋壓蠟模時高速蠟液的沖擊與制造過程中的各種機械損傷及熱損傷，又要具有較高的高溫強度，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不發(fā)生斷裂。

由于氧化硅基陶瓷的熱膨脹系數(shù)小、機械強度高、表面光潔度好，并且易于用堿液腐蝕，所以在國內(nèi)外被廣泛用作型芯材料。本研究在總結(jié)前人經(jīng)驗結(jié)論的基礎(chǔ)上進一步研究高溫強化液的穩(wěn)定性及高溫強化液的濃度、高溫強化次數(shù)對型芯的室溫性能影響，旨在從中找出較合適的強化工藝方法。

1 ?試驗過程

1.1試驗原料及設(shè)備

試驗原料：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、電動抗折試驗機、顯氣孔體密測定儀、NDJ-5S數(shù)字顯示粘度計等。

1.2氧化硅基陶瓷型芯的高溫增強

本實驗所用的陶瓷型芯增強液，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)字顯示粘度計對不同pH陶瓷型芯增強液的粘度進行分析。

（2）采用電動抗折試驗機、顯氣孔體密測定儀對不同濃度型芯增強液的型芯強度和孔隙率分析。

（3）采用電動抗折試驗機、顯氣孔體密測定儀對浸漬不同次數(shù)的型芯強度和孔隙率分析。

（4）采用金相顯微鏡對增強前后的陶瓷型芯進行形貌分析。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 pH對陶芯浸漬液的穩(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時剪切變稀作用最小。通過圖1可以看出，在增強液配好一天內(nèi)測溶液的粘度，隨著pH的增加，在pH為4～6溶液的粘度變化較小，當溶液pH為7時，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)生化學反應生成硅溶膠（-Si-O-Si）x，圖1考察了不同pH溶液的穩(wěn)定性時間，即保持較好的流動性時間，從圖1中可以看出，pH由4～7，溶液的穩(wěn)定時間先增加后減小，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，加速了硅溶膠生成的反應速度，當pH為7時，增強液在30 min內(nèi)迅速凝膠，因此陶芯高溫增強浸漬液的最佳pH為5。

2.2強化液濃度對型芯強度和孔隙率影響（見圖2）

由圖2可知，不增強的陶芯抗折強度為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，因此本試驗的主要目的是在具有一定抗折強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%，整個反應體系中乙醇為正硅酸乙酯水解反應和縮合反應的產(chǎn)物，隨著乙醇含量升高，一方面會抑制反應朝著有利于硅溶膠生成的方向進行，使溶液中硅溶膠的含量降低;另一方面，乙醇對整個反應體系有稀釋作用，使整個體系中硅酸乙脂的濃度降低，水、酯接觸面積減小，碰撞機率降低，反應速度減慢，導致溶液中硅溶膠的生成量降低。所以隨著強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，當正硅酸乙酯摩爾濃度大于16.7%時，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，表面上看是抗折強度變大，且整個高濃度的硅酸乙酯體系水解不充分，易凝膠，造成很大浪費。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度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

2.3浸漬次數(shù)對型芯強度和孔隙率的影響（見圖3）

圖3試驗選擇在強化效果最佳的一組強化液中進行，即采用強化液pH為5，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩爾比是2：6：5，每組3個試樣型芯分別在其中浸泡1～3次，表面自然風干后在90 ℃烘箱中干燥1 h，冷卻后再進行下一次浸泡。由圖3可知，未進行任何強化的剛燒結(jié)好的型芯試樣的抗折強度為9.3 Mpa，孔隙率為31.9%。隨著浸漬增強次數(shù)的增加，型芯抗折強度增大，孔隙率變小。隨著強化次數(shù)增多，型芯的開氣孔率和室溫抗彎強度成反比，這是因為隨強化次數(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，導致型芯的抗折強度增大，而開氣孔率逐漸降低。當浸漬三次與浸漬兩次相比，型芯強度增加的幅度較小，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化次數(shù)為2次，抗折強度由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高溫增強前后型芯斷口形貌分析（見圖4）

圖4為型芯高溫增強前后的斷口形貌金相顯微圖，其中（a）為未增強，（b）為兩次增強。從圖中看出，型芯經(jīng)過2次高溫強化后，強化層組織更加致密、均勻，開氣孔率減小，基體顆粒之間填充的無定形SiO2小顆粒進一步增多，這些SiO2顆粒在1 000 ℃高溫熱變形過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)棣?鱗石英，這進一步解釋了隨著強化次數(shù)增多，型芯的強度不斷增大的原因。

3 ?結(jié) ?論

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

（1）陶芯高溫增強浸漬液的最佳pH為5，溶液具有較好流動性時間為28天。

（2）型芯增強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度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

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

（4）型芯高溫二次增強后的組織更加致密、均勻，開氣孔率進一步減小。

參 考 文 獻

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