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硅基陶瓷型芯的制备及其在镍基合金空心叶片浇注中的应用

作　者: 康海峰
导　师: 李飞
学　校: 上海交通大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 硅基型芯陶瓷浆料流变性高温合金空心叶片
分类号: V263.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本论文以航空发动机镍基高温合金单晶空心叶片为应用对象，采用热压注成型工艺研制和开发了具有机械强度高、抗热冲击性能优良、与改进型CMSX-6高温合金熔体不发生化学反应的硅基陶瓷型芯。在型芯的制备过程中，按照异直径球填充模型优化基体粉料的粒度级配；研究了温度、表面活性剂浓度等因素对陶瓷浆料流变性的影响，并对不同条件下浆料的流变曲线进行了拟合，得到了与其匹配性良好的本构方程。在此基础上，按照优化的粉体级配方法及浆料流变最佳条件，进行了硅基型芯的制备，并对其力学性能、热物理性能、孔洞结构及物相、微观形貌进行了表征和分析。完成了型芯与型壳的组配，并利用自制的硅基型芯通过改进型CMSX-6高温合金空心叶片的铸造试验，系统考察了陶瓷芯、壳与高温合金性能的匹配性及在单晶叶片铸造过程中的适应性，找到和解决了单晶叶片铸造过程中型芯与型壳材料工艺的基本规律和问题。主要研究结果如下：(1)对于硅基陶瓷型芯，粒度满足异直径球填充模型的原料有助于提高填充致密性，保证型芯的高、低温强度；石英玻璃粉粒度分布应呈双峰或多峰分布。(2)温度、表面活性剂浓度对蜡基陶瓷浆料的流变性有重要影响，温度及表面添加剂含量过高或过低，均会对陶瓷浆料的流变性能产生不利影响，本论文确定的最佳压注温度为120℃，表面活性剂油酸的最佳添加量为0.4wt%。蜡基陶瓷浆料属于非牛顿流体，不同温度、浓度下陶瓷浆料不一定满足同一流变本构方程，且蜡基浆料发生剪切稀化行为。(3)在1200℃下初次焙烧后的陶瓷型芯主要晶相为β-方石英，同时仍存在明显的无定形石英玻璃相。经1550℃高温处理后，无定形玻璃相全部转变为方石英相，且型芯烧结程度提高，骨架致密度增大，孔结构更加分明，表面及内部裂纹的数量、长度均增大，残余强度降低，利于型芯的脱除；室温至1400℃之间，硅基陶瓷型芯的线膨胀系数随温度的升高而减小，在1170℃-1350℃之间其线膨胀系数下降趋势骤然加剧；1350℃之后，型芯的线膨胀系数呈上升趋势。(4)硅基陶瓷型芯与型壳采用四点定位结合铂金丝侧翼支撑法可以取得良好的定位效果，型芯能够承受在型壳涂挂、焙烧及高温合金浇注过程中受到的机械力和热应力。按本论文优化工艺所制备的硅基陶瓷型芯能够满足1550℃高温镍基合金单晶叶片的浇注条件，型芯表面与合金成分具有良好的表面适应性，且易侵蚀脱除。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-26
  1.1 前言  12-13
  1.2 陶瓷型芯  13-22
    1.2.1 陶瓷型芯的性能要求  13-14
    1.2.2 陶瓷型芯基体材料的选择及研究现状  14-18
    1.2.3 矿化剂  18-19
    1.2.4 陶瓷型芯的制备工艺  19-21
    1.2.5 陶瓷型芯的脱除  21-22
  1.3 型芯与型壳的定位  22-23
  1.4 选题依据及研究目标  23-24
    1.4.1 选题依据  23-24
    1.4.2 研究目标  24
  1.5 研究内容  24-26
第二章实验材料与研究方法  26-36
  2.1 实验方案  26-32
    2.1.1 型芯制备方案  26
    2.1.2 实验材料  26-28
    2.1.3 工艺流程  28-32
  2.2 实验设备  32
  2.3 性能测试及设备  32-35
    2.3.1 孔隙比表面积、孔隙率及体积密度  32
    2.3.2 抗弯强度测试  32-33
    2.3.3 高温挠度  33-34
    2.3.4 浆料流变性测试  34
    2.3.5 收缩率  34-35
    2.3.6 线膨胀率  35
  2.4 材料分析  35-36
    2.4.1 粒度分析  35
    2.4.2 化学成分分析  35
    2.4.3 物相分析  35
    2.4.4 显微结构观察  35-36
第三章陶瓷型芯浆料流变性的研究  36-51
  3.1 前言  36
  3.2 石英玻璃粉的粒度分析  36-39
  3.3 温度对浆料流变性的影响  39-43
  3.4 表面活性剂浓度对浆料流变性的影响  43-50
    3.4.1 油酸改善蜡基陶瓷浆料流变性的原理  43-44
    3.4.2 油酸浓度对蜡基浆料流变性的影响  44-50
  3.5 本章小结  50-51
第四章陶瓷型芯的制备及性能表征  51-62
  4.1 前言  51
  4.2 硅基陶瓷型芯的制备  51-53
  4.3 陶瓷型芯的性能表征  53-60
    4.3.1 比表面积、孔隙率和体积密度  53-54
    4.3.2 陶瓷型芯的线膨胀性能  54-55
    4.3.3 陶瓷型芯的力学性能  55-56
    4.3.4 陶瓷型芯的相组成分析  56-57
    4.3.5 陶瓷型芯的微观形貌分析  57-60
  4.4 本章小结  60-62
第五章陶瓷型芯在单晶空心叶片制备中的应用研究  62-70
  5.1 前言  62
  5.2 空心叶片浇注用型芯与型壳模具的组合  62-65
  5.3 镍基高温合金空心叶片的浇注  65-67
  5.4 高温合金浇注后型芯残留分析  67-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章结束语  70-72
  6.1 全文总结  70-71
  6.2 研究展望  71-72
参考文献  72-77
致谢  77-78
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  78

硅基陶瓷型芯的制备及其在镍基合金空心叶片浇注中的应用

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