【摘要】：隨著航空發(fā)動機(jī)渦輪前沿溫度的不斷提高,對葉片的高溫性能要求愈來愈苛刻,國際上先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)廣泛采用鎳基單晶渦輪葉片,而這類精密葉片成功制備是建立在性能優(yōu)良的陶瓷型殼基礎(chǔ)上。但目前定向凝固用陶瓷型殼高溫下常存在軟化變形、鼓脹、開裂和散熱性差等問題。因此,本文采用復(fù)合礦化劑改性技術(shù)來改善陶瓷型殼高溫力學(xué)性能,進(jìn)而對型殼壁厚減薄來提高散熱性,使型殼達(dá)到“薄壁高強(qiáng)”的效果,首先設(shè)計高嶺土、氧化鎂和氧化釔三組不同配比方案,從三組不同配比下的復(fù)合礦化劑對型殼試樣漿料粘度、涂掛厚度、干燥時間和焙燒后強(qiáng)度等工藝參數(shù)的影響來確定最佳配比方案;其次在確定復(fù)合礦化劑組元最佳配比的基礎(chǔ)上,探究復(fù)合礦化劑對型殼的濕強(qiáng)度、焙燒強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、熱膨脹性、高溫自重變形和抗熱震性等力學(xué)性能的影響;最后通過定向凝固實驗研究改性“減薄”型殼對葉片界面行為和組織的影響,為單晶葉片用“薄壁高強(qiáng)”陶瓷的制備提供理論和實驗依據(jù),并獲得主要研究成果如下:復(fù)合礦化劑改性型殼工藝優(yōu)化實驗結(jié)果表明,復(fù)合礦化劑對漿料粘度、涂掛厚度有一定的增加作用及減少型殼干燥時間效果,其中復(fù)合礦化劑組元高嶺土、氧化鎂、氧化釔三者配比為98:1:1和95:2:3較92:3:5的配比對漿料粘度、涂掛厚度和干燥時間改善效果更為穩(wěn)定;復(fù)合礦化劑能夠有效地改善型殼焙燒后強(qiáng)度,其中高嶺土、氧化鎂、氧化釔配比為95:2:3較98:1:1和92:3:5的兩組配比對型殼焙燒后強(qiáng)度改善效果更為明顯,綜合分析得出復(fù)合礦化劑組元高嶺土、氧化鎂、氧化釔的最佳配比為95:2:3,并相應(yīng)地將面層、過渡層和背層漿料粘度范圍分別優(yōu)化到13~14s、11~12s和9~10s,背層干燥時間范圍可以適當(dāng)縮小到9~10h,型殼焙燒溫度為1200℃。復(fù)合礦化劑改性型殼力學(xué)性能實驗結(jié)果表明,隨著復(fù)合礦化劑含量的增加,型殼的濕強(qiáng)度先增加后減小,在添加量為6%的情況下,濕強(qiáng)度達(dá)到最大值3.86MPa,提升2.93%,焙燒強(qiáng)度不斷增加,當(dāng)添加量為8%時,焙燒強(qiáng)度達(dá)到最大值5.67MPa,提升19.1%;高溫強(qiáng)度先增加后減小,當(dāng)添加量分別為6%時,高溫強(qiáng)度達(dá)到最大值5.06MPa,提升32.1%;當(dāng)燒結(jié)溫度低于1350℃時,線膨脹率不斷增加;而當(dāng)燒結(jié)溫度處于1350℃~1500℃時,線膨脹率先減小后增大,其中添加量為6%的復(fù)合改性型殼在1500℃下的線膨脹率降低至最小值0.64%,高溫自重變形率先減小后增大,當(dāng)添加量為6%時,降低至最小值0.58%,降低28.3%;抗熱震性先增大后減小,當(dāng)含量為6%時,強(qiáng)度損失率降至最小值49.8%。單晶定向凝固實驗結(jié)果表明,改性型殼面層抗變形能力及面層與過渡層的銜接強(qiáng)度都得到了改善,使得面層剝落現(xiàn)象得到緩解,同時,改性型殼面層較平整光滑、致密程度較高,一定程度上能夠阻礙合金液與型殼材料相互擴(kuò)散和滲透,從而降低界面反應(yīng)程度,提高葉片表面光潔度;“減薄”而厚度均勻的改性型殼,能有效地改善型殼散熱性能,提高葉片單晶成形率,降低葉隼及緣板處雜晶的生成,還使得一次枝晶間距和二次枝晶間距平均值分別降低到271.8μm和83.5μm,從而形成更加細(xì)密的枝晶組織。準(zhǔn)確地驗證了“減薄”后的改性型殼不僅高溫力學(xué)性能滿足實際生產(chǎn)要求,而且能更好地改善單晶葉片成形率和組織性能。
【圖文】：

圖 1.1 型殼結(jié)構(gòu)示意圖（a）整體結(jié)構(gòu);（b）局部結(jié)構(gòu)Fig.1.1 Schematic diagram of the shell（a）The overall structure.;（b）The local structure、陶瓷型殼制備流程因粘結(jié)劑的種類不同，熔模精密鑄造主要有硅酸乙酯、硅溶膠兩種制殼工藝，后者由便性，環(huán)保性及價格優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代前者，且考慮到定向凝固澆注對高溫性能要求較高，目前主要采用硅溶膠制備工藝來制備單晶葉片用陶瓷型殼。硅溶膠是一種優(yōu)質(zhì)水基粘結(jié)劑，配制的漿料性能穩(wěn)定，制備工藝簡單，干燥過程無需硬化，所制得的硅溶膠型殼具有高溫強(qiáng)度好、高溫抗變形能力強(qiáng)、抗熱震性好，型殼面粗糙度小、光潔度高等特點，已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于單晶定向凝固葉片的實際[10]。硅溶膠型殼制備工藝一般流程主要包括：蠟?zāi)Ｖ苽洹{料制備、涂掛、干燥、脫焙燒，其流程見圖 1.2。

圖 1.1 型殼結(jié)構(gòu)示意圖（a）整體結(jié)構(gòu);（b）局部結(jié)構(gòu)Fig.1.1 Schematic diagram of the shell（a）The overall structure.;（b）The local structure型殼制備流程結(jié)劑的種類不同，熔模精密鑄造主要有硅酸乙酯、硅溶膠兩種制殼工藝，，環(huán)保性及價格優(yōu)勢，在很多領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代前者，且考慮到定向凝固性能要求較高，目前主要采用硅溶膠制備工藝來制備單晶葉片用陶瓷型殼膠是一種優(yōu)質(zhì)水基粘結(jié)劑，配制的漿料性能穩(wěn)定，制備工藝簡單，，干燥過，所制得的硅溶膠型殼具有高溫強(qiáng)度好、高溫抗變形能力強(qiáng)、抗熱震性好糙度小、光潔度高等特點，已經(jīng)越來越廣泛地被應(yīng)用于單晶定向凝固葉片硅溶膠型殼制備工藝一般流程主要包括：蠟?zāi)Ｖ苽�、漿料制備、涂掛、干，其流程見圖 1.2。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V263

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2656986