空心涡轮叶片用硅基陶瓷型芯的试验研究

论文摘要

随着燃气轮机叶片气冷技术的发展，陶瓷型芯的重要性日益突出。陶瓷型芯直接影响着叶片的成品率，是制备涡轮叶片的关键。硅基陶瓷型芯具有热膨胀系数小、抗热震性能好以及型芯容易脱除的优势，广泛用于浇注温度低于1550℃的定向和单晶涡轮叶片的生产。但国内生产的硅基陶瓷型芯析出的方石英含量具有不确定性，型芯的性能不稳定；大尺寸复杂结构陶瓷型芯存在高温强度低和抗变形能力差等缺点，导致叶片出现偏、露、断芯等问题。本文从陶瓷粉料的混合粒度级配入手，研究了矿化剂、烧结温度以及强化工艺对硅基陶瓷型芯性能的影响，并对具有复杂结构的陶瓷型芯进行了工艺性验证。得到的结果如下：粉料的粒度级配对陶瓷型芯的性能影响较大。细粉有助于提高陶瓷型芯烧结的程度并促进石英玻璃的析晶。SA-1、SA-2、SA-3陶瓷型芯细粉含量依次增加，型芯试样中的方石英含量分别为14.5%、16.7%和21.3%。陶瓷型芯存在着最佳的粉料粒度级配，当粉料中粗、中、细粉配比约为5:3:2时，型芯的综合性能最佳。矿化剂影响着陶瓷型芯的物相组成和石英玻璃的析晶。Al2O3和Y2O3抑制高温下石英玻璃的析晶，ZrSiO4对石英玻璃的析晶作用不明显。使用ZrSiO4和Y2O3粉做矿化剂，型芯的耐高温能力提高，综合性能优于Al2O3粉作矿化剂的陶瓷型芯。烧结温度对陶瓷型芯的性能影响显著。温度越高对石英玻璃析晶过程的促进作用越明显。烧结温度从1160℃升高到1220℃，ZrSiO4作矿化剂的陶瓷型芯烧成态方石英含量从0（1160℃）依次增加到12.6%（1180℃），19.5%（1200℃）和33.2%（1220℃）。该陶瓷型芯在1180℃烧结时，型芯的综合性能最佳。硅酸乙酯水解液和硅溶胶强化的型芯性能较好，钇溶胶强化的效果较弱，铝溶胶恶化硅基陶瓷型芯的性能。经硅酸乙酯水解液强化的陶瓷型芯室温抗弯强度达到25.58MPa，1550℃抗弯强度达到28.74MPa，1550℃挠度0.4mm，显气孔率29.2%。对小尺寸和大尺寸具有复杂结构的陶瓷型芯进行了工艺性验证，得到了适宜的工艺参数。通过检验，制作的陶瓷型芯尺寸合格，表面光洁无裂纹。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图清单
• 表格清单
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 陶瓷型芯材料以及陶瓷型芯的制备
• 1.2.1 对陶瓷型芯的要求
• 1.2.2 陶瓷型芯的基体材料
• 1.2.3 陶瓷型芯的辅助材料
• 1.2.4 陶瓷型芯的制备方法
• 1.2.5 陶瓷型芯的烧结
• 1.3 陶瓷型芯的分类和研究现状
• 1.3.1 陶瓷型芯的分类
• 1.3.2 硅基陶瓷型芯的研究现状
• 1.4 国内硅基陶瓷型芯存在的问题
• 1.5 选题依据
• 1.6 研究目标与主要内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 石英玻璃粉
• 2.1.2 矿化剂
• 2.1.3 增塑剂
• 2.2 陶瓷型芯的制备过程
• 2.2.1 混料
• 2.2.2 制浆
• 2.2.3 热压注成形
• 2.2.4 装钵和填充填料
• 2.2.5 焙烧
• 2.2.6 强化
• 2.3 试验设备和仪器
• 2.4 陶瓷型芯性能测试方法
• 2.4.1 显气孔率
• 2.4.2 烧成收缩率
• 2.4.3 室温和高温抗弯强度
• 2.4.4 高温挠度
• 第3章 粒度级配和矿化剂对陶瓷型芯性能的影响
• 3.1 粉料粒度级配对陶瓷型芯性能的影响
• 3.1.1 陶瓷型芯粉料的粒度级配
• 3.1.2 陶瓷型芯的粒度级配对陶瓷型芯综合性能的影响
• 3.1.3 陶瓷型芯的物相分析
• 3.1.4 陶瓷型芯的断口形貌分析
• 3.2 矿化剂对陶瓷型芯性能的影响
• 3.2.1 矿化剂的选择
• 3.2.2 矿化剂对型芯试样综合性能的影响
• 3.2.3 陶瓷型芯的物相分析
• 3.2.4 陶瓷型芯的断口形貌分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 烧结温度和强化处理对陶瓷型芯性能的影响
• 4.1 烧结温度对陶瓷型芯性能的影响
• 4.1.1 烧结温度的选取
• 4.1.2 烧结温度对型芯综合性能的影响
• 4.1.3 陶瓷型芯的物相分析
• 4.1.4 陶瓷型芯的断口形貌分析
• 4.2 强化处理对陶瓷型芯性能的影响
• 4.2.1 型芯的强化处理
• 4.2.2 强化处理对陶瓷型芯综合性能的影响
• 4.2.3 陶瓷型芯的物相分析
• 4.2.4 陶瓷型芯的断口形貌分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 复杂结构陶瓷型芯的工艺性验证
• 5.1 小尺寸硅基陶瓷型芯的工艺性验证
• 5.1.1 陶瓷型芯的压注
• 5.1.2 装钵和填充填料
• 5.1.3 陶瓷型芯的烧结
• 5.2 大尺寸硅基陶瓷型芯的工艺性验证
• 5.2.1 陶瓷型芯的压注
• 5.2.2 装钵和填充填料
• 5.2.3 陶瓷型芯的烧结
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和参加科研情况