室温强化对陶瓷型芯强度的影响

庞佳敏 陆丽芳

摘  要  本文講述了陶瓷型芯目前在航空领域应用的发展前景，阐述了陶瓷型芯性能强化的重要意义，介绍了在采用环氧树脂对陶瓷型芯进行低温增强的过程中各因素产生的影响，研究了高温强化、稀释剂浓度、固化工艺对室温强化陶瓷型芯强度的影响，以及强化液种类的选择。

关键词  陶瓷型芯;环氧树脂;高温强化;稀释剂浓度;固化工艺

0  引  言

现代航空发动机正在向高推重比方向发展，目前提高涡轮的前进口温度是用来提高发动机推重比最直接且有效的办法，然而这一过程就让涡轮叶片在工作过程中所承受的温度提高，解决这一问题的方法主要有2种：（1）使涡轮叶片的承温能力得到提高;（2）提升叶片使用中的冷却技术。目前，1 757 ℃是先进航空发动机涡轮前进口所能达到的最高温度，由于合金受到熔点的限制，单方面的提升合金在使用过程中的承温能力已经无法满足技术市场的需求，所以想要实现这一目标的最佳方法就是叶片冷却技术，生产出高质量、高效率的空心气冷叶片，从而提高叶片使用过程中的冷却效率。由于生产技术的需要，叶片内腔的形状逐渐趋于复杂，一些传统方法例如锻压、电化学等都已无法满足需求，只有通过熔模精密铸造技术，才能切实解决这一问题。

1  实  验

1.1 试样的制备

本实验的研究对象为氧化硅基陶瓷型芯，采用注射成型，将制得的坯体经修边、去毛刺处理后，放在高温电炉内烧结，得到氧化硅基陶瓷型芯试条。配置不同浓度类型的强化液，将试条置于强化液中进行浸泡，然后风干、固化，测量其室温抗弯强度。

1.2 原料的选择

6101环氧树脂、593固化剂、692稀释剂。

1.3 测试方法

测定室温抗弯强度（σw），试样尺寸为3.5 mm×5 mm×70 mm，有效试样数不少于5个。测定方法如下：测量试样的宽度b和厚度h，精确至0.02 mm，在万能材料试验机上进行三点弯曲实验，下支点跨距L为30 mm，记录试样断裂时的最大载荷P，根据公式计算室温抗弯强度。

2  结果与讨论

2.1 高温强化对室温强化陶瓷型芯强度的影响

如表1所示，可以发现未经高温强化、直接室温强化的陶瓷型芯的强度明显高于经过高温强化再室温强化的陶瓷型芯。分析其原因为：型芯经过高温强化，内部的气孔、间隙被二氧化硅所填充，从而降低强化液中环氧树脂分子的进入量，降低了陶芯的强度。

2.2 强化液稀释剂浓度对室温强化陶瓷型芯强度的影响

由图1、表2数据可以发现，随着强化液中稀释剂含量的变化，强化所得的陶瓷型芯的强度呈现为先上升后下降的趋势，当稀释剂的含量为40%时，陶芯的强度达到最高。

2.3固化工艺对室温强化陶瓷型芯强度的影响

由表3所示，依据编号1、2可以发现，经过24 h风干后陶芯试样的强度低于未经风干直接加热固化的陶芯的强度。分析原因为强化液风干，长时间暴露在空气中，内部的一些成分与空气反应，降低了强化的效果。

依据编号2～5得图2，可以发现随着固化温度的升高，陶芯试样的强度不断下降。分析原因为，随着温度的升高， 环氧树脂发生热氧化分解，同时型芯中的方石英也开始发生高低温晶型转变，导致型芯中产生较多裂纹，从而降低型芯的室温抗弯强度。

2.4 强化液类别的选择

如表4所示，表中强化液的组成均是等量的环氧树脂加相同浓度的稀释剂构成，由于固化剂的选择不同，故强化后的效果不同，可以发现两者强化后陶瓷型芯试样的强度差别较小，编号1的强度高于编号2的强度。两种固化剂的选择不同，所对应的的强化现象不同，各有优缺点：

（1）593固化剂优点：强化所得的陶芯样品的强度较高，强化液所能放置的时间较长。缺点：强化液的流动性相较于聚酰胺做固化剂的溶液的流动性低，较适用于形状较为简单的陶瓷型芯样品。

（2）聚酰胺做固化剂优点：所制得的强化液流动性较好，能用于较为精密复杂的陶瓷型芯样品。

缺点：强化所得的陶瓷型芯样品的强度低于593固化强化液强化的样品的强度，并且所制得的强化液放置时间较短，于0.5～1 h后会产生少量的底部沉淀，影响强化效果。

因此，可以依据实际情况选取不同的固化剂。

3  结  论

（1）高温强化会对陶瓷型芯室温强化产生影响，使得室温强化的样品强度降低。

（2）强化液稀释剂的浓度要选择合适，本实验的稀释剂浓度选择为40%最为合适。

（3）不同的固化工艺将对陶瓷型芯室温强化后试样强度产生影响，本实验最佳固化工艺为：样品不经风干，直接120 ℃固化2 h。

（4）不同固化剂的选择对强化过程产生不同的影响，应依据实际情况选择不同的固化剂。

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