單晶葉片型殼漿料粘度對(duì)型殼參數(shù)的影響研究

0引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心部件^[1],體現(xiàn)了一個(gè)國家的工業(yè)能力,其中,單晶葉片在高溫環(huán)境下的卓越性能使其成為渦輪空心葉片的理想選擇。作為工業(yè)產(chǎn)品中的精華,航空發(fā)動(dòng)機(jī)代表了當(dāng)今科技的最高成就,核心技術(shù)門檻極高,涉及的理論知識(shí)深?yuàn)W,整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此,高性能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造必須采用先進(jìn)材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和精密制造工藝,這對(duì)單晶葉片型殼制備所用材料的性能提出了更高的要求。

在定向和單晶葉片精密鑄造中,陶瓷型殼的制備是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。在葉片的定向凝固過程中,型殼不僅需要在高溫和熱應(yīng)力作用下保持形狀穩(wěn)定,還要求內(nèi)腔具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性^[2],以避免在高溫條件下與母合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著定向、單晶合金和定向凝固技術(shù)的發(fā)展,對(duì)型殼質(zhì)量的要求日益提高^[3]。

在脫蠟階段,型殼必須能承受高溫水蒸氣的蒸煮;在焙燒階段,型殼必須能長(zhǎng)時(shí)間承受900℃以上的高溫;在澆注階段,高溫型殼還需承受熱沖擊和金屬液體的機(jī)械沖擊^[4—6]。因此,型殼的性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和安全。現(xiàn)有文獻(xiàn)中單晶葉片型殼漿料粘度對(duì)型殼性能的研究較少,因此本文針對(duì)單晶葉片型殼漿料粘度的影響因素及粘度對(duì)型殼性能的影響進(jìn)行深入研究。

1粘度影響因素的研究

精密鑄造型殼漿料的核心組成元素包括耐火材料、粘結(jié)劑以及附加物,它們共同構(gòu)成了型殼制備的基礎(chǔ)^[7]。在陶瓷型殼的生產(chǎn)流程中,氧化物類耐火材料發(fā)揮著核心作用,約占型殼總質(zhì)量的90%。在航空渦輪葉片鑄造中,常用的耐高溫材料包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣和氧化鋯等。對(duì)于高性能鎳基合金葉片的鑄造,選用的耐火砂型材料通常包括白剛玉、再利用煤渣和鋁酸鈷等。上述三種耐火材料的主要成分均為Al₂0₃,占比均在80%以上,因此其特性有可能成為影響漿料粘度的因素。

1.1AI203粉體粒度分布對(duì)粘度的影響

面層材料選用三種不同粒度的Al₂0₃粉,其粒度分布如表1所示,粘結(jié)劑均選用30%含量的硅溶膠,礦 化劑均為Al₂0₃—Si0₂—Ca0系礦化劑。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,精密鑄造表層覆蓋物形成了高粉末與液體比例的懸浮混合物。這種涂層的粘度主要由內(nèi)部微粒在流動(dòng)過程中相互碰撞和摩擦引起,這些相互作用導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)阻力增加。在懸浮混合物中,粒子間隙內(nèi)的受限液體在流動(dòng)時(shí)相對(duì)于顆粒表面呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流動(dòng),而顆粒間隙外的自由液體則起到潤(rùn)滑作用。因此,自由液體的量對(duì)漿料的粘度起著決定性作用。剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖1所示,展現(xiàn)了涂層在不同剪切條件下的流變行為,這對(duì)于理解和控制涂層的應(yīng)用性能至關(guān)重要。

1.2硅溶膠濃度對(duì)粘度的影響

Al₂0₃粉在硅溶膠中的分散機(jī)理屬于靜電位阻穩(wěn)定,其在硅溶膠中的分散與硅溶膠的濃度密切相關(guān),硅溶膠的粘度可以用Mooney方程來描述。

式中:η_rel為相對(duì)粘度,即懸浮體相對(duì)分散介質(zhì)的粘度;φ為粒子的體積分?jǐn)?shù)。

從公式(1)得出,硅溶膠的粘度隨著濃度的增加而上升。這一現(xiàn)象可以通過硅溶膠分子間相互作用力的增強(qiáng)來解釋。然而,當(dāng)硅溶膠作為分散介質(zhì)使用時(shí),漿料的粘度變化并不完全符合此規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[8],在硅溶膠濃度較低時(shí),漿料的粘度實(shí)際上會(huì)隨著硅溶膠濃度的增加而下降,尤其是當(dāng)濃度在5%至10%之間時(shí),漿料的粘度會(huì)降至最低。但是,當(dāng)硅溶膠濃度繼續(xù)增加時(shí),過多的硅溶膠分子會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過于粘稠,從而使?jié){料的粘度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在本次實(shí)驗(yàn)中,本文設(shè)定了硅溶膠的濃度為20%、25%和30%,同時(shí)保持漿料的粉液體積比(即漿料的固相體積)為30%。這樣設(shè)置的目的在于探究在較高的硅溶膠濃度下,漿料的流變性質(zhì)如何變化。通過分析圖2所展示的涂料剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系圖,發(fā)現(xiàn)在相同剪切速率下,硅溶膠濃度的增加導(dǎo)致剪切應(yīng)力相應(yīng)增加。這些觀察結(jié)果對(duì)于理解硅溶膠濃度如何影響涂料的粘度和剪切應(yīng)力具有重要意義,對(duì)于優(yōu)化涂料的應(yīng)用性能提供了有價(jià)值的參考。

1.3粉液比對(duì)粘度的影響

在漿料配置過程中,不同的固相體積對(duì)漿料粘度的影響顯著,如圖3所示。

在相同硅溶膠濃度條件下,觀察到隨著固相體積的增加,漿料粘度逐漸上升。具體來說,當(dāng)硅溶膠濃度為30%并且固相體積在10%~40%范圍內(nèi)時(shí),粘度的增長(zhǎng)較為緩慢,然而,當(dāng)固相體積超過40%后,漿料粘度開始迅速上升,固相體積達(dá)到50%時(shí),漿料粘度升至985 mPa?s。若固相體積比繼續(xù)增加至55%,漿料粘度進(jìn)一步升至1.85Pa?s。對(duì)于24%的硅溶膠濃度,當(dāng)固相體積達(dá)到50%時(shí),漿料粘度上升至900mPa?s,固相體積繼續(xù)增加至55%時(shí),漿料粘度為1.72 pa.s。而在硅溶膠濃度為20%的情況下,當(dāng)固相體積達(dá)到50%時(shí),漿料粘度為842 mPa?s,固相體積增至55%時(shí),漿料粘度為1.56 Pa?s。此后,漿料失去流動(dòng)性。

2 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼性能的影響

2.1 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼強(qiáng)度的影響

在鑄造脫蠟階段,陶瓷型殼的室溫抗壓能力確保了其在制備與脫蠟步驟中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性,避免了破損或因受熱而造成的形變和開裂。陶瓷型殼的濕態(tài)強(qiáng)度主要依賴于硅溶膠粘結(jié)劑的脫水和膠凝作用,在硅溶膠吸水過程中,陶瓷型殼內(nèi)外部濕度差促使硅溶膠內(nèi)的膠粒從分散態(tài)逐步析落并通過氫鍵互相連接,形成結(jié)構(gòu)框架和毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò),從而失去流動(dòng)特性^[9],通過進(jìn)一步增強(qiáng)耐火材料,賦予陶瓷型殼所需的濕態(tài)強(qiáng)度。在本文研究中,高溫鑄造過程中,使用經(jīng)過預(yù)熱的陶瓷型殼至關(guān)重要,因?yàn)檫@些型殼在高溫下的性能直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中,將預(yù)熱過的陶瓷型殼樣品加熱至既定溫度,并在該溫度下維持10 min后進(jìn)行性能測(cè)試,以評(píng)估其在高溫下的強(qiáng)度表現(xiàn)^[10]。

2.2 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

單晶葉片型殼主要通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流這三種方式進(jìn)行熱交換^[11]。在陶瓷型殼的工作過程中,熱量傳遞的效率對(duì)成品葉片的成型至關(guān)重要。陶瓷型殼的熱擴(kuò)散能力不僅與所用材料的種類密切相關(guān),還受到型殼溫度、耐火材料顆粒度以及漿料粘度的影響^[12] 。熱擴(kuò)散系數(shù)是衡量陶瓷型殼在相同位置改變溫度能力的指標(biāo),它反映了型殼熱量擴(kuò)散的效率。在散熱過程中,陶瓷型殼首先向外部環(huán)境傳遞熱量,其次,脫水后的內(nèi)部空隙通過熱輻射改變型殼本身的熱量^[13],最后,空氣的熱對(duì)流作用吸收型殼的熱量,這三種機(jī)制共同決定了型殼的熱傳遞性能。

3 實(shí)驗(yàn)討論與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1)本文選用相同Al203含量的白剛玉粉,主要成分如表2所示,30%濃度的硅溶膠作為粘結(jié)劑,并加入一定比例的礦化劑,礦化劑成分如表3所示,用快速分散設(shè)備攪拌2 h,轉(zhuǎn)移至連續(xù)攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌24 h。漿料具體比例如表4所示。采用雨淋式撒砂機(jī)、逐層涂覆的方式進(jìn)行型殼制備,涂掛層數(shù)為7層,撒砂順序?yàn)?層80#白剛玉砂、1層46#白剛玉砂、3層24#白剛玉砂,最后一層只沾漿不撒砂。采用高壓蒸汽脫蠟釜進(jìn)行脫蠟,脫蠟壓力為900 kPa(9 bar),脫蠟時(shí)間10 min。采用高溫箱式電阻爐進(jìn)行型殼焙燒,焙燒溫度為900℃,焙燒時(shí)間2 h。型殼制備結(jié)束后封存?zhèn)溆?如圖4所示。

2)本文設(shè)置A、B、C三組作為對(duì)照實(shí)驗(yàn),每組12個(gè)型殼。A組在型殼制備過程中,對(duì)漿料粘度進(jìn)行控制,使其面層粘度控制在 (411.64±12)mPa?s,過渡層粘度維持在(278.59±8)mPa?s,背層粘度控制在(11.81±0.5)mP?.s,并使用機(jī)械手進(jìn)行沾漿撒砂動(dòng)作;B組在型殼制備過程中,采用人工手動(dòng)制殼的方式,即人工完成涂掛撒砂的動(dòng)作,人工測(cè)量和調(diào)節(jié)漿料粘度,分別將三種漿料粘度控制在40、20、1.5mPa?s的范圍內(nèi);C組在型殼制備過程中,采用機(jī)械手制殼的方式,即機(jī)械手完成涂掛撒砂動(dòng)作,分別將三種漿料粘度控制在40、20、1.5 mPa?S的范圍內(nèi)。

3)比較三組實(shí)驗(yàn)型殼在室溫和高溫下的型殼強(qiáng)度及熱擴(kuò)散系數(shù)的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

粉料的自由液分布是決定面層漿料流動(dòng)性的關(guān)鍵。面層漿料不僅能確保型殼內(nèi)表面的平整、光滑和致密,而且能夠精確地覆蓋蠟?zāi)１砻?完整復(fù)現(xiàn)其所有細(xì)節(jié)。因此,漿料粘度和涂掛性能對(duì)于保證質(zhì)量至關(guān)重要。對(duì)于形狀復(fù)雜的模具,涂料的粘度必須適中:過高的粘度會(huì)阻礙涂料進(jìn)入蠟?zāi)５募?xì)小部位,如阻尼臺(tái)、窄槽、深孔等,導(dǎo)致漏涂,進(jìn)而可能使鑄件廢棄;而過低的粘度則可能導(dǎo)致漿料在蠟?zāi)１砻娴酿じ叫圆蛔?造成涂掛不均勻,最終可能出現(xiàn)鑄件的毛刺和夾雜等缺陷。

圖5為型殼焙燒結(jié)束后,A、B、C三組制殼陶瓷型殼內(nèi)表面形貌照片。

從形貌照片中可以觀察到,型殼的內(nèi)表面并非完全致密,其表面散布著不同大小的孔隙,其中一些孔隙的尺寸甚至超過了10μm。放大圖像揭示了型殼光滑區(qū)域的皸裂狀組織形態(tài),這種孔隙狀結(jié)構(gòu)的形成主要是因?yàn)樵诖_保涂料流動(dòng)性的前提下,固含量通常不超過85%。在型殼焙燒過程中,面層涂料中的水分、有機(jī)物質(zhì)和礦化劑等會(huì)揮發(fā)或燃燒,從而留下孔隙。相比B組,A組和C組的孔隙尺寸有所減小,這是由于在沾漿和撒砂過程中,漿料和砂子的涂掛更為均勻,從而減少了物理缺陷的產(chǎn)生。

圖6和圖7展示了不同面層材料型殼試樣的力學(xué)性能對(duì)比分析。

從圖6的室溫抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以觀察到,B組和C組的型殼強(qiáng)度基本相同,每組平均為12.5MPa,而A組的型殼強(qiáng)度略高,每組平均為12.96 MPa。這些室溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明,三種型殼之間的差異并不顯著。然而,與A組相比,B組和C組的型殼強(qiáng)度波動(dòng)較大。A組的型殼強(qiáng)度偏差約為10%,B組約為25%,C組約為18%。B組在常溫下的型殼強(qiáng)度波動(dòng)明顯,這可能是因?yàn)樵谛蜌ぶ苽溥^程中,人工操作無法精確控制漿料的涂掛量和砂子的附著量,也無法將漿料粘度嚴(yán)格控制在A組要求的范圍內(nèi)。因此,同一批次型殼的涂掛重量和相鄰層數(shù)的型殼厚度不一致,進(jìn)而導(dǎo)致了陶瓷型殼強(qiáng)度的波動(dòng)。

從圖7的高溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)觀察到,在1540℃的條件下,B組型殼的平均強(qiáng)度為1.58 MPa,A組型殼的平均強(qiáng)度增加到2.56 MPa,而C組型殼的平均強(qiáng)度增加到2.15 MPa。然而,與A組相比,B組和C組的型殼強(qiáng)度波動(dòng)較大。A組型殼的強(qiáng)度偏差約為9%,B組為30%,C組為15%。型殼強(qiáng)度的增加對(duì)于防止因高溫金屬液體造成的型殼破損和漏鋼現(xiàn)象至關(guān)重要。

隨著溫度的升高,陶瓷型殼的熱擴(kuò)散系數(shù)也隨之改變。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8中,300~1100 K溫度范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散率測(cè)試曲線顯示,三種型殼的熱擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)先下降后緩慢上升的趨勢(shì)。隨著溫度的升高,型殼內(nèi)部物質(zhì)相態(tài)的變化表明,水分的逐漸流失和空間的擴(kuò)大導(dǎo)致熱阻增加。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升,正硅酸鋯等物質(zhì)含量的增加使型殼結(jié)構(gòu)通過燒結(jié)變得更加密實(shí),從而使熱擴(kuò)散率緩慢上升。在更高溫度下,型殼的相變化更為頻繁,導(dǎo)致內(nèi)部擴(kuò)散的相與介質(zhì)的屬性差異增大,增強(qiáng)了熱擴(kuò)散能力。觀察圖8可見,A組型殼的熱擴(kuò)散性能相對(duì)較低,明顯低于B組和C組。這可能是因?yàn)锳組型殼多孔且不夠密實(shí),而固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱能力最強(qiáng),液體次之,空氣導(dǎo)熱能力最弱。隨著漿料粘度的增加,陶瓷型殼的體積密度提高,其結(jié)構(gòu)緊密性也在增強(qiáng),這導(dǎo)致原本由導(dǎo)熱性較弱的空氣填充的小孔被導(dǎo)熱性更優(yōu)的固態(tài)材料所替代,形成了更加致密的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本研究深入探討了單晶葉片型殼漿料粘度的關(guān)鍵影響因素以及這些因素如何影響型殼的性能和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),粉液比和硅溶膠濃度是決定漿料粘度的兩個(gè)主要因素,而 Al203粉體粒度分布的影響相對(duì)較小。研究結(jié)果表明,通過精確控制漿料粘度,可有效提升型殼的常溫和高溫強(qiáng)度,同時(shí)優(yōu)化熱擴(kuò)散系數(shù),從而顯著提高單晶葉片產(chǎn)品的合格率和一致性。通過對(duì)不同粘度控制條件下制備的型殼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析,本文揭示了粘度對(duì)型殼性能演變的影響機(jī)制。盡管本研究在單晶葉片型殼漿料粘度控制方面取得了顯著進(jìn)展,但未來的研究工作仍需進(jìn)一步探索不同類型耐火材料和粘結(jié)劑對(duì)漿料粘度的影響,以及這些因素如何影響型殼的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。本研究的發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鑄造工藝和提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了重要的科學(xué)依據(jù),具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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2024年第18期第6篇