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2009高温合金空心叶片用陶瓷型芯的研究进展.pdf

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新视点NEWVIEWPOINT 高温合金空心叶片用陶瓷型芯 的研究进展* ReviewofCeramicCoreforSuperalloyHollowBlade 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室王飞李飞刘河洲王俊孙宝德 由于陶瓷型芯的性能是决定叶片成品率和成品质量的关 键因素之一，所以，多年以来发达国家对于陶瓷型芯的研究一 直没有停止过，并且将其核心技术视为高度机密不予公开。陶 瓷型芯制造技术一直是空心叶片铸造中的瓶颈，它决定了叶片 的尺寸精度、合格率和铸造成本，因此，不断改进陶瓷型芯材料 和制造技术十分重要。 点的限制，在合金材料上提高叶片的征技术研究。 王飞承温能力目前已经接近极限[1]，仅依铸造空心叶片的关键是先制造 上海交通大学材料科学与工程学 靠提高发动机热端部件材料的热强出能形成叶片复杂内腔的陶瓷型芯。 院博士研究生，主要从事高温叶片成型 用陶瓷型壳和型芯的研究工作。性已不能满足我们的要求。因此，不当前，叶片的冷却结构已由传统的对 断改善叶片的气冷结构、提高冷却效流、回流、撞击孔、气膜冷却等方式发 率已成为涡轮叶片设计与制造者追展到高效发散气冷方式，冷却效率已 [2-3][4] 提高航空燃气涡轮发动机的性求的目标。由300℃左右提高到600℃以上。 能，首先是要提高涡轮的燃气温度，空心气冷叶片是提高发动机涡所以，陶瓷型芯的制造工艺也向形状 它决定了动力装置有效功率的实际轮前温度的重要技术之一。叶片可更复杂、尺寸更小、性能更高的方向 提高，如燃气温度从1200℃提高到采用高温合金近净形熔模精密铸造发展，从而大大地促进了高性能铸造 技术制造，该类技术包括近净形铸造高温合金在燃气涡轮叶片中的使用， 1350℃，油耗率可降低8%。采用铸 造高温合金制成形状复杂的空心叶工艺设计、熔模材料与精密成形技出现了极为复杂的涡轮叶片。叶片 片可提高涡轮前温度，但由于金属熔术、高温陶瓷材料与精密成形技术、的制造从最初的等轴多晶叶片发展 高温合金浇注成形与凝固结晶控制到具有复杂气冷通道的定向凝固柱 技术、铸件后处理与专用工装研究，晶叶片和单晶叶片。由于陶瓷型芯 *上海市科委2008重大基础研究项目 （08dj1400403）。以及工艺过程中质量控制方法和表的性能是决定叶片成品率和成品质 60航空制造技术·2009年第19期 NEWVIEWPOINT新视点 量的关键因素之一，所以，多年以来化的黏性流动，减 基体材料准备 发达国家对于陶瓷型芯的研究一直少陶瓷型芯的高温 没有停止过，并且将其核心技术视为挠度值[8]，显著提 高度机密不予公开。陶瓷型芯制造高型芯的高温抗变增塑剂配制陶瓷浆料矿化剂 技术一直是空心叶片铸造中的瓶颈，形能力。同时析晶 它决定了叶片的尺寸精度、合格率和的体积膨胀还可以型芯模具准备型芯压制 铸造成本，因此，不断改进陶瓷型芯抵消一部分因烧结 材料和制造技术十分重要。而引起的收缩。随型芯坯体修整 着对焙烧和浇注过 陶瓷型芯材料的选择程中方英石析出量 造型填料准备造型 空心气冷叶片熔模铸造生产中控制能力的不断加 采用的陶瓷型芯在使用过程中要经强，正确利用析晶 受熔融金属液的长时间浸泡，因此，的影响，已使石英焙烧 在这样苛刻的工作条件下，陶瓷型芯玻璃基型芯的高温 材料须满足以下要求：熔点或高温性能有了较大的提强化剂准备强化 软化点要高（1600℃以上）；具有较高。研究表明，型 好的化学稳定性，浇注时不与合金中芯中方石英含量控检验待用 的活泼元素发生反应；热稳定性和制在15%左右时， 抗热震性能好，线膨胀系数较小；型型芯具有良好的综图1热压注法制备陶瓷型芯工艺流程 芯易从铸件中清除[1,5-7]。要满足以合性能[9-10]。但当 上性能要求，必须采用合适的陶瓷型温度超过1550℃时，硅基型芯的抗蠕在20世纪80年代后期就被前苏联 芯基体材料、矿化剂和科学合理的制变性和化学稳定性难以满足复杂结和西方国家成功地用于定向单晶叶 作工艺。构空心叶片铸造的要求，并易与高片的生产。与石英玻璃基陶瓷型芯 1基体材料温合金中的某些元素（如C、Mg、Y、相比，电熔刚玉陶瓷型芯的化学稳定 目前，国内外常用的陶瓷型芯基Ti、Al、Hf等）发生化学反应，形成性和抗蠕变性更好，可以保证复杂内 体材料主要有石英玻璃、电熔刚玉、金属氧化物或产生气体，使铸件产生腔结构中定向单晶空心叶片的尺寸 锆英石、氧化镁、碳化硅等。其中普氧化物夹杂和气泡缺陷。而且因其精度和合格率，并降低叶片的制造成 遍用于浇注高温合金空心叶片的陶热稳定性差而易出现软化变形，造成本。 瓷型芯基体材料主要有石英玻璃和铸件厚薄不均、型芯偏移、孔腔弯曲高温合金空心叶片用陶瓷型芯 电熔刚玉。或露芯等缺陷。随着叶片材料抗氧基体材料的化学和粒度组成须符合 （1）石英玻璃。化腐蚀