正硅酸乙酯对硅基陶瓷型芯强化的常温性能研究

时间：2024-05-20

陆丽芳王帅庞佳敏乔经纬

摘要本文主要研究了正硅酸乙酯溶液pH对增强液的稳定性关系，在最佳pH时，正硅酸乙酯浓度、陶芯浸渍次数对陶芯的常温强度和气孔率的影响，采用金相显微镜对增强前后陶芯断口形貌进行了分析，结果表明最佳的浸渍液为正硅酸乙酯、乙醇、水，配比为2：6：5，正硅酸乙酯摩尔浓度为16.7%，浸渍液最佳的pH为5，浸渍次数为2次。通过断口形貌分析，高温增强后的型芯晶体堆积更致密，因此抗折强度增大，气孔率在允许的范围内有所降低。

关键词正硅酸乙酯;硅基陶瓷型芯;常温性能;強化

0 前言

现代航空发动机以及工业燃气轮机涡轮进口温度的不断提高，使得气冷空心叶片的熔模精密铸造技术不断发展，因此这一技术的关键——陶瓷型芯的研制引起了人们的广泛关注。在整个叶片精密铸造过程中陶瓷型芯的工作环境十分恶劣。陶瓷型芯既要具有足够的室温抗弯强度，以抵挡压蜡模时高速蜡液的冲击与制造过程中的各种机械损伤及热损伤，又要具有较高的高温强度，保证在浇注过程中受到高温金属液的物理冲击和热冲击时不发生断裂。

由于氧化硅基陶瓷的热膨胀系数小、机械强度高、表面光洁度好，并且易于用碱液腐蚀，所以在国内外被广泛用作型芯材料。本研究在总结前人经验结论的基础上进一步研究高温强化液的稳定性及高温强化液的浓度、高温强化次数对型芯的室温性能影响，旨在从中找出较合适的强化工艺方法。

1 试验过程

1.1试验原料及设备

试验原料：正硅酸乙酯、乙醇、去离子水、草酸等。

主要设备：磁力搅拌器、真空泵、烘箱、电炉、金相显微镜、电动抗折试验机、显气孔体密测定仪、NDJ-5S数字显示粘度计等。

1.2氧化硅基陶瓷型芯的高温增强

本实验所用的陶瓷型芯增强液，主要组成为一定比例的正硅酸乙酯、乙醇、去离子水，通过10%草酸调节pH为4，水解完成之后用2%的氨水调节溶液pH为4～7，常温抽真空到9×104 Pa，将烧成后的型芯真空浸渍20 min，然后常压再浸渍20 min，去除表面多余溶液，自然干燥，然后烘箱90 ℃烘1 h，最后1 000 ℃烧成。

1.3性能与表征

（1）采用NDJ-5S数字显示粘度计对不同pH陶瓷型芯增强液的粘度进行分析。

（2）采用电动抗折试验机、显气孔体密测定仪对不同浓度型芯增强液的型芯强度和孔隙率分析。

（3）采用电动抗折试验机、显气孔体密测定仪对浸渍不同次数的型芯强度和孔隙率分析。

（4）采用金相显微镜对增强前后的陶瓷型芯进行形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 pH对陶芯浸渍液的稳定性影响（见图1）

由图1可知，所有溶液都表现出剪切变稀的现象，随着剪切速度的增加，溶液粘度逐渐降低。在pH为5时剪切变稀作用最小。通过图1可以看出，在增强液配好一天内测溶液的粘度，随着pH的增加，在pH为4～6溶液的粘度变化较小，当溶液pH为7时，溶液的粘度急剧增大，不可浸渍操作。硅酸乙酯与水在酸性条件下可以发生化学反应生成硅溶胶（-Si-O-Si）x，图1考察了不同pH溶液的稳定性时间，即保持较好的流动性时间，从图1中可以看出，pH由4～7，溶液的稳定时间先增加后减小，酸性太高，溶液易变浑浊，有硅酸沉淀析出，影响溶液的稳定性，pH为5～7，随着pH的增强，加速了硅溶胶生成的反应速度，当pH为7时，增强液在30 min内迅速凝胶，因此陶芯高温增强浸渍液的最佳pH为5。

2.2强化液浓度对型芯强度和孔隙率影响（见图2）

由图2可知，不增强的陶芯抗折强度为9.3 MPa，孔隙率为31.9%，随着正硅酸乙酯摩尔浓度的增加，孔隙率随之减小，基本成线性关系。由于孔隙率的高低是影响型芯压蜡和后期脱芯的关键因素，因此本试验的主要目的是在具有一定抗折强度的范围前提下尽可能地提高型芯的孔隙率。从图2中可以看出，随着正硅酸乙酯摩尔浓度的增加，抗折强度随之增大，与孔隙率成反比。因此最佳的正硅酸乙酯摩尔浓度为16.7%，其中乙醇的摩尔浓度是46.2%，整个反应体系中乙醇为正硅酸乙酯水解反应和缩合反应的产物，随着乙醇含量升高，一方面会抑制反应朝着有利于硅溶胶生成的方向进行，使溶液中硅溶胶的含量降低;另一方面，乙醇对整个反应体系有稀释作用，使整个体系中硅酸乙脂的浓度降低，水、酯接触面积减小，碰撞机率降低，反应速度减慢，导致溶液中硅溶胶的生成量降低。所以随着强化液中硅酸乙酯含量提高，乙醇含量减少，溶液中硅溶胶的含量逐渐增多，当正硅酸乙酯摩尔浓度大于16.7%时，溶液的粘度增大，型芯表面溶液不易被孔隙全部吸收，残留在表面的溶液析出胶冻状SiO2，然后失去水分，变成硬的SiO2颗粒层吸附在试样表面很难去除，表面上看是抗折强度变大，且整个高浓度的硅酸乙酯体系水解不充分，易凝胶，造成很大浪费。因此，最佳的正硅酸乙酯摩尔浓度为16.7%，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩尔比是2：6：5，在该浓度下型芯的抗折强度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

2.3浸渍次数对型芯强度和孔隙率的影响（见图3）

图3试验选择在强化效果最佳的一组强化液中进行，即采用强化液pH为5，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩尔比是2：6：5，每组3个试样型芯分别在其中浸泡1～3次，表面自然风干后在90 ℃烘箱中干燥1 h，冷却后再进行下一次浸泡。由图3可知，未进行任何强化的刚烧结好的型芯试样的抗折强度为9.3 Mpa，孔隙率为31.9%。随着浸渍增强次数的增加，型芯抗折强度增大，孔隙率变小。随着强化次数增多，型芯的开气孔率和室温抗弯强度成反比，这是因为随强化次数增多，型芯中渗入的无定形SiO2随之增多，颗粒与颗粒之间的联系更紧密，导致型芯的抗折强度增大，而开气孔率逐渐降低。当浸渍三次与浸渍两次相比，型芯强度增加的幅度较小，而增加一次浸渍在操作、成本和损坏率上都大幅度提高。综上所述最终确定强化次数为2次，抗折强度由9.3 MPa增加到19.3 Mpa，孔隙率由31.9%降低到29.5%，满足制造叶片的需要。

2.4高温增强前后型芯断口形貌分析（见图4）

图4为型芯高温增强前后的断口形貌金相显微图，其中（a）为未增强，（b）为两次增强。从图中看出，型芯经过2次高温强化后，强化层组织更加致密、均匀，开气孔率减小，基体颗粒之间填充的无定形SiO2小颗粒进一步增多，这些SiO2颗粒在1 000 ℃高温热变形过程中逐渐转变为α-鳞石英，这进一步解释了随着强化次数增多，型芯的强度不断增大的原因。

3 结论

本文对陶瓷型芯高温增强溶液体系及对型芯的性能影响进行了研究，得出结论如下：

（1）陶芯高温增强浸渍液的最佳pH为5，溶液具有较好流动性时间为28天。

（2）型芯增强最佳的正硅酸乙酯摩尔浓度为16.7%，正硅酸乙酯：乙醇：水的摩尔比是2：6：5，在该浓度下型芯的抗折强度是16.1 MPa，孔隙率是30.4%。

（3）型芯高温增强次数最佳为2次。抗折强度由9.3 MPa增加到19.3 Mpa，孔隙率由31.9%降低到29.5%。

（4）型芯高温二次增强后的组织更加致密、均匀，开气孔率进一步减小。

参考文献

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