陶瓷型壳的制备及其与定向合金的界面反应研究

论文摘要

镍基定向高温合金中含有Hf、Cr、C等多种活性元素,高温下具有很高的化学活性,要求精密铸造陶瓷型壳具有高的化学稳定性及良好的综合力学性能,而陶瓷型壳的性能与面层涂料的配制及制壳工艺密切相关。本文针对陶瓷型壳制备工艺和铸件与型壳的界面反应情况进行了深入研究。实验采用不同粒度的Al2O3粉,不同浓度的硅溶胶、不同的矿化剂加入量,按现行工艺制壳。借助粒度分析、流变分析研究原材料粒度分布和涂料流变性能,利用三点弯曲法测定型壳的力学性能,通过XRD、SEM、EDS及DSC等分析手段研究型壳的相组成、微观形貌及陶瓷型壳与定向合金界面反应情况;实验还研究了制壳过程中干燥及烧结工艺对陶瓷型壳性能的影响,最终优化出针对某型号叶片的最佳工艺参数。实验结果表明,随着矿化剂的增加,陶瓷型壳的强度逐渐增加,高温自重变形逐渐减小;Al2O3粉粒度的变化对涂料性能影响很大,粒度分布范围较宽的粉体能够制得更高粉液比的涂料,提高了涂料的涂挂性能;Al2O3粉体中Na2O含量较高时,高温下形成的低熔点玻璃相使陶瓷型壳的高温强度及高温抗蠕变性能降低;涂料粘度及焙烧过程中莫来石相的生成量随硅溶胶浓度的增加而增加,浓度为24%的硅溶胶制得的陶瓷型壳力学性能优越,高温自重变形较小;通过研究干燥过程及焙烧工艺对陶瓷型壳性能的影响,优化了陶瓷型壳的制备工艺,采用该工艺能够制得内表面光滑、综合力学性能优越的陶瓷型壳;对界面反应的研究表明,定向高温合金基体中的Hf、Cr等活性元素与陶瓷型壳发生反应,生成氧化物的主要成分是HfO2和Cr2O3;HfO2反应层厚度随矿化剂加入量的增加而增加到5~10μm,反应还促进了定向合金液对陶瓷型壳的浸入作用;Cr2O3与Al2O3固溶在一起,形成紫红色的粘砂反应层;HfO2及Cr2O3反应层的粘结作用及定向合金液对陶瓷型壳的浸入作用是造成粘砂的主要原因;矿化剂含量为3wt%时,能够有效地避免粘砂问题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 高温合金精密铸造技术
• 1.2 陶瓷型壳的发展与制备
• 1.2.1 陶瓷型壳的发展
• 1.2.2 硅溶胶型壳的制备工艺
• 1.2.3 型壳材料
• 1.2.4 粘结剂
• 1.3 精密铸造型壳涂料的流变性能
• 1.3.1 影响涂料涂挂性的因素
• 1.3.2 制壳过程的撒砂及干燥
• 1.4 陶瓷型壳性能的研究
• 1.5 陶瓷型壳与高温合金的界面反应
• 1.5.1 活性元素在高温合金中的作用
• 1.5.2 界面反应与铸件表面质量
• 1.6 本课题的研究思路及主要内容
• 第二章 实验材料及方法
• 2.1 实验用型壳材料
• 2.1.1 实验面层及背层材料的选择
• 2.1.2 型壳用粘结剂的选择
• 2.1.3 实验用矿化剂的成分
• 2.2 实验用合金材料
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 试样的制备
• 2.3.2 实验方案
• 2.3.3 涂料配制、型壳制备及浇注
• 2.3.4 性能测试
• 第三章 实验结果分析与讨论
• 3.1 矿化剂的加入量对陶瓷型壳性能的影响
• 3.1.1 矿化剂加入量对陶瓷型壳力学性能的影响
• 3.1.2 矿化剂加入量对陶瓷型壳相组成的影响
• 3.1.3 矿化剂加入量对陶瓷型壳微观组织的影响
• 2O₃粉体对硅溶胶涂料及陶瓷型壳性能的影响'>3.2 Al₂O₃粉体对硅溶胶涂料及陶瓷型壳性能的影响
• 2O₃粉体粒度分布对涂料流变性能影响'>3.2.1 Al₂O₃粉体粒度分布对涂料流变性能影响
• 2O₃粉体对陶瓷型壳力学性能的影响'>3.2.2 Al₂O₃粉体对陶瓷型壳力学性能的影响
• 2O₃粉体对陶瓷型壳相组成的影响'>3.2.3 Al₂O₃粉体对陶瓷型壳相组成的影响
• 2O₃粉体对陶瓷型壳微观组织的影响'>3.2.4 Al₂O₃粉体对陶瓷型壳微观组织的影响
• 3.3 硅溶胶浓度对涂料及陶瓷型壳性能的影响
• 3.3.1 硅溶胶浓度对涂料性能的影响
• 3.3.2 硅溶胶浓度对陶瓷型壳力学性能的影响
• 3.3.3 硅溶胶浓度对陶瓷型壳相组成的影响
• 3.3.4 硅溶胶浓度对陶瓷型壳微观组织的影响
• 3.4 定向合金精密铸造陶瓷型壳的制备工艺研究
• 3.4.1 涂料的制备
• 3.4.2 涂料的浸涂及撒砂
• 3.4.3 型壳的干燥
• 3.4.4 型壳的脱蜡工艺
• 3.4.5 型壳的焙烧工艺
• 3.5 定向合金与陶瓷型壳的界面反应
• 3.5.1 矿化剂的加入量对界面反应的影响
• 3.5.2 陶瓷型壳与定向合金的界面反应机理研究
• 第四章 结论
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢