纤维增强熔模铸造复合型壳的性能及断口形貌

吕 凯 刘向东 李艳芬 冯 华 王 浩

(内蒙古工业大学 材料科学与工程学院，呼和浩特010051)

熔模精密铸造是当前制造航空航天零部件的主要技术之一［1］.航天、航空技术的发展，对所用熔模铸件质量不断提出更高的要求.因此，作为获得高质量铸件的前提，型壳必须具有优良的常温、高温强度，优良的化学稳定性，且必须具有较低的残留强度来保证脱壳工序的进行［2］.为提高其强度，尤其是其湿强度，传统的方法有采取额外的加固措施［3］，或采用多层复合技术来制备型壳，而增加型壳层数则需吹强风干燥工艺来缩短制壳周期［4］.这虽可在一定程度上解决部分问题，但又会使得型壳厚度过厚、透气性差，浇注后铸件清理困难.因此，开发一种具有高强度、薄壁的增强型精铸型壳制备技术就显得尤为迫切.

研究表明，纤维增强混凝土中，大量乱向分布的纤维可以有效地防止混凝土的早期开裂，提高混凝土的韧性、抗冲击、抗渗、抗疲劳等耐久性［5-8］.这一领域的研究以及所取得的技术成果为纤维增强型壳制备技术的研究与开发提供了极具参考价值的思路与线索.在熔模铸造生产中，通过纤维增强的金属基复合材料也已有大量的研究［9-10］.而采用纤维来增强精铸型壳的研究虽已开展［11-15］，但仍处于起步阶段，尚不深入，如纤维的种类、长度、直径以及加入量、加入方式等参数对型壳性能的影响规律以及制壳过程中纤维的团聚、缠绕等诸多问题仍有待进行系统研究.

硅酸铝具有低的热传导率、优良的热稳定性及化学稳定性.因此，提高增强型壳的高温强度，硅酸铝纤维就是一个非常有吸引力的选择.天然植物纤维价廉、来源广且润湿性较好，用其制备的增强型壳在焙烧时烧失形成空隙会有效降低型壳残留强度.

前期研究发现，采用单一天然植物增强或硅酸铝纤维增强型壳的湿强度均显著提高;相同纤维加入量条件下，采用单一硅酸铝纤维增强型壳的湿强度达到最大值(3.34 MPa)，略高于采用单一天然植物增强型壳的湿强度最大值(3.28 MPa).但采用单一植物纤维增强的型壳焙烧后强度有所降低，最大降幅约20%;而采用单一硅酸铝纤维增强型壳的焙烧后强度最大增幅则达50%.型壳的焙烧后强度过高，铸件浇注后残留强度也高，铸件清理困难.从这个角度考虑，希望型壳的焙烧后强度不宜过高，但也不能太低(过低型壳在金属压力下易开裂或变形导致铸件精度降低).因此，采用天然植物/硅酸铝双纤维混合增强型壳，发挥其对型壳性能影响的互补性，焙烧后型壳强度仍介于采用单一天然植物增强型壳与采用单一硅酸铝纤维增强型壳的焙烧后强度之间，或许能较好地解决上述问题.考虑两种纤维单一增强时，湿强度提高效果相近，而对型壳的焙烧后强度的影响相反，相互抵消后，焙烧后强度略有提高，不会明显影响型壳的溃散性，故两种纤维的比例1∶1选择.基于此，本文通过在制壳用涂料中掺入一定量天然植物纤维和硅酸铝纤维来制备精铸用纤维增强型壳，并对不同纤维加入量条件下的纤维增强型壳试样的常温及焙烧后抗弯强度、高温自重变形量的变化规律进行研究，为获得高强度型壳的制备工艺，并实现在熔模铸生产中的广泛应用奠定技术基础.

1 试验材料及方法

1.1 试样制备

试验中选用的硅酸铝纤维直径为φ7～9 μm，长度为4～6 mm.天然植物纤维为芦苇纤维，直径φ7～11 μm，长 3 ～5 mm.制壳用面层和过渡层涂料中均不加纤维.纤维加入到背层及封浆层涂料中，其总加入量按涂料中耐火粉料质量的0.2%～1.0%变化，其中硅酸铝纤维与天然植物纤维质量比为1∶1.试验中型壳试样制备工艺如表1所示.型壳在室温下干燥，焙烧温度为900℃，保温120min.

表1 型壳试样制备用材料Table 1 Materials for preparation of shell samples

1.2 试验方法

试验用型壳试样的尺寸为40 mm×20 mm×6 mm.采用三点弯曲试验法在室温下对型壳试样进行强度测试.在XQY-Ⅱ型智能型砂强度仪上测试弯曲强度.用荷兰QUANTA400型扫描电子显微镜对型壳试样的断口形貌进行观察.

高温自重变形试样为圆环状，其内径为φ88 mm，外径为 φ100 mm，厚 20 mm.试样经900℃ ×120 min焙烧冷却至室温后，再装入高温炉升温至1200℃，保温60 min，冷却至室温后测量试样经高温自重变形后的外径尺寸.然后再根据式(1)计算出该试样的变形量.

式中，δt-τ为试样在一定温度和时间下的变形量，%;A为试样的初始外径，mm;B为试样变形后的外径，mm.

2 结果及讨论

2.1 型壳试样的常温强度(湿强度)

图1为型壳试样随纤维加入量不同其常温抗弯强度的变化曲线.由图1可知，纤维加入到涂料中，并制成型壳试样后，随着涂料中纤维加入量的增加，试样的抗弯强度逐渐增大，但当涂料中纤维加入量超过0.6%后，试样的抗弯强度开始明显下降.在纤维加入量为0.6%时，试样的抗弯强度达到最大值2.94 MPa，较未加纤维进行增强的型壳试样提高了约30%.纤维加入量为1.0%时，试样的抗弯强度较低，仅为1.84 MPa.

图1 双纤维加入量对型壳试样常温抗弯强度的影响Fig.1 Effect of double-fiber addition on bending strength of green shell samples

型壳试样采用纤维增强后，纤维加入量不超过0.6%时，由于硅溶胶与纤维的界面结合形成了有效的受力骨架，强化了耐火粉料和粘结剂的连接.因此，在纤维加入量为0.2% ～0.6%时，其强度得到提升.但是，纤维在型壳中发挥增强作用的前提是纤维在基体中要能够均匀分散，使外加应力通过界面传递，作用到纤维上，发挥增强作用.硅溶胶型壳强度是随着硅溶胶干燥转变为冻胶而建立起来的，当纤维加入量超过0.6%时，由于大量的纤维在涂料混制过程中出现团聚、缠绕，进而在型壳试样内部局部大量聚集，而得不到充分分散，增强效果显著降低.同时，大量团聚甚至缠绕的纤维存在于型壳层中，型壳干燥及焙烧后，留下了连续、集中的微观孔隙，这些空隙在承受载荷时会成为裂纹产生和扩展的主要来源，导致强度降低.同时，涂料中纤维加入量过大时，涂料的黏度明显增大，施涂难度增大甚至出现涂料堆积，堆积层脱水收缩量大，导致涂层中孔隙和初始裂纹数量增加，从而促使型壳试样在承受载荷时迅速断裂，抗弯强度大幅降低.

图2 常温型壳试样断口形貌Fig.2 SEM images of fracture surface morphology of the green shell samples

图2为不同纤维加入量条件下所制备的增强型壳试样的断口形貌.从图2a、图2b可以发现，断口只有少量纤维存在，这是由于涂料中纤维加入量较少所致，但可观察到天然植物纤维和硅酸铝纤维交叉分布，无明显方向性，且分散较均匀.两图中标示位置纤维均有部分制壳材料粘附，同时还有与显微直径相近的圆孔存在，这说明型壳试样在承受载荷破坏时，除传统制壳材料的断裂外，还包括纤维以界面脱粘、拔出等形式失效.其中图2b局部放大区域可以观察到纤维四周存在着微细裂纹，且裂纹在纤维处终止，这说明裂纹沿着型壳断裂前端运动到纤维与基体形成的界面时，由于纤维脱粘、拔出，使得裂纹扩展的能量在界面处被消耗，这也在一定程度上提高了型壳试样的承载能力.纤维加入量为0.6%时的断口形貌如图2c所示，标示处可观察到纤维拔出后遗留的孔洞，并且视场内的两种不同直径的纤维均匀分布，试样破坏时，纤维以脱粘、拔出或断裂的形式失效.试样中纤维的脱粘、拔出或断裂均需消耗能量，因此，宏观上体现为抗弯强度的增加，裂纹扩展迟滞，这与图1结果相对应.当型壳中纤维加入量分别增加到0.8%和1.0%以后，如图2d、图2e所示，纤维在涂料中分散性变差，甚至在型壳试样中出现集束现象(试样破坏时剥离或脱粘后遗留平行的圆孔或槽)，这些大量的分布方向相似、位置相同相近的纤维束对型壳试样虽然仍有增强作用，但增强效果大大降低(试样断口表面纤维的弯曲表明，试样在破坏时纤维仍具有增强作用).而集束纤维的存在会对试样基体产生严重的割裂作用并造成大量微裂纹的集中，其对型壳的破坏作用远超过纤维增强作用，二者综合作用导致型壳试样的抗弯强度明显降低.

2.2 不同焙烧温度下型壳试样的强度

焙烧工艺是制备高质量型壳的一个关键环节.图3为不同焙烧温度下纤维增强复合型壳试样的抗弯强度变化.

图3 双纤维加入量对型壳试样焙烧后弯曲强度的影响Fig.3 Effect of double-fiber addition on bending strength of fired shell samples

由图3可见，相比于未用纤维增强型壳试样，加入0.6%纤维的增强型壳试样，经900℃温度焙烧后，试样的抗弯强度有所降低，仅为4.04 MPa，与未进行纤维复合增强的型壳试样的抗弯强度接近.加入0.2% ～0.6%纤维的增强型壳试样，分别经950℃及1000℃焙烧后，其抗弯强度均有不同程度提高.其中，加入0.6%纤维的增强型壳试样，950℃焙烧时，其抗弯强度值达到最大，为5.04 MPa，继续增加型壳中纤维的加入量，试样的抗弯强度则开始大幅降低.

采用两种纤维混合增强型壳时，纤维对复合型壳试样的影响有两个方面:一方面，焙烧后的纤维复合型壳试样内部可以看作是含有大量孔隙的多相多孔体.多孔体强度随孔隙率的增加而减少，型壳试样中的植物纤维在焙烧过程中烧失，会增加型壳试样内部的孔隙率，即减少了承载面积，降低型壳强度.另一方面，硅酸铝纤维在焙烧后依然存在于型壳试样中，并由于高温焙烧使得纤维与基体间紧密连为一体，纤维复合增强的作用使型壳试样的强度获得提高，且硅酸铝纤维在脱粘、拔出过程中留下了较为规整的圆形孔洞(其孔径近似于纤维直径)，相比型壳原有的带有尖角的孔隙，对型壳的割裂作用也更弱.因此，型壳中纤维加入量为0.2%～0.6%时，硅酸铝纤维的增强作用要大于天然植物纤维的割裂作用，所以型壳试样的抗弯强度相比未加入纤维增强的型壳试样略有升高.纤维加入量继续增加后，天然植物纤维的作用占主导，导致型壳抗弯强度降低.

2.3 型壳试样的高温自重变形量

精铸型壳的作用在于容纳高温金属液并使其冷却凝固.铸件越大，型壳质量越大，会导致其在自重条件下变形加剧，在高温焙烧过程中这种变形显得尤为严重.因此，控制型壳试样高温自重变形量是确保型壳质量的另一个关键.图4为型壳中不同纤维加入量对试样高温自重变形量的影响.由图可见，当纤维加入量小于0.4%时，随着纤维加入量增加，型壳试样的高温自重变形量逐渐降低.纤维加入量超过0.4%时，试样的高温自重变形量开始逐渐增大.纤维加入量为0.4%时，高温自重变形量最小，仅为0.75%.

图4 双纤维加入量对高温自重变形量的影响Fig.4 Effect of addition of double-fiber on deformation under weight at elevated temperature

天然植物纤维的加入对焙烧后的复合型壳的影响，在本质上与传统型壳没有太大的差别，只是相比后者空隙数量相对更多一些，使得型壳的承载面积进一步减小.由于天然植物纤维在焙烧前期较低的温度下便被烧失，如果纤维烧失前在型壳中的分布均匀，这些在型壳焙烧早期就增加的孔隙就可以降低型壳整体的刚性，使型壳在焙烧过程中各膨胀区域之间的退让性得到改善，减少或消除型壳由于受热而产生的热膨胀，减小型壳内的应力及减轻应力集中，进而使型壳的变形得到不同程度的抑制.同时，在高温下材料断裂或变形由高温蠕变机制控制，裂纹扩展时，硅酸铝纤维会消耗部分能量，对裂纹扩展的阻扰能力明显优于未加纤维的型壳试样，所以型壳在加入0.2%～0.8%纤维增强时，其自重变形量均低于1.0%，能满足精铸件的生产要求.当纤维加入量为1.0%时，由于大量纤维在型壳试样中以集束状存在，天然植物纤维在烧失后所遗留的连续空隙会促使型壳在高温下的变形，即自重变形量增大.

3 结论

1)天然植物/硅酸铝双纤维加入量从0.2%～1.0%变化时，常温抗弯强度先增大后减小，加入量为0.6%时，达到最大值2.94 MPa，较未添加纤维进行增强的型壳试样提高了约30%;

2)天然植物/硅酸铝双纤维加入量为0.6%，900℃的温度焙烧后，型壳试样的抗弯强度与未添加纤维的型壳试样相同;

3)随天然植物/硅酸铝双纤维加入量的增加，型壳试样的高温自重变形量先减小后增大，加入量在0.2% ～0.8%时，变形量均低于1%;

4)天然植物/硅酸铝双纤维增强硅溶胶型壳试样受力破坏失效主要由于硅溶胶凝胶膜的断裂、硅酸铝纤维拔出、断裂及脱粘等综合作用所致.

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