镍基单晶叶片用短切碳纤维改性型壳的制备与性能研究

发布时间：2017-05-06 20:07

  本文关键词：镍基单晶叶片用短切碳纤维改性型壳的制备与性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：定向凝固技术制备镍基高温合金单晶叶片是航空发动机及工业燃气轮机制造中的关键技术。定向凝固过程中型壳工作条件十分恶劣,型壳的性能直接关系到叶片的质量及成品率。目前广泛使用的镍基高温合金单晶叶片定向凝固型壳,存在着型壳热阻大、强度低、抗变形能力差、生产周期长等诸多问题,难以满足镍基高温合金定向凝固的生产要求。本文研究不同长度、含量的短切碳纤维对刚玉型壳的改性效果,探索了短切碳纤维对制壳浆料运动粘度、型壳层厚、型壳干燥性能的影响规律,获得了改性型壳的制备工艺;制备了短切碳纤维改性型壳试样,研究了短切碳纤维对型壳常温强度、烧结强度、型壳抗变形能力、型壳线量变化等性能的影响;进行普通型壳与改性型壳的定向凝固实验,测试了合金凝固温度梯度,对比研究了单晶铸件的宏观形貌、微观形貌。型壳制备工艺研究表明:通过短切碳纤维预先添加到硅溶胶中搅拌的方法,使碳纤维在浆料中分布均匀;加入短切碳纤维,硅溶胶浆料的运动粘度增大,纤维含量低于7g/L,可保证正常涂挂操作,粘度增大提升了型壳单层涂挂厚度,最高提升101%,这减少了型壳涂挂次数,缩短了型壳生产周期;通过延长1小时型壳干燥时间,保证短切碳纤维改性型壳干燥彻底;通过真空焙烧工艺防止碳纤维烧损;最终成功制备了短切碳纤维改性型壳。型壳强度研究表明:相比未加入碳纤维的型壳试样,加入碳纤维的平直型壳试样常温强度、烧结强度都有明显提高,最高分别达到6.31Mpa、10.73MPa,分别提升了116%、92%;边角型壳试样常温强度、烧结强度最高达到3.32Mpa、10.98Mpa,分别提高了97%、148%。随着纤维加入量、纤维长度的增加型壳强度都呈增大趋势,但并非无限制的,当纤维加入量达到一定程度后,壳型强度提升开始放缓,甚至出现强度降低;纤维长度也有同样趋势,达到一定纤维含量时,纤维长度越大强度越低。型壳抗变形研究表明:随着短切碳纤维含量的增加,型壳试样的中温线收缩率、高温线收缩率都减小,最低分别为0.04%和0.74%;型壳高温线收缩率显著大于型壳中温线收缩率;添加短切碳纤维对型壳抵抗高温变形的能力都有一定的提升,随着碳纤维含量、长度的增加,型壳试样的高温自重变形减小,最小为0.72%。单晶定向凝固实验结果表明:短切碳纤维改性型壳比普通型壳能提供更大的凝固温度梯度,测得最高凝固温度梯度为66℃;相同的凝固工艺参数下短切碳纤维改性型壳能消除因型壳散热较慢导致的杂晶,并改善单晶组织;在3 mm/s的抽拉速率下,短切碳纤维改性型壳制备的单晶一次枝晶间距为296.2μm,二次枝晶间距为65.6μm,相比于普通型壳,短切碳纤维改性型壳制得的单晶铸件一次枝晶、二次枝晶组织更为细小,枝晶间距更加均匀。
【关键词】：定向凝固 陶瓷型壳 短切碳纤维 制备 性能 单晶组织
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG132.3
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-28
• 1.1 选题意义13
• 1.2 定向凝固用型壳的结构与性能13-16
• 1.2.1 定向凝固用型壳概述13-14
• 1.2.2 型壳组成及结构14-15
• 1.2.3 型壳的主要性能与影响因素15-16
• 1.3 型壳制备研究现状16-19
• 1.3.1 制壳材料发展现状16-17
• 1.3.2 制壳工艺发展现状17-19
• 1.4 型壳改性技术研究进展19-27
• 1.4.1 型壳改性技术概述19
• 1.4.2 矿化剂改性技术19-21
• 1.4.3 导热体改性技术21-24
• 1.4.4 纤维改性技术24-26
• 1.4.5 其他添加物改性技术26-27
• 1.5 本课题的主要研究内容27-28
• 第二章 实验材料及实验方法28-36
• 2.1 实验材料28-31
• 2.1.1 实验用制壳材料28-30
• 2.1.2 实验用碳纤维30
• 2.1.3 实验用合金材料30-31
• 2.2 型壳试样制备31-32
• 2.3 型壳性能实验32-35
• 2.3.1 型壳线收缩率测试32-33
• 2.3.2 型壳抗弯强度测试33
• 2.3.3 型壳边角强度测试33-34
• 2.3.4 型壳高温自重变形测试34-35
• 2.4 定向凝固实验35-36
• 第三章 短切碳纤维改性型壳的制备研究36-49
• 3.1 引言36
• 3.2 短切碳纤维对浆料运动粘度的影响36-39
• 3.2.1 浆料运动粘度换算36-37
• 3.2.2 短切碳纤维含量对浆料运动粘度的影响37-38
• 3.2.3 短切碳纤维长度对浆料运动粘度的影响38-39
• 3.3 短切碳纤维对涂挂厚度的影响39-41
• 3.3.1 短切碳纤维对平直型壳涂挂厚度的影响39-40
• 3.3.2 短切碳纤维对尖角型壳涂挂厚度的影响40-41
• 3.4 短切碳纤维对型壳干燥时间的影响41-43
• 3.5 短切碳纤维改性型壳微观形貌43-44
• 3.6 短切碳纤维改性型壳制备工艺优化44-48
• 3.6.1 改进浆料配方44-45
• 3.6.2 碳纤维添加方法45-46
• 3.6.3 型壳挂浆、淋砂工艺46
• 3.6.4 型壳干燥工艺46-47
• 3.6.5 型壳脱蜡工艺47-48
• 3.6.6 型壳焙烧工艺48
• 3.7 本章小结48-49
• 第四章 短切碳纤维改性型壳的强度研究49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 短切纤维对型壳抗弯强度的影响规律49-51
• 4.2.1 型壳抗弯强度测试参数49-50
• 4.2.2 短切碳纤维对常温强度的影响规律50-51
• 4.2.3 短切碳纤维对烧结强度的影响规律51
• 4.3 短切碳纤维对型壳边角强度的影响规律51-54
• 4.3.1 型壳边角强度试验参数51-52
• 4.3.2 短切碳纤维对型壳边角强度的影响52-54
• 4.4 短切碳纤维改性型壳的增强机制54-57
• 4.4.1 型壳试样宏观失效分析54-55
• 4.4.2 型壳断口微观形貌分析55-56
• 4.4.3 型壳试样相分析56-57
• 4.5 本章小结57-59
• 第五章 短切碳纤维改性型壳的抗变形性能研究59-70
• 5.1 引言59-60
• 5.2 短切碳纤维对型壳线量变化的影响60-64
• 5.2.1 型壳线量变化测试参数60
• 5.2.2 型壳中温线量变化60-62
• 5.2.3 型壳高温线量变化62-64
• 5.3 短切碳纤维对型壳高温自重变形的影响64-69
• 5.3.1 高温自重变形的计算64-65
• 5.3.2 碳纤维含量的影响65-68
• 5.3.3 碳纤维长度的影响68-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 短切碳纤维改性型壳制备的单晶铸件组织研究70-78
• 6.1 引言70
• 6.2 短切碳纤维改性型壳浇注铸件的凝固温度梯度70-72
• 6.2.1 温度梯度的测量70-71
• 6.2.2 温度梯度测量结果与分析71-72
• 6.3 短切碳纤维改性型壳制备的单晶铸件宏观组织分析72-74
• 6.3.1 定向凝固实验参数72-73
• 6.3.2 单晶宏观组织73-74
• 6.4 短切碳纤维改性型壳制备的单晶铸件微观组织分析74-77
• 6.4.1 枝晶间距的计算74-75
• 6.4.2 一次枝晶形貌与枝晶间距分析75-76
• 6.4.3 二次枝晶形貌与枝晶间距分析76-77
• 6.5 本章小结77-78
• 结论78-80
• 参考文献80-86
• 致谢86-87
• 攻读硕士期间发表的论文及其他科研成果87

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