单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况.docx

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况【摘要】本文综述了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯在国内外的发展概况较详细地介绍了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的脱芯方法及国内外的部分研究成果据此提出了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯工程化应用研究的发展方向。1、概述单晶涡轮叶片是高性能航空发动机研制的重要关键部件使用性能要求高制造难度大被誉为“现代制造业皇冠上的明珠”。目前单晶叶片朝着单晶合金与高效冷却技术融合的方向发展因此单晶叶片具有薄壁空心、内腔结构复杂等结构特点要求陶瓷型芯应具有更好的高温性能。为适应这种需要比硅基型芯具有更好高温性能的氧化铝陶瓷型芯在近些年得到迅速发展。与氧化硅基陶瓷型芯相比氧化铝基陶瓷型芯化学稳定性、抗蠕变性能好可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶叶片的尺寸精度和合格率并能降低叶片的制造成本因此非常适合于使用温度大于1550℃内腔结构复杂的单晶叶片的浇注。2、单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展氧化铝陶瓷型芯以电熔刚玉作为基体材料添加MgO、SiO2、TiO2及稀土氧化物作为矿化剂。由于电熔刚玉具有石英玻璃无法比拟的热强度和热稳定性而且电熔刚玉在焙烧和使用过程中没有晶型转变结构稳定与电熔刚玉型壳具有相匹配的热膨胀率因此氧化铝陶瓷型芯更适合于铸造单晶和共晶叶片。欧洲某国家自20世纪70年代起就将氧化铝陶瓷型芯应用于生产单晶叶片在氧化铝陶瓷型芯的研究和应用方面走在了世界前列[1]。目前氧化铝陶瓷型芯在该国家获得广泛应用。我国氧化铝陶瓷型芯的研制起步于20世纪90年代后期在此方面的研究均取得一些研究成果。进入21世纪后国内各航空发动机制造公司也相继开展氧化铝陶瓷型芯的研究并取得一定的技术突破。国内某研究院先后研究出型号为AC-1和AC-2的氧化铝基陶瓷型芯。其中AC-1型芯组成为：92%～99%的α-Al2O31%～8%的TC-1矿化剂外加13%～18%的增塑剂。AC-1型芯已经应用于定向和单晶叶片的浇注。国内某研究所制备了Al2O3/SiO2纳米复合陶瓷型芯。研究结果表明：SiO2加入纳米粉后大大改善了材料的流动性对陶瓷型芯的成型非常有利。这样在同等条件下就能减少增塑剂的加入量从而有利于陶瓷型芯综合性能的提高SiO2纳米粉的加入也改善了陶瓷型芯的烧结状态；加入SiO2纳米粉的陶瓷型芯的室温强度大幅度提高。3、氧化铝陶瓷型芯的脱芯技术氧化铝陶瓷型芯脱芯技术主要包括两个方面一方面是型芯本身的脱芯性能反映在其孔隙率的大小及强度的高低其孔隙率越大强度低一些其脱芯性能也就越好；另一方面是脱芯的工艺方法主要是脱芯设备。在脱芯性能研究方面西方某公司取得重大突破。其研制成功的复合型芯即型芯外层具有坚实密集表面而内部却具有蜂窝状多孔结构型芯具有40%～60%的孔隙率70Kg/cm2的机械强度使其获得了良好的退让性及脱芯性能从而能够有效地防止金属在凝固收缩过程中因受型芯阻碍而在铸件内腔产生热裂纹多孔的内部结构能使腐蚀液（KOH或NaOH溶液）较快地溶解型芯从而达到脱出型芯的目的[5]。氧化铝陶瓷型芯脱芯工艺方法有环保和非环保两种。非环保的方法为熔融氟盐法氟离子的挥发对环境及人体都有非常大的危害保的方法为碱溶液脱除法是氧化铝陶瓷型芯工程化应用重点发展的方向。但是由于氧化铝型芯的主要成分是刚玉它在常压加热的条件下几乎不与强碱反应因此很难脱除需要在特殊条件下脱除。由于非环保脱芯受限制环保脱芯困难长久以来一直阻碍着此类型芯的应用。但是目前由于单晶叶片研制与工程化的迫切需求西方等航空发动机技术发达国家都不断加大氧化铝陶瓷型芯脱芯技术的研发力度取得了长足的发展。如欧洲某国家已研制成功氧化铝陶瓷型芯的超高温高压强碱脱芯设备4h～5h可将氧化铝型芯脱除取得很好的脱芯效果并已经取得工程化应用。西方等公司相继开发出高温高压喷射脱除氧化铝陶瓷型芯的专利技术。西方某公司的脱芯技术包括三个方面：一是把高压苛性碱液流引向型芯将其软化或溶解。二是把高压苛性碱液体流定位在型芯的下面将高压流以脉冲的方式向上冲向型芯将型芯软化或溶解。三是可以用此高压流修整光亮铸件将铸件型腔或表面的残渣清理掉。西方另一公司的脱芯技术为将叶片固定在喷射脱芯设备内用高温高压苛性碱溶液对着型芯喷射。苛性碱溶为45%的KOH温度为100～150℃压力为400psi（约27个大气压）。我国在氧化铝陶瓷型芯脱芯性能研究方面处于一个相对较低的水平某研究院研制的AC-2型氧化铝陶瓷型芯37%的孔隙率与西方某公司研制的多孔氧化铝陶瓷型芯50%左右的孔隙率相比具有较大差距因此其脱芯比较困难。我们国家在脱芯设备方面也做了一些研究工作并取得一定进展。某研究院研制的高温高压脱芯设备其采用40%浓度