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《中南大学》 2011年
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硅基陶瓷型芯烧结工艺及成分设计

龙永成  
【摘要】:硅基陶瓷型芯具有热膨胀系数小、优良的热稳定性、机械强度高、化学稳定性好和脱芯方便等优点,广泛应用在空心涡轮叶片制造领域,国际上对该系列陶瓷型芯作了大量的研究工作。目前,国内使用的陶瓷型芯材料仍以硅基为主。现有的陶瓷型芯在浇注定向及单晶空心叶片时,由于高温性能较差而时常发生变形甚至断裂,严重影响了叶片的成品率。因此,开发具有优异综合性能特别是良好的抗高温蠕变性能的硅基陶瓷型芯对定向空心叶片的生产具有重大意义。 本论文采用室温弯曲、高温热变形等实验方法及粒度分析、化学成分分析、XRD.SEM等检测手段,系统研究了烧结工艺、成分、杂质含量对陶瓷型芯的作用机理及微观结构演变规律,得到了以下主要结论: 1.陶瓷型芯在低温脱塑阶段,若升温速度过快,表面会出现鼓包及粘砂现象。合理的升温制度为:室温~300℃/3h,300℃/2h,300℃~500℃/2h,500℃/2h.在该升温制度下,陶瓷型芯中的增塑剂能顺利迁移到填料中并烧失掉,型芯烧成后表面光洁无缺陷。 2.在实验设计的温度范围内,陶瓷型芯在1250℃烧结时获得最佳的综合性能。在1250℃以下,温度升高带来的强度增加大于方石英对强度的破坏作用,陶瓷型芯强度增大;温度超过1250℃时,方石英的破坏作用占主导,陶瓷型芯强度下降。陶瓷型芯烧成后生成足够的方石英,促进石英玻璃快速析晶,在金属液浇注前形成耐高温骨架,提高了陶瓷型芯的抗热变形能力,使得高温挠度降低。 3.方石英预加量从10%增加到20%,陶瓷型芯室温抗弯强度下降;而抗热变形能力大幅度提高,高温挠度从16.1mm急剧减少到0.5mm,收缩率亦大幅度减少。在相同的烧结温度下,方石英含量越多,对型芯强度的破坏作用越强,因此陶瓷型芯强度随方石英预加量的增加而下降。而方石英预加量增多,烧成后方石英总量越多,对石英玻璃析晶的促进作用越强,在金属液浇注前能生成足够的方石英,降低了陶瓷型芯的高温挠度。当方石英预加量为20%时,陶瓷型芯综合性能较好。 4.石英玻璃的杂质含量从0.4%增加到0.69%,陶瓷型芯室温抗弯强度从5.21MPa大幅增加到9.86MPa,高温挠度则略为减少到0.2mm。氧化锆的杂质含量从0.04%增加到4.82%,陶瓷型芯室温抗弯强度大幅增加到8.5MPa,高温挠度则急剧增加到4mm。原材料中杂质含量的增加,在陶瓷型芯烧结过程中杂质与SiO2反应生成低熔点物,在高温下形成液相,钝化了裂纹尖端,减轻应力集中,从而提高了陶瓷型芯的强度。而杂质促进了石英玻璃析晶,使陶瓷型芯在烧成后形成大量的方石英,由于方石英具有良好的抗蠕变性能,即使试样中低熔点玻璃相发生黏性流动,也不会破坏试样的抗热变形能力。当石英玻璃杂质含量小于0.69%时,陶瓷型芯综合性能较好。氧化锆杂质含量较多时,陶瓷型芯高温挠度较大,应严格控制氧化锆杂质的含量。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TQ174.1

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