铸 ・造 Ｍａｒ．２０１２ ３１６・ ＦＯＵＮＤＲＹ Ｖ０Ｉ．６１ Ｎ０．３ 型芯抗弯强度的影响因素及空心型芯的制备技术 李 波 ，于兴福 －一，刘家胜 ，曲殿鹏 ，黄静 ，闫红梅 （１．中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁沈阳１ １００４３； ２．沈阳工业大学材料科学与工程学院，辽宁沈阳１１０８７０） 摘要：采用不同工艺制备了精密铸造用型芯及强度试样，并对型芯的抗弯强度及型芯、铸件合格率进行了研究。研究 结果表明，１ １００℃下烧结的型芯抗弯强度及型芯的成品率均高于１ ０５０℃烧结型芯的抗弯强度及型芯的成品率。室温 下经低温强化型芯的抗弯强度高于“高温＋低温”复合强化型芯的抗弯强度，而单独进行高温强化的型芯的抗弯强度 最小。在１ ３５０℃下，经高温强化和低温强化型芯的抗弯强度均高于９ ＭＰａ。硅溶胶高温强化型芯在１ ３５０℃下的抗弯强 度远低于采用硅酸乙酯进行高温强化的型芯。采用硅溶胶高温强化１ １００℃烧结出的空心型芯，具有较好的抗弯强度及 退让性的组合，而且其成品率较高，同时该工艺可提高铸件的合格率，降低铸件裂纹率。 关键词：陶瓷型芯；精密铸造；抗弯强度；合格率；空心型芯 中图分类号：ＴＧ２４９．５文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—４９７７（２０１２）０３—０３１６—０４ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ Ｆａｃｔｏｒｓ ｏｆ Ｃｏｒｅ Ｂｅｎｄｉｎｇ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｈｏｌｌｏｗ Ｃｏｒｅ ＬＩ Ｂｏ’，ＹＵ Ｘｉｎｇ—ｆｕ ，ＬＩＵ Ｊｉａ—ｓｈｅｎｇ ，ＱＵ Ｄｉａｎ－ｐｅｎｇ ，ＨＵＡＮＧ Ｊｉｎｇ ，ＹＡＮ Ｈｏｎｇ—ｍｅｉ （１．ＡＶＩＣ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｌｉｍｉｎｇ Ａｅｒｏ・Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １ ００４３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １ １０８７０，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｗｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｅｓｔ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｆｉｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ ｃｏｒｅｓ ａｎｄ ｃａｓｔｉｎｇｓ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｒｅ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ １ １ ００℃ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ １ ０５０℃．Ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｃｏｒｅ ｗｉｔｈ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｉＳ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ；ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｃｏｒｅ ｗｉｔｈ ｏｎｌｙ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｉＳ ｔｈｅ ｌｏｗｅｓｔ．Ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈｓ ａｔ １ ３５０℃ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｅｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．ｗｅｒｅ ｂｏｔｈ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ９ ＭＰａ．Ｔｈｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｔ １ ３５０℃ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃａ ｓｏｌ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｉＳ ｍｕｃｈ ｌｏｗｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｅｔｈｙｌ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｈｉｈ ｔｇｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｃｏｒｅｓ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ １ １ ００℃ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃａ ｓｏｌ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ ｐｏｓｓｅｓｓ ｗｅｌｌ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｂｉｌｉｔｙ．ａｎｄ ｈｉｈｅｒ ｇｙｉｅｌｄ．ｗｈｉｃｈ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｉｆｅｄ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｒａｔｅ ｏｆ ｃａｓｔｉｎｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｅｒａｍｉｃ ｃｏｒｅ；ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｃａｓｔｉｎｇ；ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｑｕａｌｉｉｅｄ ｆｒａｔｅ；ｈｏｌｌｏｗ ｃｏｒｅ 随着航空发动机推重比的不断增大，发动机的涡 轮前温度迅速提高。如第三代发动机Ｆ１００的涡前温度 为１ ２００～１ ４００℃，发动机为１ ５７７～１ ６７７℃，未 来发动机的涡轮前温度将超过２ ０００℃。如此高的涡前 温度，远远超过了涡轮叶片材料如镍基、钴基高温合 证叶片壁厚的尺寸精度。陶瓷型芯形成的空心内腔的 气冷作用使空心叶片的最高使用温度提高１００～４００℃， 甚至达６００℃以上，使叶片温度分布均匀性提高，热 应力下降，使用寿命延长，对发动机性能有重大影响。 通过对陶瓷型芯材料及型芯制备工艺的研究，成功制 金本身的极限使用温度。采用精铸空心冷却叶片和空 气冷却技术是当前解决发动机设计中涡前温度与合金 材料极限温度之间矛盾的关键技术之一ｌ１ 。国内学者 在提高陶瓷型芯性能方面进行了大量的研究 。 陶瓷型芯作为形成叶片空心内腔结构的转接件， 备出具有空心结构的陶瓷型芯，并使其在制造某新型 发动机中得到应用。 １ 试验方案 石英玻璃管经粉碎、球磨、水洗、分级、干燥等 工序后，制备出石英玻璃粉，石英玻璃粉化学成分要 其作用是形成空心叶片的内腔形状，并与型壳共同保 收稿日期：２０１１－１ｌ一２３收到初稿，２０１１－１２—１３收到修订稿。 作者简介：李波（１９６６一），男，硕士，研究员级高级工程师，研究方向为高温合金精密铸造。Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｎｓｙｌｍｊＪｙ＠１６３．ｃｏｒｎ 通讯作者：于兴福，男，讲师，博士。Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｘｉｎｇｆｕ＠１６３．ｔｏｍ 铸造 李波等：型芯抗弯强度的影响因素及空心型芯的制备技术 满足表１的要求，粒度符合表２的规定。采用莫来石粉 作为型芯的矿化剂，莫来石粉的化学成分及理化指标 芯强度对铸件成形性的影响。 表１石英玻璃粉化学成分 Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｑｕａｒｔｚ ｇｌａｓｓ ｐｏｗｄｅｒ ｗ：／ｏ ＳｉＯ２ ≥９９．９ Ｋ２０＋Ｎａ２０ ＜０．０６ 满足表３的要求。莫来石粉经预处理后，将制备好的玻 璃料粉、莫来石粉、添加剂、蜡料等混合，制备出型 芯料浆，采用手动压芯机制备试样及实心、空心型芯， 试样横截面尺寸见图１。对试样采用未强化、低温强 表２石英玻璃粉的粒度要求 Ｔａｂｌｅ ２ Ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｑｕａｒｔｚ ｇｌａｓｓ ｐｏｗｄｅｒ 化、高温强化、 “高温＋低温”复合强化工艺进行处 理，制出的样品分别在１ ０５０℃和１ １００℃下烧结。高 温强化在焙烧出炉后进行，分别采用硅溶胶和硅酸乙 酯浸泡１０ ｍｉｎ。采用ＷＤＷ型万能试验机测定试样的抗 弯强度。用制备出的型芯，进行浇注试验，以确定型 表３莫来石粉料理化性能指标 Ｔａｂｌｅ ３ Ｐｈｙｓｉｃｏｅｈｅｍｉｃａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｄｅｘ ｏｆ ｍｕｌｌｉｔｅ ｐｏｗｄｅｒ 抗弯强度要高于经“高温＋低温”复合强化型芯的抗弯 ∞ｄｌ苣 曛静 １００℃烧结出的 强度。对于１ ３５０℃下的抗弯强度，１６ ４ ２ ０ ８ ６ ４ ２ ０ 型芯高于１ ０５０℃烧结出的型芯。 图１型芯试样横截面尺寸 Ｆｉｇ．１ Ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｉｚｅ ｏｆｃｏｒｅ ｓａｍｐｌｅ ２试验结果与分析 测定试样的室温抗弯强度如图２所示。由图可见， １ １００℃下烧结出的型芯抗弯强度均高于１ ０５０℃下烧 结出型芯的抗弯强度。未经强化的型芯在１ １００℃和 １ ０５０℃烧结条件下，其抗弯强度均低于５ ＭＰａ，因此 没有实际应用价值。室温条件下，经过低温强化的试 样具有最高的抗弯强度，达￣１］３５－４０ ＭＰａ，而经“高温 ＋低温”复合强化的试样的抗弯强度次之，其抗弯强度 能够达到２６～３２ ＭＰａ。经高温强化试样的抗弯强度最 低，只有１６￣２２ ＭＰａ。 图３型芯高温抗弯强度 Ｆｉｇ．３ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆｃｏｒｅ ａｔ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 硅溶胶和硅酸乙酯高温强化后型芯在１ ３５０℃下的 抗弯强度见图４。硅溶胶高温强化型芯１ ３５０℃下的抗 弯强度仅１５．３２ １ＶＩＰａ，而硅酸乙酯高温强化后型芯的抗 弯强度为３ １．４ ＭＰａ。硅溶胶强化获得型芯的抗弯强度 远低于硅酸乙酯强化型芯的抗弯强度。 烧结温度／℃ 图２室温条件下型芯的抗弯强度 Ｆｉｇ．２ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆｃｏｒｅ ａｔ ｒｏｏｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 高温强化方式 用硅溶胶进行高温强化的型芯的高温（１ ３５０℃） 抗弯强度如图３所示。从图中可以看出，硅溶胶高温强 图４硅溶胶和硅酸乙酯高温强化型芯的抗弯强度 Ｆｉｇ．４ Ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆｃｏｒｅ ｗｉｔｈ ｓｉｌｉｃａ ｓｏｌ ａｎｄ ｅｔｈｙｌ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ 化无论是单独进行高温强化还是“高温＋低温”复合强 化，型芯的抗弯强度均高于９］ｖｌＰａ。经高温强化型芯的 某发动机用导向叶片在铸造过程中出现大量裂
