单晶叶片型壳浆料粘度对型壳参数的影响研究

0引言

航空发动机叶片是航空发动机的关键核心部件^[1],体现了一个国家的工业能力,其中,单晶叶片在高温环境下的卓越性能使其成为涡轮空心叶片的理想选择。作为工业产品中的精华,航空发动机代表了当今科技的最高成就,核心技术门槛极高,涉及的理论知识深奥,整体结构复杂。因此,高性能飞机发动机叶片的制造必须采用先进材料、创新结构和精密制造工艺,这对单晶叶片型壳制备所用材料的性能提出了更高的要求。

在定向和单晶叶片精密铸造中,陶瓷型壳的制备是一项至关重要的技术。在叶片的定向凝固过程中,型壳不仅需要在高温和热应力作用下保持形状稳定,还要求内腔具有高度的化学稳定性^[2],以避免在高温条件下与母合金发生化学反应。随着定向、单晶合金和定向凝固技术的发展,对型壳质量的要求日益提高^[3]。

在脱蜡阶段,型壳必须能承受高温水蒸气的蒸煮;在焙烧阶段,型壳必须能长时间承受900℃以上的高温;在浇注阶段,高温型壳还需承受热冲击和金属液体的机械冲击^[4—6]。因此,型壳的性能直接影响到发动机的效率和安全。现有文献中单晶叶片型壳浆料粘度对型壳性能的研究较少,因此本文针对单晶叶片型壳浆料粘度的影响因素及粘度对型壳性能的影响进行深入研究。

1粘度影响因素的研究

精密铸造型壳浆料的核心组成元素包括耐火材料、粘结剂以及附加物,它们共同构成了型壳制备的基础^[7]。在陶瓷型壳的生产流程中,氧化物类耐火材料发挥着核心作用,约占型壳总质量的90%。在航空涡轮叶片铸造中,常用的耐高温材料包括二氧化硅、氧化铝、氧化镁、氧化钙和氧化锆等。对于高性能镍基合金叶片的铸造,选用的耐火砂型材料通常包括白刚玉、再利用煤渣和铝酸钴等。上述三种耐火材料的主要成分均为Al₂0₃,占比均在80%以上,因此其特性有可能成为影响浆料粘度的因素。

1.1AI203粉体粒度分布对粘度的影响

面层材料选用三种不同粒度的Al₂0₃粉,其粒度分布如表1所示,粘结剂均选用30%含量的硅溶胶,矿 化剂均为Al₂0₃—Si0₂—Ca0系矿化剂。

经过实验验证,精密铸造表层覆盖物形成了高粉末与液体比例的悬浮混合物。这种涂层的粘度主要由内部微粒在流动过程中相互碰撞和摩擦引起,这些相互作用导致了系统内部的流动阻力增加。在悬浮混合物中,粒子间隙内的受限液体在流动时相对于颗粒表面呈现出稳态流动,而颗粒间隙外的自由液体则起到润滑作用。因此,自由液体的量对浆料的粘度起着决定性作用。剪切应力与剪切速率的关系如图1所示,展现了涂层在不同剪切条件下的流变行为,这对于理解和控制涂层的应用性能至关重要。

1.2硅溶胶浓度对粘度的影响

Al₂0₃粉在硅溶胶中的分散机理属于静电位阻稳定,其在硅溶胶中的分散与硅溶胶的浓度密切相关,硅溶胶的粘度可以用Mooney方程来描述。

式中:η_rel为相对粘度,即悬浮体相对分散介质的粘度;φ为粒子的体积分数。

从公式(1)得出,硅溶胶的粘度随着浓度的增加而上升。这一现象可以通过硅溶胶分子间相互作用力的增强来解释。然而,当硅溶胶作为分散介质使用时,浆料的粘度变化并不完全符合此规律。根据现有文献[8],在硅溶胶浓度较低时,浆料的粘度实际上会随着硅溶胶浓度的增加而下降,尤其是当浓度在5%至10%之间时,浆料的粘度会降至最低。但是,当硅溶胶浓度继续增加时,过多的硅溶胶分子会导致系统过于粘稠,从而使浆料的粘度呈现上升趋势。

在本次实验中,本文设定了硅溶胶的浓度为20%、25%和30%,同时保持浆料的粉液体积比(即浆料的固相体积)为30%。这样设置的目的在于探究在较高的硅溶胶浓度下,浆料的流变性质如何变化。通过分析图2所展示的涂料剪切速率与剪切应力的关系图,发现在相同剪切速率下,硅溶胶浓度的增加导致剪切应力相应增加。这些观察结果对于理解硅溶胶浓度如何影响涂料的粘度和剪切应力具有重要意义,对于优化涂料的应用性能提供了有价值的参考。

1.3粉液比对粘度的影响

在浆料配置过程中,不同的固相体积对浆料粘度的影响显著,如图3所示。

在相同硅溶胶浓度条件下,观察到随着固相体积的增加,浆料粘度逐渐上升。具体来说,当硅溶胶浓度为30%并且固相体积在10%~40%范围内时,粘度的增长较为缓慢,然而,当固相体积超过40%后,浆料粘度开始迅速上升,固相体积达到50%时,浆料粘度升至985 mPa•s。若固相体积比继续增加至55%,浆料粘度进一步升至1.85Pa•s。对于24%的硅溶胶浓度,当固相体积达到50%时,浆料粘度上升至900mPa•s,固相体积继续增加至55%时,浆料粘度为1.72 pa.s。而在硅溶胶浓度为20%的情况下,当固相体积达到50%时,浆料粘度为842 mPa•s,固相体积增至55%时,浆料粘度为1.56 Pa•s。此后,浆料失去流动性。

2 浆料粘度对单晶叶片型壳性能的影响

2.1 浆料粘度对单晶叶片型壳强度的影响

在铸造脱蜡阶段,陶瓷型壳的室温抗压能力确保了其在制备与脱蜡步骤中的结构稳固性,避免了破损或因受热而造成的形变和开裂。陶瓷型壳的湿态强度主要依赖于硅溶胶粘结剂的脱水和胶凝作用,在硅溶胶吸水过程中,陶瓷型壳内外部湿度差促使硅溶胶内的胶粒从分散态逐步析落并通过氢键互相连接,形成结构框架和毛细管网络,从而失去流动特性^[9],通过进一步增强耐火材料,赋予陶瓷型壳所需的湿态强度。在本文研究中,高温铸造过程中,使用经过预热的陶瓷型壳至关重要,因为这些型壳在高温下的性能直接影响最终产品的质量。实验中,将预热过的陶瓷型壳样品加热至既定温度,并在该温度下维持10 min后进行性能测试,以评估其在高温下的强度表现^[10]。

2.2 浆料粘度对单晶叶片型壳热扩散系数的影响

单晶叶片型壳主要通过热辐射、热传导和热对流这三种方式进行热交换^[11]。在陶瓷型壳的工作过程中,热量传递的效率对成品叶片的成型至关重要。陶瓷型壳的热扩散能力不仅与所用材料的种类密切相关,还受到型壳温度、耐火材料颗粒度以及浆料粘度的影响^[12] 。热扩散系数是衡量陶瓷型壳在相同位置改变温度能力的指标,它反映了型壳热量扩散的效率。在散热过程中,陶瓷型壳首先向外部环境传递热量,其次,脱水后的内部空隙通过热辐射改变型壳本身的热量^[13],最后,空气的热对流作用吸收型壳的热量,这三种机制共同决定了型壳的热传递性能。

3 实验讨论与结果

3.1 实验设备与方法

1)本文选用相同Al203含量的白刚玉粉,主要成分如表2所示,30%浓度的硅溶胶作为粘结剂,并加入一定比例的矿化剂,矿化剂成分如表3所示,用快速分散设备搅拌2 h,转移至连续搅拌机中继续搅拌24 h。浆料具体比例如表4所示。采用雨淋式撒砂机、逐层涂覆的方式进行型壳制备,涂挂层数为7层,撒砂顺序为2层80#白刚玉砂、1层46#白刚玉砂、3层24#白刚玉砂,最后一层只沾浆不撒砂。采用高压蒸汽脱蜡釜进行脱蜡,脱蜡压力为900 kPa(9 bar),脱蜡时间10 min。采用高温箱式电阻炉进行型壳焙烧,焙烧温度为900℃,焙烧时间2 h。型壳制备结束后封存备用,如图4所示。

2)本文设置A、B、C三组作为对照实验,每组12个型壳。A组在型壳制备过程中,对浆料粘度进行控制,使其面层粘度控制在 (411.64±12)mPa•s,过渡层粘度维持在(278.59±8)mPa•s,背层粘度控制在(11.81±0.5)mP•.s,并使用机械手进行沾浆撒砂动作;B组在型壳制备过程中,采用人工手动制壳的方式,即人工完成涂挂撒砂的动作,人工测量和调节浆料粘度,分别将三种浆料粘度控制在40、20、1.5mPa•s的范围内;C组在型壳制备过程中,采用机械手制壳的方式,即机械手完成涂挂撒砂动作,分别将三种浆料粘度控制在40、20、1.5 mPa•S的范围内。

3)比较三组实验型壳在室温和高温下的型壳强度及热扩散系数的情况。

3.2 实验结果与讨论

粉料的自由液分布是决定面层浆料流动性的关键。面层浆料不仅能确保型壳内表面的平整、光滑和致密,而且能够精确地覆盖蜡模表面,完整复现其所有细节。因此,浆料粘度和涂挂性能对于保证质量至关重要。对于形状复杂的模具,涂料的粘度必须适中:过高的粘度会阻碍涂料进入蜡模的细小部位,如阻尼台、窄槽、深孔等,导致漏涂,进而可能使铸件废弃;而过低的粘度则可能导致浆料在蜡模表面的黏附性不足,造成涂挂不均匀,最终可能出现铸件的毛刺和夹杂等缺陷。

图5为型壳焙烧结束后,A、B、C三组制壳陶瓷型壳内表面形貌照片。

从形貌照片中可以观察到,型壳的内表面并非完全致密,其表面散布着不同大小的孔隙,其中一些孔隙的尺寸甚至超过了10μm。放大图像揭示了型壳光滑区域的皲裂状组织形态,这种孔隙状结构的形成主要是因为在确保涂料流动性的前提下,固含量通常不超过85%。在型壳焙烧过程中,面层涂料中的水分、有机物质和矿化剂等会挥发或燃烧,从而留下孔隙。相比B组,A组和C组的孔隙尺寸有所减小,这是由于在沾浆和撒砂过程中,浆料和砂子的涂挂更为均匀,从而减少了物理缺陷的产生。

图6和图7展示了不同面层材料型壳试样的力学性能对比分析。

从图6的室温抗弯强度数据可以观察到,B组和C组的型壳强度基本相同,每组平均为12.5MPa,而A组的型壳强度略高,每组平均为12.96 MPa。这些室温强度数据表明,三种型壳之间的差异并不显著。然而,与A组相比,B组和C组的型壳强度波动较大。A组的型壳强度偏差约为10%,B组约为25%,C组约为18%。B组在常温下的型壳强度波动明显,这可能是因为在型壳制备过程中,人工操作无法精确控制浆料的涂挂量和砂子的附着量,也无法将浆料粘度严格控制在A组要求的范围内。因此,同一批次型壳的涂挂重量和相邻层数的型壳厚度不一致,进而导致了陶瓷型壳强度的波动。

从图7的高温强度数据观察到,在1540℃的条件下,B组型壳的平均强度为1.58 MPa,A组型壳的平均强度增加到2.56 MPa,而C组型壳的平均强度增加到2.15 MPa。然而,与A组相比,B组和C组的型壳强度波动较大。A组型壳的强度偏差约为9%,B组为30%,C组为15%。型壳强度的增加对于防止因高温金属液体造成的型壳破损和漏钢现象至关重要。

随着温度的升高,陶瓷型壳的热扩散系数也随之改变。实验测试结果如图8所示。

图8中,300~1100 K温度范围内的热扩散率测试曲线显示,三种型壳的热扩散系数均呈现先下降后缓慢上升的趋势。随着温度的升高,型壳内部物质相态的变化表明,水分的逐渐流失和空间的扩大导致热阻增加。当温度进一步上升,正硅酸锆等物质含量的增加使型壳结构通过烧结变得更加密实,从而使热扩散率缓慢上升。在更高温度下,型壳的相变化更为频繁,导致内部扩散的相与介质的属性差异增大,增强了热扩散能力。观察图8可见,A组型壳的热扩散性能相对较低,明显低于B组和C组。这可能是因为A组型壳多孔且不够密实,而固态物质的导热能力最强,液体次之,空气导热能力最弱。随着浆料粘度的增加,陶瓷型壳的体积密度提高,其结构紧密性也在增强,这导致原本由导热性较弱的空气填充的小孔被导热性更优的固态材料所替代,形成了更加致密的结构。

4 结论

本研究深入探讨了单晶叶片型壳浆料粘度的关键影响因素以及这些因素如何影响型壳的性能和最终产品的质量。通过系统的实验分析发现,粉液比和硅溶胶浓度是决定浆料粘度的两个主要因素,而 Al203粉体粒度分布的影响相对较小。研究结果表明,通过精确控制浆料粘度,可有效提升型壳的常温和高温强度,同时优化热扩散系数,从而显著提高单晶叶片产品的合格率和一致性。通过对不同粘度控制条件下制备的型壳进行力学性能测试和微观结构分析,本文揭示了粘度对型壳性能演变的影响机制。尽管本研究在单晶叶片型壳浆料粘度控制方面取得了显著进展,但未来的研究工作仍需进一步探索不同类型耐火材料和粘结剂对浆料粘度的影响,以及这些因素如何影响型壳的微观结构和宏观性能。本研究的发现为优化铸造工艺和提高航空发动机性能提供了重要的科学依据,具有重要的实际应用价值。

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2024年第18期第6篇