中國粉體網(wǎng)訊  陶瓷型芯最先應(yīng)用于航空工業(yè)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片的鑄造，隨著其制備技術(shù)的不斷提高，陶瓷型芯的應(yīng)用范圍也越來越廣泛，目前，陶瓷型芯廣泛應(yīng)用于高爾夫球頭、船舶用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)空心葉片、大型薄壁鋁合金鑄件、化工用葉輪等產(chǎn)品的精密鑄造。

陶瓷型芯的分類

陶瓷型芯主要由耐火基體材料、礦化劑和添加劑組成，其中廣泛應(yīng)用的耐火基體材料主要為石英、剛玉等，常見的礦化劑為鋯英粉、氧化鎂、氧化釔等，此外還有增塑劑、強(qiáng)化劑、成孔劑等材料，目前國內(nèi)外制造高效氣冷渦輪葉片用陶瓷型芯按照基體材料主要分為氧化硅基陶瓷型芯和氧化鋁基陶瓷型芯。

氧化硅基陶瓷型芯

氧化硅基陶瓷型芯以石英玻璃粉為基體材料，添加莫來石、氧化鋁、鋯英粉等為礦化劑以提高陶瓷型芯的性能。氧化硅陶瓷型芯具有熱膨脹系數(shù)小、耐火性好、較高的室溫和高溫強(qiáng)度、易被堿液腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。

氧化硅基型芯中石英玻璃在燒結(jié)過程有自發(fā)析出方石英的能力，析出的方石英由于具有較高的熔點(diǎn)（1723℃）可以提高陶瓷型芯的耐高溫性和抗蠕變性能，此外方石英在陶瓷型芯焙燒過程中可以抑制石英玻璃熔體流動(dòng)，使型芯收縮率降低，穩(wěn)定尺寸。但石英的體晶型轉(zhuǎn)變也伴隨積變化而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致型芯內(nèi)產(chǎn)生微裂紋使其強(qiáng)度下降，所以保證陶瓷型芯的綜合性能必須嚴(yán)格控制方石英的轉(zhuǎn)變數(shù)量。

氧化硅基陶瓷型芯最大的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)快速脫芯，目前在航空和民用發(fā)動(dòng)機(jī)上被廣泛使用，但氧化硅陶瓷型芯與型殼的熱膨脹系數(shù)相差較大，型芯難以固定在型殼中。

氧化鋁基陶瓷型芯

與硅基陶瓷型芯相比，氧化鋁陶瓷型芯具有更好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、高溫抗蠕變性，使用溫度更高（最高溫度可達(dá)1850℃），且鋁基陶瓷型芯與型殼的熱膨脹幾乎相同，適合制造高級別的渦輪葉片。但由于氧化鋁的熔點(diǎn)極高（2054℃），很難進(jìn)行燒結(jié)，需要添加氧化鎂、氧化硅等物質(zhì)促進(jìn)燒結(jié)。氧化鎂在燒結(jié)過程中與氧化鋁在晶界處反應(yīng)生成鎂鋁尖晶石，降低型芯材料的燒結(jié)溫度，同時(shí)氧化鎂也會(huì)抑制氧化鋁晶粒的生長，晶粒細(xì)化可提高陶瓷型芯的強(qiáng)度且可保留大量氣孔。

氧化鋁基陶瓷型芯的耐火性好，化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性更好，是制備新一代渦輪葉片最有競爭力的型芯材料，但氧化鋁的高化學(xué)穩(wěn)定性也給型芯的脫除帶來不便。

陶瓷型芯的成型

凝膠注模法

為了保證陶瓷型芯的近凈尺寸，以及成型出復(fù)雜形狀的型芯，現(xiàn)在一般選擇用凝膠注模成型。美國橡樹嶺國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于20世紀(jì)90年代初研究發(fā)明了這種陶瓷成型技術(shù)，該技術(shù)將高分子化學(xué)、膠體化學(xué)和傳統(tǒng)的陶瓷工藝巧妙地結(jié)合起來，是一種新型的制備高品質(zhì)復(fù)雜形狀陶瓷件的近凈成型技術(shù)。

凝膠注模成型技術(shù)的原理是通過制備高固相體積分?jǐn)?shù)、低黏度的漿料，利用有機(jī)單體的聚合作用使?jié){料發(fā)生原位凝固，從而使最后成型的型芯坯體具有高強(qiáng)度和高密度。

壓制成型法

干壓成型、等靜壓成型等成型方式均屬于壓制成型，它們都是在一定壓力的作用下使陶瓷粉料受到力的作用而形成陶瓷坯體。其中干壓成型需控制坯料中的含水率在4~8%，操作方便、工藝簡單且生坯強(qiáng)度高，干燥收縮和燒結(jié)收縮都較小，但成型時(shí)壓力的不均勻分布會(huì)導(dǎo)致坯體開裂、分層等缺陷。等靜壓成型分為冷等靜壓和熱等靜壓，冷等靜壓在室溫下使粉料受各個(gè)方向相同的壓力而成型，熱等靜壓是在成型過程的同時(shí)進(jìn)行燒結(jié)的一種成型方法。等靜壓成型要求粉料的粒度小于20μm，粉料含水量為1~3%，這兩種成型方法都只能制備形狀較簡單的陶瓷型芯，且制備的型芯樣品的形狀和尺寸精度都不高。

熱壓注成型

熱壓注成型也叫低壓注射成型，是生產(chǎn)特種陶瓷的較為廣泛的一種生產(chǎn)工藝，其基本原理是利用石蠟在受熱時(shí)發(fā)生熔化及遇冷后凝固的特點(diǎn)，將沒有可塑性的瘠性料和熱的石蠟液混合均勻，并在一定壓力下將流動(dòng)性好的漿料注入到金屬模具中成型，冷卻到蠟漿凝固后，脫模即可得到成型好的坯體。熱壓注成型是一種近凈尺寸的成型方式，目前在制備陶瓷型芯的領(lǐng)域已被廣泛采用。

陶瓷型芯的燒結(jié)

燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間以及填料的選擇是影響陶瓷型芯性能的重要因素。陶瓷型芯的燒結(jié)分為兩個(gè)階段：500℃以內(nèi)的脫臘階段以及500℃以上的燒結(jié)階段，燒結(jié)溫度通過影響陶瓷型芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而影響陶瓷型芯的高溫性能。氧化硅基陶瓷型芯的燒結(jié)通常在1100~1400℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，在出現(xiàn)方石英之前，型芯的燒成強(qiáng)度最大，出現(xiàn)方石英網(wǎng)紋之后，型芯內(nèi)出現(xiàn)裂紋的傾向增大，型芯強(qiáng)度下降。氧化鋁基陶瓷型芯的燒結(jié)溫度在1300℃，甚至超過1500℃。在設(shè)計(jì)燒結(jié)制度時(shí)，要認(rèn)真考慮升溫速率、燒成溫度的高低及保溫時(shí)間的長短，避免降低陶瓷型芯的性能。

參考資料：

許素芳、吳建青.陶瓷型芯的制備方法

梁啟如、吳玉勝等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片鑄造用陶瓷型芯研究進(jìn)展

陳曉燕、肖旅等.高溫合金空心葉片用陶瓷型芯概述

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/初末）

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