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邹小姐(jie)：13326633089 -
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随着(zhe)科技水平的提高(gao)，航(hang)空发动(dong)机(ji)技术取得了(le)巨大(da)的进步，极(ji)大(da)地提高(gao)了(le)飞(fei)机(ji)的性能。与此同时(shi)，对飞(fei)行器动(dong)力水平的要求(qiu)越(yue)来越(yue)高(gao)，其中提(ti)高推重比(bi)是改善发动机性能(neng)最有效(xiao)的方式，研(yan)究表明，每当涡轮前进(jin)口温度提高(gao)100℃时，发动机的推力就大约增加10%。推重比的提高是基于涡轮进口燃气温度的提高，也即“火力越足，推力越强”。但单纯依靠(kao)提高材料(liao)的承温能力和采用(yong)隔热措(cuo)施已无法满足服役需求，因此(ci)，通过复(fu)杂气(qi)冷内腔结(jie)构改(gai)善涡轮叶片散热能力已成为先(xian)进发动(dong)机制造的关键，而陶瓷型芯(xin)是制造这种内腔结(jie)构的核心部件，内腔(qiang)形状(zhuang)越复杂，冷却效(xiao)果越优异。
航空发动机(ji)的内腔由于(yu)(yu)结构复杂对于(yu)(yu)加(jia)工是一项挑战，用(yong)熔(rong)模精(jing)密铸造进行加(jia)工时，普通(tong)加(jia)工方法由于(yu)(yu)存在很(hen)多无法完成的工序，于(yu)(yu)是各种类型(xing)的陶瓷(ci)型(xing)芯(xin)被发明并广泛运用(yong)。陶瓷(ci)型(xing)芯(xin)的性能直接影响到精(jing)铸件的合格率和产品的质量，在浇注单晶高温合金叶片(pian)时，陶瓷(ci)型芯(xin)与高温合金液(ye)发生复杂的交互作用，要求(qiu)陶瓷(ci)型芯具(ju)有较好的(de)化(hua)学稳定性(xing)及(ji)热稳定性(xing)，因此，不断改进陶瓷(ci)型芯的(de)基体(ti)(ti)材料和制造工(gong)艺对于增强陶瓷(ci)型芯各项(xiang)性(xing)能十(shi)分重要。
陶瓷型(xing)芯(xin)主要由耐火(huo)基体材(cai)料、矿化(hua)剂和添加剂组成(cheng)，一般(ban)分为氧(yang)化硅基和氧化铝基两种，而氧(yang)化铝由(you)于高温性能(neng)更好，在高端涡轮部(bu)件(jian)的制造中更有应用潜力。
氧化铝陶瓷型芯的优缺点
氧化硅基(ji)陶瓷(ci)型芯(xin)以石英(ying)玻(bo)璃(li)粉为基(ji)体(ti)材料，添加莫(mo)来石、氧化铝(lv)、错英(ying)粉等为矿(kuang)化剂以提(ti)高陶瓷(ci)型芯(xin)的(de)性能。氧化硅陶瓷(ci)型芯(xin)具有热膨胀系数小、耐火性好、较(jiao)高的(de)室(shi)温(wen)和高温(wen)强(qiang)度、易被(bei)碱液腐蚀等优点(dian)。
与(yu)氧化硅基陶瓷型芯(xin)相比，氧化铝基陶瓷型芯(xin)具有更好的高(gao)(gao)温(wen)化学稳定性、高(gao)(gao)温(wen)抗蠕变(bian)性，使用(yong)温(wen)度更高(gao)(gao)（最高(gao)(gao)温(wen)度可(ke)达(da)1850℃），可(ke)保证(zheng)内腔结(jie)构复杂的(de)(de)(de)定向柱晶和单(dan)晶空心(xin)叶(ye)(ye)片的(de)(de)(de)尺寸(cun)精度和合(he)格率，并能降低叶(ye)(ye)片的(de)(de)(de)制造成本，且(qie)铝基陶瓷(ci)型芯与型壳的(de)(de)(de)热(re)膨(peng)胀几乎相同，适合制造高级别的涡轮(lun)叶片(pian)。
发动(dong)机涡轮叶片(pian)
但氧化铝基陶瓷型芯(xin)存在以下几点问(wen)题：
（1）氧(yang)化铝(lv)的熔(rong)点极(ji)高(gao)（2054℃），较(jiao)难进行烧(shao)结，需要(yao)添加氧(yang)化镁、氧(yang)化硅等物质促(cu)进烧(shao)结，在实际生产中对实现高(gao)精确度及良好烧(shao)结性能(neng)的技术(shu)要(yao)求较(jiao)高(gao)；
（2）由于叶片(pian)浇(jiao)注(zhu)后(hou)需(xu)要将其中的(de)陶(tao)(tao)瓷型芯脱除(chu)后(hou)才(cai)能投(tou)入(ru)使用，而氧化(hua)铝(lv)基陶(tao)(tao)瓷型芯的(de)主要成分是刚(gang)玉，它在常温和(he)常压下几(ji)乎不(bu)与浓酸浓碱反应，因此较难脱除(chu)，而且在脱芯过程(cheng)中叶片(pian)表面会出现不(bu)同(tong)程(cheng)度的(de)腐蚀(shi)，从(cong)而降低(di)了高效(xiao)气冷叶片(pian)合格率。
对于以上问题，由于凝胶(jiao)注模(mo)成型(xing)工艺可以成型(xing)尺寸(cun)精度(du)要求较(jiao)高的陶(tao)瓷(ci)(ci)型(xing)芯(xin)坯(pi)体，而(er)且(qie)烧结(jie)后(hou)的试样强度(du)较(jiao)高、均匀性较(jiao)好，可提高型(xing)芯(xin)产品的合格(ge)率，采用(yong)凝胶成型(xing)的陶(tao)瓷(ci)(ci)型(xing)芯(xin)也会降低其脱除过(guo)程的难度(du)，所以开展氧化铝(lv)基陶(tao)瓷(ci)(ci)型(xing)芯(xin)凝胶成型(xing)技术(shu)也是目前的一(yi)项研究(jiu)重点(dian)。
凝(ning)胶注模成(cheng)型
氧化铝(lv)基陶瓷型(xing)芯制备(bei)方(fang)法
陶瓷型芯的成型方法主要有热压注成型法、凝(ning)胶注膜成型法、灌浆成型法及三维（3D）打印技术等，它们的工艺特点、脱芯方法，以及优缺点如下表所示(shi)。
陶瓷型(xing)芯的成型(xing)方法(fa)
影响氧化铝陶瓷型芯性(xing)能(neng)的(de)因素
1. 粉(fen)料粒(li)度
粉(fen)料(liao)粒度对陶瓷(ci)型(xing)芯的(de)性能有(you)很大影响，基体(ti)粉(fen)料(liao)比表(biao)(biao)面积(ji)的(de)大小决定其迁(qian)移能力(li)的(de)高低(di)，当粉(fen)料(liao)比表(biao)(biao)面积(ji)越(yue)(yue)小时，颗粒的(de)表(biao)(biao)面结(jie)合力(li)就越(yue)(yue)大，颗粒间相互吸引(yin)结(jie)合的(de)能力(li)越(yue)(yue)高，促进(jin)烧结(jie)致密化的(de)进(jin)行。
由于叶片浇铸后需(xu)要将其(qi)中的(de)陶(tao)瓷型芯脱除后才能投入使用，而陶(tao)瓷型芯的(de)脱除效率与陶(tao)瓷型芯的(de)气孔(kong)率有(you)很大关系，通常气孔率(lv)高(gao)的型(xing)芯浇铸后比(bi)较容易脱除，而粒度(du)分(fen)(fen)布对(dui)陶瓷型(xing)芯(xin)气孔率(lv)的影响是造成陶瓷型(xing)芯(xin)性(xing)能变(bian)化的主要(yao)原因，粒度(du)粗细分(fen)(fen)布均匀的粉(fen)料(liao)型(xing)芯(xin)综合性(xing)能最佳。
2. 矿化剂
矿化剂(ji)由于与基体(ti)(ti)材料可(ke)能发(fa)生反应，生成固溶体(ti)(ti)、使晶格活化、或者是在(zai)烧(shao)(shao)结温度(du)下形成液相并将基体(ti)(ti)材料粘接、或者能阻止(zhi)基体(ti)(ti)材料发(fa)生多晶转化，能促进型(xing)芯(xin)的(de)烧(shao)(shao)结，降低陶瓷型(xing)芯(xin)的(de)烧(shao)(shao)结温度(du)或缩(suo)短烧(shao)(shao)结时间。。
作(zuo)为氧(yang)化(hua)铝(lv)陶瓷型(xing)芯用矿化(hua)剂，其作(zuo)用一方(fang)面是(shi)降低型(xing)芯的(de)烧成温(wen)度，另一方(fang)面保持型(xing)芯具有理(li)想的(de)高(gao)温(wen)性能。氧(yang)化(hua)铝(lv)陶瓷型(xing)芯常用的(de)矿化(hua)剂有MgO、SiO2、TiO2及稀土氧化物。
3. 烧(shao)结工艺
在制成过程(cheng)中，烧(shao)结制度(du)的(de)设(she)定尤为(wei)关键，烧(shao)结参数(shu)设(she)计是否(fou)合理(li)决定陶瓷(ci)性能的(de)好坏。
若烧(shao)结(jie)(jie)工艺不(bu)合理，缺(que)陷率增(zeng)(zeng)大(da)，导致陶瓷性能(neng)下(xia)降(jiang)，甚至报废(fei)。凝胶注(zhu)模成(cheng)(cheng)型(xing)(xing)(xing)(xing)陶瓷型(xing)(xing)(xing)(xing)芯(xin)在烧(shao)结(jie)(jie)过程(cheng)(cheng)中(zhong)包含脱脂(zhi)和烧(shao)结(jie)(jie)两个部分，烧(shao)结(jie)(jie)过程(cheng)(cheng)中(zhong)任何一阶段都会对(dui)陶瓷型(xing)(xing)(xing)(xing)心性能(neng)产生重大(da)影响(xiang)，而工艺参数设定(ding)不(bu)合理造成(cheng)(cheng)缺(que)陷率增(zeng)(zeng)加，且烧(shao)结(jie)(jie)温度(du)(du)(du)的高低和保温时(shi)间的长短均对(dui)型(xing)(xing)(xing)(xing)芯(xin)的体积(ji)(ji)密度(du)(du)(du)、气(qi)孔率、力(li)(li)学性能(neng)等方面(mian)有较大(da)影啊，烧(shao)成(cheng)(cheng)温度(du)(du)(du)越高，保温时(shi)间越长，可使陶瓷型(xing)(xing)(xing)(xing)芯(xin)的气(qi)孔率降(jiang)低，体积(ji)(ji)密度(du)(du)(du)升(sheng)高，型(xing)(xing)(xing)(xing)芯(xin)的力(li)(li)学性能(neng)增(zeng)(zeng)加。
总结
高(gao)效气(qi)冷(leng)叶(ye)片(pian)的(de)出现将使(shi)型芯(xin)(xin)的(de)制(zhi)造(zao)成为(wei)关(guan)键技术，与传统(tong)叶(ye)片(pian)相比较，冷(leng)却结构更(geng)(geng)为(wei)复杂(za)、叶(ye)片(pian)壁厚更(geng)(geng)薄，这将使(shi)型芯(xin)(xin)的(de)制(zhi)造(zao)工艺更(geng)(geng)复杂(za)，尺寸更(geng)(geng)小，对(dui)(dui)性(xing)能的(de)要求更(geng)(geng)高(gao)。对(dui)(dui)于氧化(hua)铝(lv)基(ji)的(de)型芯(xin)(xin)材(cai)料而言，保障其(qi)(qi)高(gao)性(xing)能的(de)同时(shi)，其(qi)(qi)化(hua)学稳定性(xing)也带(dai)来了难以(yi)从零件中去除的(de)问题，尤其(qi)(qi)是对(dui)(dui)于形状复杂(za)、通道细小的(de)型 芯(xin)(xin)更(geng)(geng)是如(ru)此，更(geng)(geng)有效且(qie)更(geng)(geng)简(jian)便的(de)脱芯(xin)(xin)方法仍(reng)有待(dai)研(yan)究。
目(mu)前凝胶注(zhu)模成型是一种(zhong)解决方向，但由于(yu)这种(zhong)原位成型工(gong)艺(yi)在坯体排(pai)出(chu)有机物后，其内部留下较多的(de)孔洞(dong)，会使陶(tao)瓷的(de)强度等综合性能有所而下降，如何平衡之间(jian)的(de)性能，是行业需要关注(zhu)的(de)问题(ti)，持(chi)续探(tan)寻具有更大经济效(xiao)益及高(gao)精密性、高(gao)性能的(de)型芯制造工(gong)艺(yi)。
参考(kao)来源：
1. 氧化铝(lv)基陶(tao)瓷型(xing)芯(xin)材料制备及性能研究，梁启(qi)如（沈阳(yang)工业(ye)大学）；
2. 高温合(he)金叶片铸造(zao)用氧(yang)化铝陶瓷型芯充型性能的研究，杨冬野（哈尔(er)滨工业大学(xue)）；
3. 陶瓷(ci)型芯在航空发动(dong)机叶(ye)片(pian)生产中的应用与(yu)发展，熊建平、赵(zhao)国庆、戴斌煜、商景利、王薇(wei)薇(wei)（南昌凯马有限公司；南昌航空大(da)学材(cai)料(liao)科学与(yu)工(gong)程学院）。
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