单晶叶片用复合矿化剂改性型壳工艺优化及性能研究

发布时间：2020-05-10 07:49

【摘要】：随着航空发动机涡轮前沿温度的不断提高,对叶片的高温性能要求愈来愈苛刻,国际上先进航空发动机广泛采用镍基单晶涡轮叶片,而这类精密叶片成功制备是建立在性能优良的陶瓷型壳基础上。但目前定向凝固用陶瓷型壳高温下常存在软化变形、鼓胀、开裂和散热性差等问题。因此,本文采用复合矿化剂改性技术来改善陶瓷型壳高温力学性能,进而对型壳壁厚减薄来提高散热性,使型壳达到“薄壁高强”的效果,首先设计高岭土、氧化镁和氧化钇三组不同配比方案,从三组不同配比下的复合矿化剂对型壳试样浆料粘度、涂挂厚度、干燥时间和焙烧后强度等工艺参数的影响来确定最佳配比方案;其次在确定复合矿化剂组元最佳配比的基础上,探究复合矿化剂对型壳的湿强度、焙烧强度、高温强度、热膨胀性、高温自重变形和抗热震性等力学性能的影响;最后通过定向凝固实验研究改性“减薄”型壳对叶片界面行为和组织的影响,为单晶叶片用“薄壁高强”陶瓷的制备提供理论和实验依据,并获得主要研究成果如下:复合矿化剂改性型壳工艺优化实验结果表明,复合矿化剂对浆料粘度、涂挂厚度有一定的增加作用及减少型壳干燥时间效果,其中复合矿化剂组元高岭土、氧化镁、氧化钇三者配比为98:1:1和95:2:3较92:3:5的配比对浆料粘度、涂挂厚度和干燥时间改善效果更为稳定;复合矿化剂能够有效地改善型壳焙烧后强度,其中高岭土、氧化镁、氧化钇配比为95:2:3较98:1:1和92:3:5的两组配比对型壳焙烧后强度改善效果更为明显,综合分析得出复合矿化剂组元高岭土、氧化镁、氧化钇的最佳配比为95:2:3,并相应地将面层、过渡层和背层浆料粘度范围分别优化到13~14s、11~12s和9~10s,背层干燥时间范围可以适当缩小到9~10h,型壳焙烧温度为1200℃。复合矿化剂改性型壳力学性能实验结果表明,随着复合矿化剂含量的增加,型壳的湿强度先增加后减小,在添加量为6%的情况下,湿强度达到最大值3.86MPa,提升2.93%,焙烧强度不断增加,当添加量为8%时,焙烧强度达到最大值5.67MPa,提升19.1%;高温强度先增加后减小,当添加量分别为6%时,高温强度达到最大值5.06MPa,提升32.1%;当烧结温度低于1350℃时,线膨胀率不断增加;而当烧结温度处于1350℃~1500℃时,线膨胀率先减小后增大,其中添加量为6%的复合改性型壳在1500℃下的线膨胀率降低至最小值0.64%,高温自重变形率先减小后增大,当添加量为6%时,降低至最小值0.58%,降低28.3%;抗热震性先增大后减小,当含量为6%时,强度损失率降至最小值49.8%。单晶定向凝固实验结果表明,改性型壳面层抗变形能力及面层与过渡层的衔接强度都得到了改善,使得面层剥落现象得到缓解,同时,改性型壳面层较平整光滑、致密程度较高,一定程度上能够阻碍合金液与型壳材料相互扩散和渗透,从而降低界面反应程度,提高叶片表面光洁度;“减薄”而厚度均匀的改性型壳,能有效地改善型壳散热性能,提高叶片单晶成形率,降低叶隼及缘板处杂晶的生成,还使得一次枝晶间距和二次枝晶间距平均值分别降低到271.8μm和83.5μm,从而形成更加细密的枝晶组织。准确地验证了“减薄”后的改性型壳不仅高温力学性能满足实际生产要求,而且能更好地改善单晶叶片成形率和组织性能。
【图文】：

图 1.1 型壳结构示意图（a）整体结构;（b）局部结构Fig.1.1 Schematic diagram of the shell（a）The overall structure.;（b）The local structure、陶瓷型壳制备流程因粘结剂的种类不同，熔模精密铸造主要有硅酸乙酯、硅溶胶两种制壳工艺，后者由便性，环保性及价格优势，在很多领域已经逐渐取代前者，且考虑到定向凝固浇注对高温性能要求较高，目前主要采用硅溶胶制备工艺来制备单晶叶片用陶瓷型壳。硅溶胶是一种优质水基粘结剂，配制的浆料性能稳定，制备工艺简单，干燥过程无需硬化，所制得的硅溶胶型壳具有高温强度好、高温抗变形能力强、抗热震性好，型壳面粗糙度小、光洁度高等特点，已经越来越广泛地被应用于单晶定向凝固叶片的实际[10]。硅溶胶型壳制备工艺一般流程主要包括：蜡模制备、浆料制备、涂挂、干燥、脱焙烧，其流程见图 1.2。

图 1.1 型壳结构示意图（a）整体结构;（b）局部结构Fig.1.1 Schematic diagram of the shell（a）The overall structure.;（b）The local structure型壳制备流程结剂的种类不同，熔模精密铸造主要有硅酸乙酯、硅溶胶两种制壳工艺，，环保性及价格优势，在很多领域已经逐渐取代前者，且考虑到定向凝固性能要求较高，目前主要采用硅溶胶制备工艺来制备单晶叶片用陶瓷型壳胶是一种优质水基粘结剂，配制的浆料性能稳定，制备工艺简单，，干燥过，所制得的硅溶胶型壳具有高温强度好、高温抗变形能力强、抗热震性好糙度小、光洁度高等特点，已经越来越广泛地被应用于单晶定向凝固叶片硅溶胶型壳制备工艺一般流程主要包括：蜡模制备、浆料制备、涂挂、干，其流程见图 1.2。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V263

【参考文献】

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本文编号：2656986