陶瓷材料在重型燃機葉片研發(fā)中的問題探討

曾洪，楊功顯，張松泉，趙代銀，何建，伍林

(東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000)

陶瓷材料在重型燃機葉片研發(fā)中的問題探討

曾洪，楊功顯，張松泉，趙代銀，何建，伍林

(東方汽輪機有限公司 長壽命高溫材料國家重點實驗室，四川德陽，618000)

陶瓷材料在重型燃機葉片研究和制備中具有重要的作用，陶瓷型芯和陶瓷型殼是其中兩種不可替代的陶瓷材料，文章就陶瓷型芯和陶瓷型殼在燃機葉片研發(fā)中存在的問題展開論述。主要包括陶瓷型芯和陶瓷型殼原材料、濕法成型、檢測標準和計算機輔助研究。

重型燃機葉片，陶瓷型芯，陶瓷型殼

0 引言

在重型燃機葉片（以下簡稱葉片）研究和制備過程中，陶瓷材料承擔了不可替代的作用。陶瓷型芯和陶瓷型殼是燃機葉片開發(fā)過程中不可缺少的兩種陶瓷材料。陶瓷型殼用于形成葉片鑄件的外形，陶瓷型芯用于形成葉片鑄件的內(nèi)腔。在澆鑄過程中，陶瓷型芯和陶瓷型殼需要承受高溫熔融金屬液的沖擊和浸泡保持不變形、不斷裂及不與高溫熔融金屬液發(fā)生反應(yīng)。因此，陶瓷型芯和陶瓷型殼必須具備適合的強度和化學穩(wěn)定性[1]。雖然，從理論上來說，陶瓷材料的化學鍵成分以離子鍵和共價鍵為主，這種化學鍵決定了大部分陶瓷材料具有較好的高溫性能。但是，受原材料和制備工藝等的影響，陶瓷型芯和陶瓷型殼的理論性能得不到充分的發(fā)揮，從而影響陶瓷型芯和陶瓷型殼在燃機葉片研發(fā)中的使用。本文首先就影響陶瓷型芯和陶瓷型殼理論性能得不到充分發(fā)揮的重要因素展開論述。另外，就當前國內(nèi)基礎(chǔ)較為薄弱的陶瓷型芯與陶瓷型殼檢測標準和計算機模擬技術(shù)展開論述。

1 存在問題探討

1.1 原材料

從結(jié)構(gòu)來說，陶瓷材料主要由主晶相、晶間相和氣孔組成。如果陶瓷型芯以石英玻璃為基體材料，主晶相就是石英玻璃或石英。如果陶瓷型殼以白剛玉為基體材料，主晶相就是白剛玉。石英玻璃的熔點為1 700℃，白剛玉的熔點為2 050℃[1]。從理論上來說，這兩種材料都具有較高的強度和化學穩(wěn)定性。但是，在實際使用過程中往往發(fā)現(xiàn)陶瓷型芯和陶瓷型殼變形和斷裂的問題。其中一個重要的原因就是大家過度關(guān)注主晶相對陶瓷型芯和陶瓷型殼性能的影響，而忽略了晶間相的性質(zhì)、數(shù)量以及分布對陶瓷型芯和陶瓷型殼性能的影響。一般來說，晶間相在主晶相之間的分布存在連續(xù)分布和不連續(xù)分布兩種形式。如果晶間相數(shù)量較多，熔點較低，而且又呈連續(xù)分布的話，如圖1所示，在澆鑄過程中，主晶相還未發(fā)生任何變化，晶間相就開始發(fā)生軟化，主晶相隨之發(fā)生移動，如圖2所示，造成陶瓷型芯和陶瓷型殼發(fā)生變形和斷裂。在這種情況下，陶瓷型芯和陶瓷型殼的性能由晶間相決定,即使主晶相有優(yōu)異的力學性能和化學穩(wěn)定性，其性能也得不到充分的發(fā)揮。因此，控制晶間相的性質(zhì)、數(shù)量以及分布，使主晶相性能得到充分的發(fā)揮，對控制陶瓷型芯和陶瓷型殼的變形和斷裂十分重要。對于陶瓷型芯和陶瓷型殼原材料來說，就是要減少低熔點雜質(zhì)的含量，使陶瓷型芯和陶瓷型殼主晶相性能得到充分的發(fā)揮。當前國內(nèi)原材料存在的問題是雜質(zhì)較多，原材料制備工藝不穩(wěn)定，可能各批次原材料的雜質(zhì)含量都不一樣，造成陶瓷型芯和陶瓷型殼性能不穩(wěn)定。

1.2 濕法成型

圖1 晶間相在主晶相之間呈連續(xù)分布

圖2 在高溫下主晶相隨著晶間相發(fā)生變形

由于葉片陶瓷型芯和陶瓷型殼形狀復(fù)雜，為滿足成型要求，陶瓷型芯和陶瓷型殼原材料必須具備良好的塑性和流動性。因此，陶瓷型芯和陶瓷型殼目前都采取濕法成型。陶瓷型芯一般以有機物作為增塑劑，將基體材料與增塑劑混合均勻，在一定的溫度下加熱融化，形成具有一定流動性的漿料。陶瓷型殼一般以去離子水和硅溶膠作為增塑劑，將基體材料與水和硅溶膠混合，形成具有一定流動性的漿料。與干法成型相比，濕法成型的優(yōu)點是能夠形成復(fù)雜的陶瓷型芯和陶瓷型殼坯體。濕法成型最大的缺點就是形成的漿料不穩(wěn)定。粉體在增塑劑中分散穩(wěn)定主要有3種機制：（1）靜電機制，通過基體材料顆粒之間的靜電引力和斥力保持平衡，避免團聚；（2）空間位阻機制，通過在基體材料顆粒表面形成有機長鏈，避免顆粒團聚；（3）靜電空間位阻機制，從某種程度來說就是靜電機制和空間位阻機制的疊加[1-5]。陶瓷型芯漿料在長時間的加熱和攪拌過程中，由于增塑劑發(fā)生變性或揮發(fā)，導(dǎo)致分散穩(wěn)定機制失效。陶瓷型殼漿料在長時間的攪拌過程中，受環(huán)境溫度、濕度等的影響，分散穩(wěn)定機制也會失效。當陶瓷型芯和陶瓷型殼漿料的分散穩(wěn)定機制失效以后，漿料中的基體材料顆粒就會發(fā)生團聚和沉淀，成型后陶瓷型芯和陶瓷型殼坯體各個部分的成分偏離理論值，導(dǎo)致陶瓷型芯和陶瓷型殼各部分性能發(fā)生偏移。因此，定期監(jiān)測陶瓷型芯和陶瓷型殼漿料的成分，保持漿料的穩(wěn)定性，對陶瓷型芯和陶瓷型殼性能尤為重要。

濕法成型的另外一個特點是增塑劑的去除。增塑劑去除過程中容易遇到的問題是坯體變形、表面起皮、起泡和開裂。陶瓷型芯增塑劑的去除是將陶瓷型芯放入裝有填料的匣缽中，然后在一定溫度下，增塑劑發(fā)生熔化、流動和被填料吸收。在這個過程中，比較關(guān)鍵的因素是升溫速度和填料的性能。升溫速度過大，陶瓷型芯表面容易發(fā)生起皮和鼓泡。填料的吸收性能不好，陶瓷型芯表面也會發(fā)生起皮和鼓泡。陶瓷型殼增塑劑的去除是將陶瓷型殼坯體放在具有一定的溫度和濕度的環(huán)境中，使坯體中的水分發(fā)生遷移和蒸發(fā)。在這個過程中，如果水分蒸發(fā)過快，陶瓷型殼的表面就會開裂。如果水分沒有去除完成，陶瓷型殼膠凝程度不夠，就會導(dǎo)致陶瓷型殼的強度較低。因此，陶瓷型芯和陶瓷型殼增塑劑的去除過程對陶瓷型芯和型殼理論性能的發(fā)揮具有重要影響。

1.3 檢測標準

現(xiàn)階段，國外對陶瓷型芯和陶瓷型殼的檢測標準嚴格保密，國內(nèi)在這方面還處于起步階段，還沒有系統(tǒng)完整的檢測標準。燃機葉片開發(fā)過程復(fù)雜，成本較高，如果沒有一套完善的陶瓷型芯和陶瓷型殼檢測標準，會造成人力、物力和財力的巨大浪費。因此，建立一套燃機葉片用陶瓷型芯和陶瓷型殼的檢測標準勢在必行。

1.4 計算機模擬技術(shù)

陶瓷型芯的制備包括漿料配制、壓制、燒結(jié)、強化等流程，工藝繁瑣，生產(chǎn)周期長。利用計算機模擬技術(shù)模擬陶瓷型芯的制備過程及使用過程，可為試驗提供指導(dǎo)，優(yōu)化制作工藝，減小試驗成本，縮短試驗周期。

該技術(shù)的研究在國外起步較早，世界頂尖陶瓷制造商——摩根熱陶瓷公司視該技術(shù)為其研發(fā)能力的重要體現(xiàn)，利用該技術(shù)為陶瓷型芯模具設(shè)計提供指導(dǎo)。國內(nèi)在這方面的研究較少。上海大學應(yīng)用Fluent軟件對澆鑄過程中陶瓷型芯的受力分布進行分析，為澆鑄工藝提供指導(dǎo)[6]。

我們在2012年開始了陶瓷型芯的計算機模擬工作。到目前為止，已能利用軟件模擬陶瓷型芯的整個壓制過程，預(yù)測缺陷位置，為壓制工藝提供指導(dǎo)。此外，利用該技術(shù)優(yōu)化模具注射系統(tǒng)、分析陶瓷型芯在高溫金屬液澆鑄過程中的狀態(tài)等研究工作正在進行中。

2 結(jié)束語

燃機葉片陶瓷型芯和陶瓷型殼制備和檢測技術(shù)被各個國家視為核心機密，我國陶瓷型芯和陶瓷型殼制備和檢測還在起步階段，與國外發(fā)達國家相比還有很多差距。因此，提高在陶瓷型芯和陶瓷型殼方面的研究投入，提高原材料品質(zhì)，優(yōu)化生產(chǎn)和檢驗過程，形成一套系統(tǒng)的燃機葉片用陶瓷型芯和陶瓷型殼檢測標準，采用計算機模擬技術(shù)為陶瓷型芯研發(fā)提供指導(dǎo)等方面的工作勢在必行。

[1]姜不居.實用熔模鑄造技術(shù)[M].沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社, 2008.

[2]I C Huseby,M P Borom,C D Greskovich.High Temperature Characterization of Silica-Based Cores for Superalloys [J].Am.Ceram.Soc.Bull.1979,58(4):448-452.

[3]J Ronald,S Rondey,J A Faison.Ceramic Core and Method of Making[P].U.S.Pat.No.6578623.2003.

[4]K Steven.Ceramie Core for Investment Casting and Method for Preparation of the Same[P].U.S.Pat.No.5468285.1995.

[5]楊麗靜,田輝平,龍軍,等.堿性硅溶膠穩(wěn)定性的研究[J].石油煉制與化工,2010,41(6):12-16.

[6]李霞,任忠鳴,余建波,等.充型過程中陶瓷型芯結(jié)構(gòu)分析的數(shù)值模擬研究[J].鑄造技術(shù),2011,（9）:1264-1268.

Problems of Ceramics in Development of Heavy-duty Gas Turbine Blade

Zeng Hong，Yang Gongxian，Zhang Songquan，Zhao Daiyin，He Jian，Wu Lin

（State key Laboratory of Long-life High Temperature Materials,Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

Ceramics plays an important role in the development of heavy-duty gas turbine blade,ceramic core and ceramic shell are two kinds of irreplaceable materials.In this paper,the problems of ceramic core and ceramic shell in the development of gas turbine blade are discussed,mainly including the raw materials,wet processing,inspection standards and computer simulation study.

heavy-duty gas turbine blade,ceramic core,ceramic shell

TB321

A

1674-9987（2017）01-049-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.01.010

曾洪 （1981-），男，博士，高級工程師，畢業(yè)于中國科學院，現(xiàn)從事精密鑄造研究工作。