隨著科技水平的提高，航空發(fā)動機(jī)技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，極大地提高了飛機(jī)的性能。與此同時，對飛行器動力水平的要求越來越高，其中提高推重比是改善發(fā)動機(jī)性能最有效的方式，研究表明，每當(dāng)渦輪前進(jìn)口溫度提高100℃時，發(fā)動機(jī)的推力就大約增加10%。推重比的提高是基于渦輪進(jìn)口燃?xì)鉁囟鹊奶岣撸?span style="font-family: 宋體;">也即“火力越足，推力越強(qiáng)”。但單純依靠提高材料的承溫能力和采用隔熱措施已無法滿足服役需求，因此，通過復(fù)雜氣冷內(nèi)腔結(jié)構(gòu)改善渦輪葉片散熱能力已成為先進(jìn)發(fā)動機(jī)制造的關(guān)鍵，而陶瓷型芯是制造這種內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的核心部件，內(nèi)腔形狀越復(fù)雜，冷卻效果越優(yōu)異。

航空發(fā)動機(jī)的內(nèi)腔由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜對于加工是一項挑戰(zhàn)，用熔模精密鑄造進(jìn)行加工時，普通加工方法由于存在很多無法完成的工序，于是各種類型的陶瓷型芯被發(fā)明并廣泛運用。陶瓷型芯的性能直接影響到精鑄件的合格率和產(chǎn)品的質(zhì)量，在澆注單晶高溫合金葉片時，陶瓷型芯與高溫合金液發(fā)生復(fù)雜的交互作用，要求陶瓷型芯具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性，因此，不斷改進(jìn)陶瓷型芯的基體材料和制造工藝對于增強(qiáng)陶瓷型芯各項性能十分重要。

陶瓷型芯主要由耐火基體材料、礦化劑和添加劑組成，一般分為氧化硅基和氧化鋁基兩種，而氧化鋁由于高溫性能更好，在高端渦輪部件的制造中更有應(yīng)用潛力。

氧化鋁陶瓷型芯的優(yōu)缺點

氧化硅基陶瓷型芯以石英玻璃粉為基體材料，添加莫來石、氧化鋁、錯英粉等為礦化劑以提高陶瓷型芯的性能。氧化硅陶瓷型芯具有熱膨脹系數(shù)小、耐火性好、較高的室溫和高溫強(qiáng)度、易被堿液腐蝕等優(yōu)點。

與氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化鋁基陶瓷型芯具有更好的高溫化學(xué)穩(wěn)定性、高溫抗蠕變性，使用溫度更高（最高溫度可達(dá)1850℃），可保證內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的定向柱晶和單晶空心葉片的尺寸精度和合格率，并能降低葉片的制造成本，且鋁基陶瓷型芯與型殼的熱膨脹幾乎相同，適合制造高級別的渦輪葉片。

發(fā)動機(jī)渦輪葉片

但氧化鋁基陶瓷型芯存在以下幾點問題：

（1）氧化鋁的熔點極高（2054℃），較難進(jìn)行燒結(jié)，需要添加氧化鎂、氧化硅等物質(zhì)促進(jìn)燒結(jié)，在實際生產(chǎn)中對實現(xiàn)高精確度及良好燒結(jié)性能的技術(shù)要求較高；

（2）由于葉片澆注后需要將其中的陶瓷型芯脫除后才能投入使用，而氧化鋁基陶瓷型芯的主要成分是剛玉，它在常溫和常壓下幾乎不與濃酸濃堿反應(yīng)，因此較難脫除，而且在脫芯過程中葉片表面會出現(xiàn)不同程度的腐蝕，從而降低了高效氣冷葉片合格率。

對于以上問題，由于凝膠注模成型工藝可以成型尺寸精度要求較高的陶瓷型芯坯體，而且燒結(jié)后的試樣強(qiáng)度較高、均勻性較好，可提高型芯產(chǎn)品的合格率，采用凝膠成型的陶瓷型芯也會降低其脫除過程的難度，所以開展氧化鋁基陶瓷型芯凝膠成型技術(shù)也是目前的一項研究重點。

凝膠注模成型

氧化鋁基陶瓷型芯制備方法

陶瓷型芯的成型方法主要有熱壓注成型法、凝膠注膜成型法、灌漿成型法及三維（3D）打印技術(shù)等，它們的工藝特點、脫芯方法，以及優(yōu)缺點如下表所示。

陶瓷型芯的成型方法

影響氧化鋁陶瓷型芯性能的因素

1. 粉料粒度

粉料粒度對陶瓷型芯的性能有很大影響，基體粉料比表面積的大小決定其遷移能力的高低，當(dāng)粉料比表面積越小時，顆粒的表面結(jié)合力就越大，顆粒間相互吸引結(jié)合的能力越高，促進(jìn)燒結(jié)致密化的進(jìn)行。

由于葉片澆鑄后需要將其中的陶瓷型芯脫除后才能投入使用，而陶瓷型芯的脫除效率與陶瓷型芯的氣孔率有很大關(guān)系，通常氣孔率高的型芯澆鑄后比較容易脫除，而粒度分布對陶瓷型芯氣孔率的影響是造成陶瓷型芯性能變化的主要原因，粒度粗細(xì)分布均勻的粉料型芯綜合性能最佳。

2. 礦化劑

礦化劑由于與基體材料可能發(fā)生反應(yīng)，生成固溶體、使晶格活化、或者是在燒結(jié)溫度下形成液相并將基體材料粘接、或者能阻止基體材料發(fā)生多晶轉(zhuǎn)化，能促進(jìn)型芯的燒結(jié)，降低陶瓷型芯的燒結(jié)溫度或縮短燒結(jié)時間。。

作為氧化鋁陶瓷型芯用礦化劑，其作用一方面是降低型芯的燒成溫度，另一方面保持型芯具有理想的高溫性能。氧化鋁陶瓷型芯常用的礦化劑有MgO、SiO₂、TiO₂及稀土氧化物。

3. 燒結(jié)工藝

在制成過程中，燒結(jié)制度的設(shè)定尤為關(guān)鍵，燒結(jié)參數(shù)設(shè)計是否合理決定陶瓷性能的好壞。

若燒結(jié)工藝不合理，缺陷率增大，導(dǎo)致陶瓷性能下降，甚至報廢。凝膠注模成型陶瓷型芯在燒結(jié)過程中包含脫脂和燒結(jié)兩個部分，燒結(jié)過程中任何一階段都會對陶瓷型心性能產(chǎn)生重大影響，而工藝參數(shù)設(shè)定不合理造成缺陷率增加，且燒結(jié)溫度的高低和保溫時間的長短均對型芯的體積密度、氣孔率、力學(xué)性能等方面有較大影啊，燒成溫度越高，保溫時間越長，可使陶瓷型芯的氣孔率降低，體積密度升高，型芯的力學(xué)性能增加。

總結(jié)

高效氣冷葉片的出現(xiàn)將使型芯的制造成為關(guān)鍵技術(shù)，與傳統(tǒng)葉片相比較，冷卻結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、葉片壁厚更薄，這將使型芯的制造工藝更復(fù)雜，尺寸更小，對性能的要求更高。對于氧化鋁基的型芯材料而言，保障其高性能的同時，其化學(xué)穩(wěn)定性也帶來了難以從零件中去除的問題，尤其是對于形狀復(fù)雜、通道細(xì)小的型 芯更是如此，更有效且更簡便的脫芯方法仍有待研究。

目前凝膠注模成型是一種解決方向，但由于這種原位成型工藝在坯體排出有機(jī)物后，其內(nèi)部留下較多的孔洞，會使陶瓷的強(qiáng)度等綜合性能有所而下降，如何平衡之間的性能，是行業(yè)需要關(guān)注的問題，持續(xù)探尋具有更大經(jīng)濟(jì)效益及高精密性、高性能的型芯制造工藝。

參考來源：

1. 氧化鋁基陶瓷型芯材料制備及性能研究，梁啟如（沈陽工業(yè)大學(xué)）；

2. 高溫合金葉片鑄造用氧化鋁陶瓷型芯充型性能的研究，楊冬野（哈爾濱工業(yè)大學(xué)）；

3. 陶瓷型芯在航空發(fā)動機(jī)葉片生產(chǎn)中的應(yīng)用與發(fā)展，熊建平、趙國慶、戴斌煜、商景利、王薇薇（南昌凱馬有限公司；南昌航空大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）。

粉體圈 小吉

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