摘要：深入探討了單晶葉片型殼漿料粘度對(duì)型殼參數(shù)及其最終產(chǎn)品性能的影響。鑒于單晶葉片在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的關(guān)鍵作用，其型殼的質(zhì)量直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和安全。鑒于此，通過對(duì)漿料粘度關(guān)鍵物理化學(xué)性質(zhì)的詳細(xì)分析，探討了其如何影響型殼的常溫強(qiáng)度、焙燒強(qiáng)度、熱擴(kuò)散系數(shù)等性能。通過實(shí)驗(yàn)，評(píng)估了耐火材料、粘結(jié)劑和附加物等不同組成元素對(duì)漿料粘度的影響，并特別關(guān)注了Al2O3粉體粒度分布、硅溶膠濃度和粉液比這三個(gè)主要因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過精確控制漿料粘度，可有效提高型殼的均勻性和最終產(chǎn)品的質(zhì)量，從而顯著提升產(chǎn)品的合格率。該研究為單晶葉片型殼漿料的粘度控制提供了科學(xué)依據(jù)，對(duì)于優(yōu)化鑄造工藝和提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：液體粘度;陶瓷型殼;單晶葉片;型殼漿料

中圖分類號(hào)：TG241 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1671-0797（2024）18-0020-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.18.006

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵核心部件[1]，體現(xiàn)了一個(gè)國家的工業(yè)能力，其中，單晶葉片在高溫環(huán)境下的卓越性能使其成為渦輪空心葉片的理想選擇。作為工業(yè)產(chǎn)品中的精華，航空發(fā)動(dòng)機(jī)代表了當(dāng)今科技的最高成就，核心技術(shù)門檻極高，涉及的理論知識(shí)深?yuàn)W，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，高性能飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的制造必須采用先進(jìn)材料、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和精密制造工藝，這對(duì)單晶葉片型殼制備所用材料的性能提出了更高的要求。

在定向和單晶葉片精密鑄造中，陶瓷型殼的制備是一項(xiàng)至關(guān)重要的技術(shù)。在葉片的定向凝固過程中，型殼不僅需要在高溫和熱應(yīng)力作用下保持形狀穩(wěn)定，還要求內(nèi)腔具有高度的化學(xué)穩(wěn)定性[2]，以避免在高溫條件下與母合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。隨著定向、單晶合金和定向凝固技術(shù)的發(fā)展，對(duì)型殼質(zhì)量的要求日益提高[3]。

在脫蠟階段，型殼必須能承受高溫水蒸氣的蒸煮;在焙燒階段，型殼必須能長時(shí)間承受900 ℃以上的高溫;在澆注階段，高溫型殼還需承受熱沖擊和金屬液體的機(jī)械沖擊[4-6]。因此，型殼的性能直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的效率和安全?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中單晶葉片型殼漿料粘度對(duì)型殼性能的研究較少，因此本文針對(duì)單晶葉片型殼漿料粘度的影響因素及粘度對(duì)型殼性能的影響進(jìn)行深入研究。

1 粘度影響因素的研究

精密鑄造型殼漿料的核心組成元素包括耐火材料、粘結(jié)劑以及附加物，它們共同構(gòu)成了型殼制備的基礎(chǔ)[7]。在陶瓷型殼的生產(chǎn)流程中，氧化物類耐火材料發(fā)揮著核心作用，約占型殼總質(zhì)量的90%。在航空渦輪葉片鑄造中，常用的耐高溫材料包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鎂、氧化鈣和氧化鋯等。對(duì)于高性能鎳基合金葉片的鑄造，選用的耐火砂型材料通常包括白剛玉、再利用煤渣和鋁酸鈷等。上述三種耐火材料的主要成分均為Al2O3，占比均在80%以上，因此其特性有可能成為影響漿料粘度的因素。

1.1 Al2O3粉體粒度分布對(duì)粘度的影響

面層材料選用三種不同粒度的Al2O3粉，其粒度分布如表1所示，粘結(jié)劑均選用30%含量的硅溶膠，礦化劑均為Al2O3-SiO2-CaO系礦化劑。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，精密鑄造表層覆蓋物形成了高粉末與液體比例的懸浮混合物。這種涂層的粘度主要由內(nèi)部微粒在流動(dòng)過程中相互碰撞和摩擦引起，這些相互作用導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部的流動(dòng)阻力增加。在懸浮混合物中，粒子間隙內(nèi)的受限液體在流動(dòng)時(shí)相對(duì)于顆粒表面呈現(xiàn)出穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，而顆粒間隙外的自由液體則起到潤滑作用。因此，自由液體的量對(duì)漿料的粘度起著決定性作用。剪切應(yīng)力與剪切速率的關(guān)系如圖1所示，展現(xiàn)了涂層在不同剪切條件下的流變行為，這對(duì)于理解和控制涂層的應(yīng)用性能至關(guān)重要。

1.2 硅溶膠濃度對(duì)粘度的影響

Al2O3粉在硅溶膠中的分散機(jī)理屬于靜電位阻穩(wěn)定，其在硅溶膠中的分散與硅溶膠的濃度密切相關(guān)，硅溶膠的粘度可以用Mooney方程來描述。

ln ηrel= （1）

式中：ηrel為相對(duì)粘度，即懸浮體相對(duì)分散介質(zhì)的粘度;φ為粒子的體積分?jǐn)?shù)。

從公式（1）得出，硅溶膠的粘度隨著濃度的增加而上升。這一現(xiàn)象可以通過硅溶膠分子間相互作用力的增強(qiáng)來解釋。然而，當(dāng)硅溶膠作為分散介質(zhì)使用時(shí)，漿料的粘度變化并不完全符合此規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[8]，在硅溶膠濃度較低時(shí)，漿料的粘度實(shí)際上會(huì)隨著硅溶膠濃度的增加而下降，尤其是當(dāng)濃度在5%至10%之間時(shí)，漿料的粘度會(huì)降至最低。但是，當(dāng)硅溶膠濃度繼續(xù)增加時(shí)，過多的硅溶膠分子會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過于粘稠，從而使?jié){料的粘度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，本文設(shè)定了硅溶膠的濃度為20%、25%和30%，同時(shí)保持漿料的粉液體積比（即漿料的固相體積）為30%。這樣設(shè)置的目的在于探究在較高的硅溶膠濃度下，漿料的流變性質(zhì)如何變化。通過分析圖2所展示的涂料剪切速率與剪切應(yīng)力的關(guān)系圖，發(fā)現(xiàn)在相同剪切速率下，硅溶膠濃度的增加導(dǎo)致剪切應(yīng)力相應(yīng)增加。這些觀察結(jié)果對(duì)于理解硅溶膠濃度如何影響涂料的粘度和剪切應(yīng)力具有重要意義，對(duì)于優(yōu)化涂料的應(yīng)用性能提供了有價(jià)值的參考。

1.3 粉液比對(duì)粘度的影響

在漿料配置過程中，不同的固相體積對(duì)漿料粘度的影響顯著，如圖3所示。

在相同硅溶膠濃度條件下，觀察到隨著固相體積的增加，漿料粘度逐漸上升。具體來說，當(dāng)硅溶膠濃度為30%并且固相體積在10%～40%范圍內(nèi)時(shí)，粘度的增長較為緩慢，然而，當(dāng)固相體積超過40%后，漿料粘度開始迅速上升，固相體積達(dá)到50%時(shí)，漿料粘度升至985 mPa·s。若固相體積比繼續(xù)增加至55%，漿料粘度進(jìn)一步升至1.85 Pa·s。對(duì)于24%的硅溶膠濃度，當(dāng)固相體積達(dá)到50%時(shí)，漿料粘度上升至900 mPa·s，固相體積繼續(xù)增加至55%時(shí)，漿料粘度為1.72 Pa·s。而在硅溶膠濃度為20%的情況下，當(dāng)固相體積達(dá)到50%時(shí)，漿料粘度為842 mPa·s，固相體積增至55%時(shí)，漿料粘度為1.56 Pa·s。此后，漿料失去流動(dòng)性。

2 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼性能的影響

2.1 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼強(qiáng)度的影響

在鑄造脫蠟階段，陶瓷型殼的室溫抗壓能力確保了其在制備與脫蠟步驟中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性，避免了破損或因受熱而造成的形變和開裂。陶瓷型殼的濕態(tài)強(qiáng)度主要依賴于硅溶膠粘結(jié)劑的脫水和膠凝作用，在硅溶膠吸水過程中，陶瓷型殼內(nèi)外部濕度差促使硅溶膠內(nèi)的膠粒從分散態(tài)逐步析落并通過氫鍵互相連接，形成結(jié)構(gòu)框架和毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)，從而失去流動(dòng)特性[9]，通過進(jìn)一步增強(qiáng)耐火材料，賦予陶瓷型殼所需的濕態(tài)強(qiáng)度。在本文研究中，高溫鑄造過程中，使用經(jīng)過預(yù)熱的陶瓷型殼至關(guān)重要，因?yàn)檫@些型殼在高溫下的性能直接影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)中，將預(yù)熱過的陶瓷型殼樣品加熱至既定溫度，并在該溫度下維持10 min后進(jìn)行性能測(cè)試，以評(píng)估其在高溫下的強(qiáng)度表現(xiàn)[10]。

2.2 漿料粘度對(duì)單晶葉片型殼熱擴(kuò)散系數(shù)的影響

單晶葉片型殼主要通過熱輻射、熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流這三種方式進(jìn)行熱交換[11]。在陶瓷型殼的工作過程中，熱量傳遞的效率對(duì)成品葉片的成型至關(guān)重要。陶瓷型殼的熱擴(kuò)散能力不僅與所用材料的種類密切相關(guān)，還受到型殼溫度、耐火材料顆粒度以及漿料粘度的影響[12]。熱擴(kuò)散系數(shù)是衡量陶瓷型殼在相同位置改變溫度能力的指標(biāo)，它反映了型殼熱量擴(kuò)散的效率。在散熱過程中，陶瓷型殼首先向外部環(huán)境傳遞熱量，其次，脫水后的內(nèi)部空隙通過熱輻射改變型殼本身的熱量[13]，最后，空氣的熱對(duì)流作用吸收型殼的熱量，這三種機(jī)制共同決定了型殼的熱傳遞性能。

3 實(shí)驗(yàn)討論與結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1）本文選用相同Al2O3含量的白剛玉粉，主要成分如表2所示，30%濃度的硅溶膠作為粘結(jié)劑，并加入一定比例的礦化劑，礦化劑成分如表3所示，用快速分散設(shè)備攪拌2 h，轉(zhuǎn)移至連續(xù)攪拌機(jī)中繼續(xù)攪拌24 h。漿料具體比例如表4所示。采用雨淋式撒砂機(jī)、逐層涂覆的方式進(jìn)行型殼制備，涂掛層數(shù)為7層，撒砂順序?yàn)?層80#白剛玉砂、1層46#白剛玉砂、3層24#白剛玉砂，最后一層只沾漿不撒砂。采用高壓蒸汽脫蠟釜進(jìn)行脫蠟，脫蠟壓力為900 kPa（9 bar），脫蠟時(shí)間10 min。采用高溫箱式電阻爐進(jìn)行型殼焙燒，焙燒溫度為900 ℃，焙燒時(shí)間2 h。型殼制備結(jié)束后封存?zhèn)溆?，如圖4所示。

2）本文設(shè)置A、B、C三組作為對(duì)照實(shí)驗(yàn)，每組12個(gè)型殼。A組在型殼制備過程中，對(duì)漿料粘度進(jìn)行控制，使其面層粘度控制在（411.64±12）mPa·s，過渡層粘度維持在（278.59±8）mPa·s，背層粘度控制在（11.81±0.5）mPa·s，并使用機(jī)械手進(jìn)行沾漿撒砂動(dòng)作;B組在型殼制備過程中，采用人工手動(dòng)制殼的方式，即人工完成涂掛撒砂的動(dòng)作，人工測(cè)量和調(diào)節(jié)漿料粘度，分別將三種漿料粘度控制在40、20、1.5 mPa·s的范圍內(nèi);C組在型殼制備過程中，采用機(jī)械手制殼的方式，即機(jī)械手完成涂掛撒砂動(dòng)作，分別將三種漿料粘度控制在40、20、1.5 mPa·s的范圍內(nèi)。

3）比較三組實(shí)驗(yàn)型殼在室溫和高溫下的型殼強(qiáng)度及熱擴(kuò)散系數(shù)的情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

粉料的自由液分布是決定面層漿料流動(dòng)性的關(guān)鍵。面層漿料不僅能確保型殼內(nèi)表面的平整、光滑和致密，而且能夠精確地覆蓋蠟?zāi)１砻?，完整?fù)現(xiàn)其所有細(xì)節(jié)。因此，漿料粘度和涂掛性能對(duì)于保證質(zhì)量至關(guān)重要。對(duì)于形狀復(fù)雜的模具，涂料的粘度必須適中：過高的粘度會(huì)阻礙涂料進(jìn)入蠟?zāi)５募?xì)小部位，如阻尼臺(tái)、窄槽、深孔等，導(dǎo)致漏涂，進(jìn)而可能使鑄件廢棄;而過低的粘度則可能導(dǎo)致漿料在蠟?zāi)１砻娴酿じ叫圆蛔?，造成涂掛不均勻，最終可能出現(xiàn)鑄件的毛刺和夾雜等缺陷。

圖5為型殼焙燒結(jié)束后，A、B、C三組制殼陶瓷型殼內(nèi)表面形貌照片。

從形貌照片中可以觀察到，型殼的內(nèi)表面并非完全致密，其表面散布著不同大小的孔隙，其中一些孔隙的尺寸甚至超過了10 μm。放大圖像揭示了型殼光滑區(qū)域的皸裂狀組織形態(tài)，這種孔隙狀結(jié)構(gòu)的形成主要是因?yàn)樵诖_保涂料流動(dòng)性的前提下，固含量通常不超過85%。在型殼焙燒過程中，面層涂料中的水分、有機(jī)物質(zhì)和礦化劑等會(huì)揮發(fā)或燃燒，從而留下孔隙。相比B組，A組和C組的孔隙尺寸有所減小，這是由于在沾漿和撒砂過程中，漿料和砂子的涂掛更為均勻，從而減少了物理缺陷的產(chǎn)生。

圖6和圖7展示了不同面層材料型殼試樣的力學(xué)性能對(duì)比分析。

從圖6的室溫抗彎強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以觀察到，B組和C組的型殼強(qiáng)度基本相同，每組平均為12.5 MPa，而A組的型殼強(qiáng)度略高，每組平均為12.96 MPa。這些室溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)表明，三種型殼之間的差異并不顯著。然而，與A組相比，B組和C組的型殼強(qiáng)度波動(dòng)較大。A組的型殼強(qiáng)度偏差約為10%，B組約為25%，C組約為18%。B組在常溫下的型殼強(qiáng)度波動(dòng)明顯，這可能是因?yàn)樵谛蜌ぶ苽溥^程中，人工操作無法精確控制漿料的涂掛量和砂子的附著量，也無法將漿料粘度嚴(yán)格控制在A組要求的范圍內(nèi)。因此，同一批次型殼的涂掛重量和相鄰層數(shù)的型殼厚度不一致，進(jìn)而導(dǎo)致了陶瓷型殼強(qiáng)度的波動(dòng)。

從圖7的高溫強(qiáng)度數(shù)據(jù)觀察到，在1 540 ℃的條件下，B組型殼的平均強(qiáng)度為1.58 MPa，A組型殼的平均強(qiáng)度增加到2.56 MPa，而C組型殼的平均強(qiáng)度增加到2.15 MPa。然而，與A組相比，B組和C組的型殼強(qiáng)度波動(dòng)較大。A組型殼的強(qiáng)度偏差約為9%，B組為30%，C組為15%。型殼強(qiáng)度的增加對(duì)于防止因高溫金屬液體造成的型殼破損和漏鋼現(xiàn)象至關(guān)重要。

隨著溫度的升高，陶瓷型殼的熱擴(kuò)散系數(shù)也隨之改變。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8中，300～1 100 K溫度范圍內(nèi)的熱擴(kuò)散率測(cè)試曲線顯示，三種型殼的熱擴(kuò)散系數(shù)均呈現(xiàn)先下降后緩慢上升的趨勢(shì)。隨著溫度的升高，型殼內(nèi)部物質(zhì)相態(tài)的變化表明，水分的逐漸流失和空間的擴(kuò)大導(dǎo)致熱阻增加。當(dāng)溫度進(jìn)一步上升，正硅酸鋯等物質(zhì)含量的增加使型殼結(jié)構(gòu)通過燒結(jié)變得更加密實(shí)，從而使熱擴(kuò)散率緩慢上升。在更高溫度下，型殼的相變化更為頻繁，導(dǎo)致內(nèi)部擴(kuò)散的相與介質(zhì)的屬性差異增大，增強(qiáng)了熱擴(kuò)散能力。觀察圖8可見，A組型殼的熱擴(kuò)散性能相對(duì)較低，明顯低于B組和C組。這可能是因?yàn)锳組型殼多孔且不夠密實(shí)，而固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱能力最強(qiáng)，液體次之，空氣導(dǎo)熱能力最弱。隨著漿料粘度的增加，陶瓷型殼的體積密度提高，其結(jié)構(gòu)緊密性也在增強(qiáng)，這導(dǎo)致原本由導(dǎo)熱性較弱的空氣填充的小孔被導(dǎo)熱性更優(yōu)的固態(tài)材料所替代，形成了更加致密的結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本研究深入探討了單晶葉片型殼漿料粘度的關(guān)鍵影響因素以及這些因素如何影響型殼的性能和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。通過系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，粉液比和硅溶膠濃度是決定漿料粘度的兩個(gè)主要因素，而Al2O3粉體粒度分布的影響相對(duì)較小。研究結(jié)果表明，通過精確控制漿料粘度，可有效提升型殼的常溫和高溫強(qiáng)度，同時(shí)優(yōu)化熱擴(kuò)散系數(shù)，從而顯著提高單晶葉片產(chǎn)品的合格率和一致性。通過對(duì)不同粘度控制條件下制備的型殼進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析，本文揭示了粘度對(duì)型殼性能演變的影響機(jī)制。盡管本研究在單晶葉片型殼漿料粘度控制方面取得了顯著進(jìn)展，但未來的研究工作仍需進(jìn)一步探索不同類型耐火材料和粘結(jié)劑對(duì)漿料粘度的影響，以及這些因素如何影響型殼的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。本研究的發(fā)現(xiàn)為優(yōu)化鑄造工藝和提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能提供了重要的科學(xué)依據(jù)，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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收稿日期：2024-05-24

作者簡(jiǎn)介：趙洪晨（1999—），男，遼寧遼陽人，碩士研究生，研究方向：航空航天科學(xué)與工程。

通信作者：曹國強(qiáng)（1969—），男，遼寧沈陽人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：金屬學(xué)及金屬工藝。