B氧化铝基陶瓷型芯研究进展

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高温合金空心叶片用陶瓷型芯的研究进展

高温合金空心叶片用陶瓷型芯的研究进展

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金空,SDt片用陶瓷型芯的研究进展承ReviewofCeramicCoreforSuperalioyHollowBlade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王飞上海交通大学材料科学与工程学院博士研究生.主要从事高温叶片成型用陶瓷型壳和型芯的研究工作。

提高航空燃气涡轮发动机的性能,首先是要提高涡轮的燃气温度,它决定了动力装置有效功率的实际提高,如燃气温度从1200℃提高到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片可提高涡轮前温度,但由于金属熔・上海市科委2008重大基础研究项目(08dj1400403)。

60航牢啊造技术・2009年第19期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承温能力目前已经接近极限…,仅依靠提高发动机热端部件材料的热强性已不能满足我们的要求。

因此,不断改善叶片的气冷结构、提高冷却效率已成为涡轮叶片设计与制造者追求的目标[2-31。

空心气冷叶片是提高发动机涡轮前温度的重要技术之一。

叶片可采用高温合金近净形熔模精密铸造技术制造,该类技术包括近净形铸造工艺设计、熔模材料与精密成形技术、高温陶瓷材料与精密成形技术,高温合金浇注成形与凝固结晶控制技术、铸件后处理与专用工装研究,以及工艺过程中质量控制方法和表征技术研究。

铸造空心叶片的关键是先制造出能形成叶片复杂内腔的陶瓷型芯。

当前,叶片的冷却结构已由传统的对流、回流.撞击扎、气膜冷却等方式发展到高效发散气冷方式,冷却效率已由300℃左右提高到600℃以上川。

氧化铝基纳米复相陶瓷型芯制备与性能研究

氧化铝基纳米复相陶瓷型芯制备与性能研究
图 l 陶瓷型芯断面扫描电镜形貌 (×1 0 ) 000
Fgr 1 Mi ot c r f h a pe A)S ,( i e c su t e o e sm l u r r us t s( 1 B)S , 2 ( )S ,ad ( C 3 n D)S 0(SO i2=0 )s t e t % ie d a nr
保温 3h 的自负荷蠕变量随 S 后 i 含量变化的情况 O
见表 2 随着烧结温度 的升高 , . 试样 的蠕变减小. 在
同样烧结 制度下进行烧结 时, 随着 S i 含量 的增 O 加, 试样的蠕变量减小.
加入 SO i 纳 米 粉 3 时 , 130 ℃ 、 0 、 % 在 0 140
表 1 氧化铝陶瓷型芯成分
T b e I Co o i o f a traso e a c c r s a l mp st n o w ma eil fc r mi o e i r
纳米复合陶芯 中, 粗细搭配的基体的强度最高 ] .
加入 S i 纳米粉后 , O 陶瓷型芯的室温强度大幅度提
相对 密度增加 , 高温蠕变变小.
关键词 : 氧化铝基 ; 陶瓷型 芯; 纳米二氧化硅 ; 性能
中 图 分 类 号 :Q 7 .5 T 14 7 文献标志码 : A
涡轮 叶 片通常 具有 允许 冷空 气通 过 的 内部 冷却
粉 , 而制 备 A i 米复合 陶瓷 型芯 … . 从 1 /SO 纳 0 本研 究在 不 同粒 度 配 比 的氧 化 铝 基 体 中 加 入 SO i
微粉形成莫来石的反应 , 这个反应伴随有体积膨胀 ,
而这种 膨胀 刚好 可 以抵 消 或部分抵 消 高温使 用过 程 中产 生 的收缩 , 使陶芯 具有 良好 的抗蠕 变性 能. 了 为 降低 陶芯烧 结 温 度 , 各 试 样 中引 入 少 量 的 Mg 在 O, 所 以试 样 中会 镁 铝 尖 晶石 ( g l 生 成 , 试 样 M A ) 0 但 中没有 检测 到 Mg O和 SO 反 应产 物 M i4 镁橄 i gSO ( 榄石) 相.

氧化铝陶瓷材料的研究进展

氧化铝陶瓷材料的研究进展

氧化铝陶瓷材料的研究进展自从人类掌握了冶金工艺,就开始了各种金属材料的应用研究,人们不断地发掘着新的金属材料,如今用于各种领域的合金已经非常普遍。

然而,金属材料也有其本身的局限性,如热膨胀系数大、抗氧化性差、重量大等等。

因此,在类似于高温、高压、高强度等严苛环境下的应用中,如冶金、航天、军工等领域,人们就开发了多种氧化铝陶瓷材料作为一种代替金属材料的类型。

氧化铝陶瓷材料是指以氧化铝或其化合物为主体,添加适量的其他原料(如质稳物,碳化物,氮化物等)制成的陶瓷材料。

由于氧化铝陶瓷材料拥有较高的抗氧化性、化学稳定性、热稳定性、机械性能和电性能,因此被广泛应用于陶瓷基复合材料、高温热电工程领域、模具制造、人造腰椎、陶瓷刀具等领域。

高温陶瓷材料是氧化铝陶瓷材料的主要产物之一。

这些材料的热膨胀系数较小,抗高温能力较强,热和电的导热性和绝缘性也很好。

这些理想属性意味着氧化铝陶瓷材料可以被广泛应用于各种极端条件下,如高温轴承、高温热电器件、太阳能电池等。

由于这些应用程序在极端条件下的使用,所以该类陶瓷必须具备极高的品质和可靠性。

氧化铝微细晶晶粒材料也是近年来广泛发展起来的一种氧化铝陶瓷材料。

由于它们具有高度分散的晶粒,所以它们的力学性能、光学性能和电子性能等都比传统氧化铝材料要优越。

在磁盘存储器和微机电系统中,这些材料可以用于制造小型悬臂梁、传感器和电子元器件等微型器件。

在多层陶瓷电容器和激光脉冲反射材料等方面,这些材料也已在市场上拥有了很好的地位。

此外,氧化铝陶瓷材料在模具制造领域也得到了广泛应用。

这些领域的氧化铝陶瓷材料拥有高度精密的密封性能和热稳定性能,而且还具有优异的机械性能和绝缘性能等。

这些特殊性能使得氧化铝陶瓷材料可以用于高精度模具制造领域。

根据相应的研究报告,氧化铝陶瓷材料的模具加工比传统材料更快、更高质量和更节省成本。

除此之外,由于其在模具制造工艺中的高度精密性能,氧化铝陶瓷材料还可以用于切削刀头、陶瓷刀具、化学阀门等高精密领域。

2024年氧化铝陶瓷基片市场分析现状

2024年氧化铝陶瓷基片市场分析现状

2024年氧化铝陶瓷基片市场分析现状引言氧化铝陶瓷基片是一种具有高温稳定性、高成分均匀性和高机械强度的材料,被广泛应用于电子、光电、仪器仪表等领域。

本文将对氧化铝陶瓷基片市场的现状进行分析,探讨其市场规模、应用领域、竞争格局以及发展趋势。

市场规模氧化铝陶瓷基片市场的规模呈现快速增长的趋势。

随着电子、光电、仪器仪表行业的不断发展和创新,对高温稳定性和高机械强度的材料的需求不断增加。

据市场调研机构统计,2019年全球氧化铝陶瓷基片市场规模达到X亿元,预计到2025年将达到XX亿元,年均复合增长率约为XX%。

应用领域氧化铝陶瓷基片在电子行业的应用占据主导地位。

首先,氧化铝陶瓷基片作为电子元器件的基底材料,广泛应用于半导体封装、集成电路制造等领域。

其次,氧化铝陶瓷基片的导热性能优越,被广泛应用于高功率LED封装和散热材料。

此外,氧化铝陶瓷基片还应用于高频电子器件、传感器和微波器件等领域。

竞争格局目前,氧化铝陶瓷基片市场存在一定的竞争格局。

主要的竞争企业包括国内外知名陶瓷企业,如CoorsTek、Kyocera、Morgan Advanced Materials等。

这些企业在产品技术研发、生产规模、品牌知名度等方面具备较强的竞争优势。

此外,市场还存在一些中小型企业,它们通过低价竞争或专注于特定细分市场来获取一定的市场份额。

发展趋势氧化铝陶瓷基片市场的发展趋势主要体现在以下几个方面:1.新兴应用领域的拓展:随着新能源、新材料、人工智能等新兴技术的快速发展,氧化铝陶瓷基片有望在新的应用领域得到广泛应用,如电动汽车、5G 通信等。

2.产品性能的提升:为了满足不同行业对材料性能的需求,企业将不断提升氧化铝陶瓷基片的导热性能、介电性能、机械强度等关键指标,提高产品的竞争力。

3.国内市场的崛起:在国家产业政策和技术研发支持的推动下,国内氧化铝陶瓷基片企业逐渐崛起,并在技术研发、产品品质、价格优势等方面与国际企业一较高下,有望在未来一段时间内取得较高的市场份额。

功能陶瓷材料研究进展概述

功能陶瓷材料研究进展概述

功能陶瓷材料研究进展概述
功能陶瓷材料是一类具有特殊功能和性能的陶瓷材料,广泛应用于航空航天、电子信息、能源与环境、生物医药等领域。

随着科技的发展和工业的进步,功能陶瓷材料研究取得了显著的进展,本文将对功能陶瓷材料的研究进展进行概述。

氧化铝陶瓷是功能陶瓷材料中的一类重要材料。

近年来,研究人员通过改变陶瓷中的组分和控制制备工艺,成功地实现了氧化铝陶瓷的高强度、高硬度和高热导率等功能。

通过添加稀土元素和纳米颗粒等掺杂剂,可以进一步改善氧化铝陶瓷的性能,并赋予其特殊的功能,如荧光、光学和电学等性能。

氮化硅陶瓷也是功能陶瓷材料的一个子类。

氮化硅陶瓷具有优异的力学、热学和电学性能,因此在高温、高压和强腐蚀环境中具有广泛的应用前景。

研究人员通过采用反应烧结、热氮化和半固相法等制备工艺,成功合成了高纯度、致密度和均匀性的氮化硅陶瓷材料。

还通过改变陶瓷的微观结构和晶粒尺寸,进一步提高了氮化硅陶瓷的力学和热学性能。

第四,功能陶瓷材料的研究还涉及到磁性陶瓷、铁电陶瓷和压电陶瓷等材料。

磁性陶瓷具有磁化强度高、磁导率大和磁损耗小等特点,广泛应用于电子器件、传感器和数据存储等领域。

铁电陶瓷和压电陶瓷则具有显著的电学性能,能够实现电磁场的转换和控制,因此在电子器件和传感器等领域有着广泛的应用前景。

氧化铝基陶瓷型芯材料制备及性能研究

氧化铝基陶瓷型芯材料制备及性能研究

氧化铝基陶瓷型芯材料制备及性能研究通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片的散热能力,已成为先进发动机制造的关键,而陶瓷型芯是铸造具有复杂气冷内腔结构叶片的核心部件,因此,具有较强的研究意义和实用价值。

目前,国内外制造高效气冷涡轮叶片所用的陶瓷型芯,按照基体材料主要分为氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝陶瓷型芯。

陶瓷型芯的气孔率对其脱除效率影响较大,气孔率高的型芯容易脱除,因此,保证强度的同时提高气孔率是研制高性能陶瓷型芯的主要方法之一。

本文以电熔刚玉为基体材料,氧化铝纤维棉为添加相,采用凝胶注模成型工艺制备了氧化铝基陶瓷型芯材料,并对相关性能进行了表征。

本文首先研究pH值、分散剂、球磨时间、纤维和固相含量对浆料粘度的影响。

在固相含量为45wt.%、pH=9、球磨24h、分散剂为0.7wt.%、纤维添加量为4wt.%时,制备的浆料粘度最低,约为174mPa·s。

除此之外,研究了常规加热和真空冷冻两种干燥方式对坯体的影响,发现试样经过加热干燥后发生明显的翘曲和凹陷,变形较严重,而经真空冷冻干燥后变形较小,尤其在冷冻机中预冻5h,抽真空干燥24h的实验条件下,试样干燥无任何变形。

同时,对坯体干燥后起皮现象也进行了研究,发现添加1wt.%的聚丙烯酰胺可完全抑制坯体的起皮现象。

其次,对凝胶成型制备的陶瓷性能进行了研究,发现陶瓷试样的强度随着固相含量的增加呈先增大后降低趋势,当固相含量为55wt.%时,陶瓷试样的弯曲强度为58.23MPa。

随着纤维含量的增加,陶瓷试样的体积密度降低、气孔率增大。

随着烧结温度及保温时间的增加,陶瓷试样的体积密度增大,气孔率降低。

当固相含量为55wt.%,纤维添加量为4wt.%,烧结温度为1600℃,保温时间为8h时,陶瓷试样的弯曲强度达到最大值,约为80.25MPa,气孔率约为51.26%,与未添加纤维的陶瓷试样相比,分别提高了37.82%,17.43%。

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况单晶叶片是高压涡轮发动机的核心部件。

它的结构复杂,需要高精度的制造工艺和材料。

氧化铝陶瓷型芯作为单晶叶片制造中不可或缺的一个组成部分,曾经面临很多难题,但现在已经有了较大的进展和发展。

首先,简单介绍一下单晶叶片。

单晶叶片是利用单晶化技术制造出来的高温合金,具有高温强度和高抗蠕变性能。

单晶叶片的外形复杂,用于高温高压工作环境下,必须承受极大的应力和热压力。

单晶叶片制造流程相当复杂,其中涉及到很多关键的工艺过程,如模具制作、熔炼、晶化、加工和涂层等。

其中一环——型芯制造,可以说是单晶叶片制造的“重中之重”。

型芯即是单晶叶片的内部空心结构形状,通常采用铸造或锻造的方法进行制造。

传统的型芯用石膏、砂型等材料制作,存在一些问题:如成本高、生产速度慢、精度难以控制、污染环境等问题。

而氧化铝陶瓷型芯作为单晶叶片的新型型芯,有着更加优良的性能和低成本的优点。

由于氧化铝陶瓷耐高温性、化学稳定性、机械性能、密度小、热膨胀系数小、杂质含量低等特点,使得其可以用于高温高压下单晶叶片的内腔制造,型芯也得到快速推广和应用。

但是,在实践应用中,氧化铝陶瓷型芯仍然存在一些问题。

例如,型芯的完整性、强度和精度等需要进一步提高;氧化铝陶瓷型芯不能离心铸造和氢气取向晶化等关键生产工艺技术和生产设备也比较落后。

为解决上述问题,需要进行系统的技术研发和设备更新。

从材料方面考虑,可以适当地添加氧化锆、氧化钆等合金内容量,同时引进新型热膨胀系数小、抗热冲击性好的低膨胀陶瓷作为型芯材料,以达到更高的强度和较好的耐火性。

从工艺方式上考虑,需要发展新型先进的陶瓷成型工艺,优化氧化铝陶瓷型芯模具的结构和制造工艺,增强其完整性和精度。

此外,需要采用自动控制生产线、数字化化管理系统等新型技术设备,从而提高氧化铝陶瓷型芯的制造效率和精度。

总的来说,单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯已经成为了单晶叶片制造的主流工艺,并逐渐得到了广泛的应用。

高温合金空心叶片用氧化铝基陶瓷型芯脱芯研究现状

高温合金空心叶片用氧化铝基陶瓷型芯脱芯研究现状
李 彪 ,娄延春 ,苏贵桥。 ,于 波 ,刘乃坚。 ,刘孝福
( 1 . 沈阳铸造研 究所 ,辽宁沈 阳 I 1 0 0 2 2 ;2 . 中航工业沈 阳黎明航空发动机 ( 集 团) 有限公 司,辽 宁沈阳 1 1 0 0 4 3 )
摘要 :介绍了氟盐脱芯法和碱溶液腐蚀脱芯法在氧化铝基陶瓷型芯脱芯技术中的应用。阐述了碱溶液腐蚀脱芯法
L I B i a o , L O U Ya n — c h u n , S U G u i - q i a o , Y U Bo , L I U Na i - j i a n 2 , L I U Xi a o - f u
( 1 .S h e n y a n g R e s e a r c h I n s t i t u t e o f F o u n d r y , S h e n y a n g 1 1 0 0 2 2 , L i a o n i n g , C h i n a ; 2 . A VI C S h e n y a n g L i mi n g Ae r o — E n g i n e ( G r o u p ) C o r p o r a t i o n L t d . , S h e n y a n g 1 1 0 0 4 3 , L i a o n i n g , C h i n a )
Re s e a r c h S t a t u s o n Re mo v a l Te c h n o l o g y o f Al u mi n a — Ba s e d Ce r a mi c Co r e s f o r Su p e r al l o y Ho l l o w Bl a d e s
中高压射流脱芯法 、压 力扰动脱芯法 、高温高压脱 芯法 的工 艺特点及研 究现状 ,讨论 了碱溶液脱 芯过程 中铸件 表面 质量的保护方法 。指 出高温 高压 超临界脱芯技术是 氧化铝基陶瓷型芯脱 芯技 术的一大发展趋势 。

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

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-Al2O3,1%~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。

2023年氧化铝陶瓷基片行业市场分析现状

2023年氧化铝陶瓷基片行业市场分析现状

2023年氧化铝陶瓷基片行业市场分析现状氧化铝陶瓷基片是一种高性能陶瓷基片,具有优异的物理和化学性能,广泛用于电子、光电子、半导体等领域。

随着先进技术的发展和应用领域的拓展,氧化铝陶瓷基片的市场也日益扩大。

首先,氧化铝陶瓷基片在电子领域的应用具有重要意义。

由于氧化铝陶瓷基片具有优异的绝缘性能和热传导性能,被广泛应用于印刷电路板(PCB)的制造过程中。

氧化铝陶瓷基片能够提供良好的支撑性能和热传导性能,使得印刷电路板具有更高的可靠性和更好的散热效果。

此外,氧化铝陶瓷基片还可以用作电子器件的基底材料,用于制造集成电路器件、传感器等,进一步提升电子产品的性能和可靠性。

其次,氧化铝陶瓷基片在光电子领域的应用也非常广泛。

由于氧化铝陶瓷基片具有优异的光学性能和热传导性能,被广泛应用于激光器、光纤通信等领域。

氧化铝陶瓷基片具有高熔点和良好的热稳定性,可以承受高温和高功率的激光辐射,保证激光器的工作稳定性和寿命。

此外,氧化铝陶瓷基片还可以用于制造光纤耦合器、光学窗口等光学元件,提高光学系统的效率和性能。

此外,氧化铝陶瓷基片还在半导体领域发挥着重要的作用。

由于氧化铝陶瓷基片具有优异的绝缘性能和热传导性能,被广泛应用于半导体器件的制造过程中。

氧化铝陶瓷基片可以作为半导体器件的绝缘层、隔离层等,提高半导体器件的工作性能和可靠性。

此外,氧化铝陶瓷基片还可以用于制造芯片载体、封装材料等,保护和提升半导体器件的工作稳定性和可靠性。

总之,氧化铝陶瓷基片作为一种高性能陶瓷基片,具有广泛的应用领域和市场前景。

随着先进技术的发展和应用领域的拓展,氧化铝陶瓷基片的市场需求将持续增长。

同时,随着市场竞争的加剧和技术创新的推动,氧化铝陶瓷基片的品质和性能也将不断提升,满足不同领域和行业的需求。

添加Al-Ti-B中间合金来改善氧化铝基陶瓷材料的性能

添加Al-Ti-B中间合金来改善氧化铝基陶瓷材料的性能

添加Al-Ti-B中间合金来改善氧化铝基陶瓷材料的性能摘要:在最近的工作中,提出一种改善的氧化铝基陶瓷材料性能的新的技术,在此技术中,其中的Al,Al3Ti和TiB2是以Al-Ti-B中间合金的形式掺入Al2O3基陶瓷材料中的。

复合材料Al2O3/TiB2/AlN/TiN是通过快速液相烧结技术生产出来的,在这些新相中,例如AlN和TiN是通过发生在Al,Ti和N2(保护气氛)之间的化学反应制备的。

讨论了复合材料Al-Ti-B体积含量与致密化速率之间的函数关系。

检测了复合材料的基本性能,如硬度,断裂韧性和弯曲强度。

分析了Al-Ti-B中间合金的体积含量与氧化铝基复合材料力学性能之间的关系。

研究了断裂机制对力学性能的影响以及Al-Ti-B中间合金的细化性能。

关键词:复合材料;Al2O3;Al-Ti-B中间合金;细化性能1 前言氧化铝有一些特殊性能,如高硬度,良好的化学惰性,高耐磨性和低成本,正吸引高级工程应用相当大的兴趣,如耐火材料,研磨,切削工具,和高温轴承。

然而,单片Al2O3脆性限制了它在工程中的应用。

如何提高单片氧化铝的抗弯强度和断裂韧性,已经是很多年的一个重要课题[1-8]。

研究人员试图通过添加金属间化合物例如,Fe3Al[9],Fe-Al[10],AlTiC[11]到氧化铝基中,来提高单片氧化铝的机械性能,并且获得了许多有意义的结果。

Al-Ti-B中间合金低价格允许其广泛应用于铝及其合金[12,13]的细化技术中。

然而,很少有文章报道Al-Ti-B中间合金细化氧化铝基陶瓷材料中的应用。

蔡[14]等人认为这是在Al和N2的烧结反应过程中生成,可以明显改善Al2O3力学性能TiC复合材料。

作为添加物,TiN[15,16]和TiB2[17,18]也在强化氧化铝基复合材料中扮演重要角色。

Al-Ti-B中间合金由Al,Al3Ti和TiB2几相[19]组成,以不同的体积含量加入到氧化铝基陶瓷材料中,N2作为过程中热压烧结保护气氛。

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高压涡轮叶片是发动机的重要部件,为不断提高涡轮前燃气温度,世界各国从实心叶片发展到空心叶片,从多晶叶片到现在的单晶叶片,其目的就在于不断改善发动机的综合性能[1]。

为了提高叶片的承温能力,高温合金已有了很大的发展,但随着燃气温度的不断提高,这些合金材料的承温状况都已接近了极限。

因此不断改善叶片冷却结构,提高叶片冷却效率就成为目前涡轮叶片设计与制造者所追求的目标。

最近几年来,美国GE公司、Allision公司、PW公司发明了一种高效冷却技术,俄罗斯也在研制一种能在2000K温度下工作的高效气冷叶片,它的冷却结构与以往的有较大的不同,冷却效果从300℃提高到600℃以上,叶片叶身从单层壁变为叶身双层壁,且叶身布满了与内腔相通的直径约0.5mm左右的小孔,叶片承的综合性能(方石英含量最好8%~16%之间[3]),型芯使用温度为1520℃~1560℃,在1500℃~1550℃的浇注条件下,成品率较高,而且易于用碱液腐蚀掉;但当使用温度大于26航空制造技术2005年第7期温能力显著提高。

高效气冷叶片的关键技术在于陶瓷型芯的制造,右图是典型的陶瓷型芯。

高效气冷叶片用陶瓷型芯分为氧化硅基和氧化铝基两种。

英美等国早在80年代就研发出氧化硅基陶瓷型芯,该陶瓷型芯以石英玻璃粉作为基体材料,附加ZrSiO4、ZrSiO4+Y2O3、ZrSiO4+Gd2O3作为强化相[2],依靠控制方石英量来保证和提高型芯氧化铝基陶瓷型芯研究进展西北工业大学超高温复合材料国防科技重点实验室刘小瀛 王宝生 张立同随着航空发动机涡轮前燃气温度的不断提高,现有高温合金材料的承温状况都已接近极限,因此,改善叶片冷却结构、提高叶片冷却效率已成为涡轮叶片设计与制造者当前追求的目标,而其关键技术则在于陶瓷型芯的制造型芯研究现状1550℃,用于单晶浇注时,叶片的合格率会受到影响,尤其是合金中含Al、Hf和C时,在1550℃以上硅基型芯会与之发生化学反应,因此石英玻璃基型芯只适合生产柱晶和单晶叶片,不能用于更高温度的定向凝固合金。

与氧化硅基陶瓷型芯相比,氧化铝陶瓷型芯冶金化学稳定性、抗蠕变性能好,可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶空心叶片的尺寸精度和合格率,并能降低叶片的制造成本,因此很适合高级单晶和共晶浇铸条件使用,即使用温度>1550℃,最高可达1850℃。

前苏联早已在1500℃生产柱晶空心叶片时使用氧化铝基型芯,英、美在20世纪70年代已经有氧化铝型芯,但多用于共晶合金浇注条件,即1850℃的温度下保持16h甚至更长时间的高性能型芯。

英、美用于单晶共晶叶片型芯焙烧温度均大于现有柱晶甚至单晶生成温度,大多数型芯焙烧还需气氛保护,这种型芯虽然性能颇高,但由于制备工艺及相应设备复杂,一直未被广泛应用于单晶叶片生产。

含氧化钇的氧化铝基陶瓷型芯是美国专利United States Patent4837187中介绍的一种陶瓷型芯。

此项专利技术公开的内容如下:(1) 型芯材料氧化铝(刚玉)是基体材料,其中Al2O3的质量分数大于99.5%。

由粗、细两种粉组成,分别为Norton公司出产的Norton-320号筛和Norton-38~900号筛氧化铝(刚玉),两者的粒度分布见表1、表2,或再加入其他细粉,最好平均颗粒尺寸为0.75~3μm的氧化铝至少有1%。

粗粒的颗粒尺寸足够大,在型芯烧结过程中仍保持有未反应的部分。

氧化钇为矿化剂,Y2O3的质量分数为99.99%,平均粒径约5μm。

增塑剂及表面活性剂组成见表3。

除烷烃基石蜡外,加有强化陶芯湿强度的Strahl&Pitsch 462-CTM石蜡,抗偏析剂DupontElvax 310TM和分散剂油酸。

为抑制晶粒生长,需加入晶粒生长抑制剂氧化镁,MgO质量分数为99.5%,其平均颗粒尺寸为0.75μm,例如Harwich标准化学公司出产的MLW325号筛氧化镁。

为使陶瓷型芯易溃散,尚需要加入易溃散粉,它对型芯的孔隙率是重要的,可选择碳基材料,如活性石墨粉,Union Carbide 200号筛GP-195。

(2) 制芯工艺。

陶瓷型芯制芯工艺包括制备料浆、成型、装钵和填充填料、焙烧等多个工序。

陶瓷浆料(按质量分数):粉料占80%~86%、增塑剂占14%~20%。

粉料中按质量分数来计算,A12O3为66%~95%,Y2O3为1%~20%,MgO为l%~5%,其余为碳质易溃散剂。

粉料(质量分数)最佳配比为:85%A12O3,7%Y2O3,2%MgO,1%碳易溃散剂。

制备浆料时将陶瓷粉料和增塑剂混合均匀,并加热到80~125℃范围内待用。

成型工序是将混好的热浆料压射到型芯压型中,压力达到1.38~10.34MPa。

压型是否加热取决于型芯的复杂程度。

型芯固化后就可将其从压型中取出。

将压好的型芯取出后放在型芯托上,型芯托通常分为上、下两半。

型芯先置于下托上,上面用石墨粉盖上进行预焙烧,焙烧期间石墨粉靠毛细作用将型芯中的增塑剂吸出。

预焙烧的时间和温度取决于型芯的截面厚度,温度为232~288℃,时间可持续68h。

预焙烧后把型芯上部的石墨粉刷干净,将上托放在下托上,使型芯密封在托中。

升温进行型芯的烧结,升温速度为60~120℃/h,烧结温度为1600~1700℃,烧结时间48h。

(3) 在烧结期间,型芯组织中较细的A12O3颗粒与Y2O3及MgO会发生化学反应,生成3Y2O3・5A12O3。

MgO起限制A12O3晶粒,特别是粗A12O3晶粒长大的作用。

某些细A12O3与MgO反应生成MgAl2O4。

这种陶瓷型芯的微观结构特点是存在未反应的A12O3颗粒,它的表面成分为3Y2O3・5A12O3多晶,还含有MgAl2O4。

在烧结期间,碳质易溃散剂也从型芯中燃烧除净,结果在型芯中形成网状孔隙。

因此,这种型芯的孔隙率高于一般硅质陶瓷型芯,一般硅质陶瓷型芯的孔隙是由增塑剂去除产生的,并未加碳质易溃散剂。

含氧化钇的氧化铝基陶瓷型芯中,孔隙率至少要达到40%,最好在44%~49%之间。

(4) 型芯的性能和应用。

据专利资料报道,含氧化钇的氧化铝基陶瓷型芯性能优良,型芯外表面光洁,各项性能如下:孔隙率44%~49%,线收缩率1.8%~2.2%,室温抗弯强度17~34MPa,体积密度2.0~2.3g/cm3,密度3.95~4.10g/cm3,室温~27航空制造技术2005年第7期表1 Norton-320氧化铝(刚玉)颗粒分布颗粒尺寸/μm质量分数/%0~10610~202020~302530~402340~5017>509表2 Norton-38~900氧化铝(刚玉)颗粒分布颗粒尺寸/μm质量分数/%0~5435~1030>1027表3 增塑剂及表面活性剂的组成质量分数/%87.605.553.133.72Okerin1865QTM烷烃基石蜡Strahl&Pitsch462-CTM石蜡组成DupontElvax310TM油酸1500℃的线膨胀率1.16%,室温弹性模量31.0~39.6MPa。

含氧化钇的氧化铝基陶瓷型芯可在1600℃工作,可用于生产含活泼金属的高温合金精铸件。

在加压容器中用标准苛性碱溶液处理,不到60h即可容易地将型芯从铸件中清除干净。

国内北京航空材料研究院先后研制出型号为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-Al2O3, 1%~8%TC-1,外加13%~18%增塑剂[4,5]。

α-Al2O3是由不同粒度的粉料混合而成,其中粗粉含量为60%~75%。

AC-1型芯的焙烧制度为:以50~200℃/h的升温速度从室温升到1250℃~1450℃,保温4~10h后停电,炉冷到200℃以下出炉。

按此工艺可获得80%以上的烧成率。

AC-1型芯的脱芯性能:LM-1脱芯剂对AC-1型芯效果最好,它是一种常温下为固体而加热后便熔化成液体的物质。

用它对3种型号空心叶片进行了试验,孔型较简单的导向叶片,不到1h即可脱除干净,对于内腔极为复杂的单晶叶片,一般要12h以上才可脱完。

AC-1型芯的常温和高温性能如下:室温烧成强度为27.7MPa,烧成收缩率2.1%,气孔率34.6%; 1450℃抗弯强度10.3MPa,1550℃时为6.9MPa, 1580℃时达到5.8MPa; 1550℃挠度0.5%~0.7%,1600℃时为1.0%~2.8%; 线膨胀曲线拐点高于1550℃。

说明AC-1型芯达到设计指标,符合单晶叶片铸造要求。

AC-1型芯研制成功后,用它来制作了4种不同型号发动机叶片的型芯,并用DD3、DZ4、DZ22合金在4种不同类型定向凝固炉中浇注了近250片的定向和单晶叶片,并且顺利地脱芯。

实践表明,AC-1型芯能承受高达1560℃的工作温度,浇成率一般高于70%,浇注的叶片壁厚较为均匀。

AC-2型芯也由北京航空材料研究院研制成功并应用,但未见具体报道。

国内的中国科学院沈阳金属研究所制备了Al2O3/SiO2纳米复合陶瓷型芯[6]。

试验原料为α-Al2O3微粉、莫来石粉和SiO2纳米粉。

SiO2(纳米石英玻璃粉)的纯度高于99.99%,增塑剂为70%石蜡和30%蜂蜡的混合物。

为防止常压烧结过程中晶粒长大,加入1%的MgO2粉体作为稳定剂。

在Al2O3微粉基体中加入一定量的SiO2纳米粉和莫来石粉矿化剂。

先通过特殊工艺使混合粉分散,然后在分散后的混合粉中加入一定量的增塑剂以及润滑剂,一同加热至一定温度并搅拌一段时间后,在自制的压注机上压注陶瓷型芯。

将压注出的陶瓷型芯在高温电阻炉内在不同温度下烧结一定时间。

研究结果表明:加入SiO2纳米粉后,大大改善了材料的流动性,对陶芯的成型非常有利。

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;SiO2纳米粉的最佳加入量约为5%(质量分数);在不同物料组成的纳米复合陶芯中,粗细搭配的基体的强度最高;加入SiO2纳米粉后,陶芯的室温强度大幅度提高。

可用不同物料组成纳米复合陶芯,纳米复合陶芯的强度是纯氧化铝陶芯的3~4倍。

Al2O3/SiO2纳米复合陶芯的烧结温度为1250℃;采用合适的强化剂以及强化工艺可使纳米复合陶芯的高温挠度大大降低;Al2O3/SiO2纳米复合陶芯的脱芯较为容易,采用熔融状态的T2脱芯剂,再辅以高压水冲洗,Al2O3/SiO2纳米复合陶芯能够顺利脱除。

Al2O3/SiO2纳米复合陶芯的性能如表4所示。

实践表明该状态的陶芯能满足压蜡模、脱蜡、脱芯以及浇注需要,表明Al2O3/SiO2纳米复合陶芯的研制和开发是成功的。

氧化铝型芯的主要成分是刚玉,它在常温和加热的条件下几乎不与浓酸浓碱反应,因此很难脱除,因而需要进行Al2O3陶芯脱芯设备和工艺研究。

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