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蓝晶石在复合陶瓷产品中的应用及起到的作用

发布时间:2021/01/26 行业新闻 标签:耐火砖浏览次数:165

随着熔模铸件品种的日趋多样化,陶瓷型芯的使用量逐渐增加。现有的氧化硅陶瓷型芯高温活性大,在陶瓷与金属的界面上易产生气孔和粘砂,氧化铝陶瓷型芯则难以从铸件中脱出,陶瓷型芯性能差直接导致熔模铸件生产滞后。

为了改善陶瓷型芯的性能,提高熔模铸件的生产效率,张伟以莫来石、蓝晶石、α-Al₂O₃微粉和石英粉为原料,制备出具有耐高温、抗热腐蚀、强度高等优良性能的Al₂O₃/SiO₂复合陶瓷型芯,该复合陶瓷型芯克服了氧化铝、氧化硅等陶瓷型芯强度低、高温变形大及脱芯困难等缺点。

结果表明:随着蓝晶石含量的增加,材料的吸水率增大,显气孔率增大,体积密度减小。当加入量w(蓝晶石)=19%时,陶瓷型芯具有良好的性能,达到应用的要求。制备Al₂O₃/SiO₂复合陶瓷型芯的最佳工艺为:原料配比为(质量比)莫来石∶蓝晶石∶α-Al₂O₃微粉∶石英粉=14∶4∶2∶1,烧成温度为1500℃。制备的复合陶瓷型芯的吸水率为20.9%,显气孔率为36%,体积密度为1.96g/cm3,弯曲强度为28.2MPa。

由XRD曲线看出,随着烧成温度的升高,试样中Al₂O₃相、SiO₂相和蓝晶石相逐渐消失,1500℃烧成后仅有莫来石相。由SEM照片看出,1500℃烧成后材料的气孔率较小,颗粒尖角圆钝,粘接紧密,粒度搭配较合理,大颗粒与小颗粒相互交错,宏观上表现为材料具有较高的强度。将研制的Al₂O₃/SiO₂复合陶瓷型芯大规模投产应用,使用结果表明:使用此型芯浇铸的铸件尺寸精确、表面光洁、质量良好,并且可应用于多种规格熔模铸件,年产量达到200~300万个。

在熔模铸造中,复杂狭窄的铸件内腔采用常规的浸渍涂料、撒砂等工序根本无法实施,通常采用预制陶瓷型芯来形成内腔,例如航空发动机空心涡轮叶片。叶片的冷却通道迂回曲折,形若迷宫,对于这样的铸件就必须采用陶瓷型芯。新一代高效冷却航空发动机叶片正是高性能航空发动机的关键,而高效冷却的航空发动机叶片必需具有复杂细微结构的陶瓷型芯。这种型芯很薄,非常精细,结构极其复杂。

在材质的选择上,由于陶瓷型芯在定向凝固条件下需要在高温金属液中保持很长时间,因此硅基陶瓷型芯已经不能适应高级单晶和共晶叶片的浇注条件;而氧化铝基陶瓷型芯化学稳定性好,抗蠕变性能好,可保证内腔结构复杂叶片的尺寸精度,因此很适合高级单晶和共晶浇注条件使用。但在实际生产中,陶瓷型芯的制造一直是空心叶片生产中的瓶颈,因此需要不断改进陶瓷型芯材料和制造技术。覃业霞等[59]以刚玉粉、蓝晶石粉和MgO粉为原料,以碳粉作为易溃散剂,研究了蓝晶石对氧化铝基复合陶瓷型芯性能的影响。结果表明:随着蓝晶石含量的增加,陶瓷型芯的线收缩率减小,显气孔率增加,线膨胀系数减小。陶瓷在烧结过程中,随着温度的升高会产生烧结收缩,同时蓝晶石的分解反应以及二次莫来石化反应会产生膨胀,因此烧结后材料是膨胀还是收缩,是上述膨胀和收缩几方面共同作用的结果。蓝晶石在高温下分解带来的体积膨胀可以提高陶瓷型芯的抗蠕变性能,同时分解产物莫来石在陶瓷型芯内部形成了高强的网络互锁,在高温单晶铸造条件下,阻隔了液相的粘滞流动,使型芯的高温变形速率下降。国外方面,氧化铝基陶瓷型芯在俄罗斯应用较为广泛。英、美等国在复杂薄壁的单晶叶片及共晶叶片上也使用氧化铝型芯。

此外,以蓝晶石为原料还可制备出其他类型陶瓷。莫来石陶瓷具有高熔点、抗蠕变性、低膨胀系数、抗热震性及抗腐蚀性优良等特点,已在工业中获得广泛应用。莫来石陶瓷主要是以人工合成的莫来石为原料,采用烧结法生产的,该方法需预先制备莫来石熟料,因而工序复杂、能耗高(制品烧成温度为1550℃~1600℃)。为此,李博文等以蓝晶石微粉和αΣAl₂O₃微粉为原料,烧结温度为1350℃,利用如下反应:

2(Al₂O₃·SiO₂+Al₂O₃→3Al₂O₃·2SiO₂

采用一步煅烧法制备出莫来石陶瓷。结果表明:以该法制备的莫来石陶瓷的体积密度为2.09g/cm3~2.12g/cm3,气孔率为25.58%~28.54%,常温耐压强度为180.87MPa~315.30MPa,烧结过程中的体积收缩率为0.49%~2.73%。用该法制备的莫来石陶瓷与采用传统烧结法制备的同类产品相比,工艺流程简化,烧结温度降低200℃~250℃,在材料气孔率较高的情况下,材料的耐压强度仍得到较大幅度的提高;与以红柱石微粉为原料的制品相比,烧结温度降低50℃,耐压强度明显提高,显气孔率、线收缩率和体积收缩率下降。李静也以蓝晶石、刚玉、氧化硅粉、氧化铝粉为原料,以聚乙烯醇(PVA)为结合剂,利用蓝晶石在高温下分解产生的莫来石与刚玉复合,制备出莫来石-刚玉复合陶瓷。结果表明:蓝晶石的膨胀性能抵消或减小了陶瓷烧结过程中的收缩比例,并且增强了陶瓷的抗折强度。Rahbar等研究了4种粒度范围(45μm~63μm,63μm~90μm,90μm~125μm,125μm~250μm)的蓝晶石对合成莫来石陶瓷抗热震性能的影响。

结果表明:由大颗粒尺寸范围的蓝晶石制备的烧结体具有更大的气孔率和更佳的抗热震性能。Lowell等[63]研究表明,气孔的存在能够改善脆性材料的抗热震性能,尤其是孔径小、分布均匀的气孔。在本试验中,由125μm~250μm蓝晶石制备的烧结体经过1280℃至水冷(5℃)热震循环后具有最佳的抗热震性能,这也验证了Lowell等的研究。但在气孔率一定的情况下,随着气孔尺寸的增大,气孔对改善脆性材料抗热震性能的贡献逐渐下降。

堇青石陶瓷具有热膨胀系数低、抗热震性好、抗化学侵蚀性好和介电性能好等一系列优点,是一种重要的工程陶瓷材料。制造堇青石陶瓷的原料为镁质和氧化铝质原料,其中镁质原料主要为:滑石、镁石、镁橄榄石等矿物,如:纯橄榄岩、蛇纹岩;氧化铝质原料主要为:高岭石和高岭石质粘土。对于俄罗斯而言,几乎所有的高岭石质粘土矿床均位于俄罗斯境外,因此高岭石质粘土属于稀缺原料。俄罗斯的一项研究表明:采用俄罗斯希佐瓦拉矿山蓝晶石精矿、方镁石和卡列利亚地区产的滑石、绿泥片岩为原料,可以制备出堇青石陶瓷,并以蓝晶石为原料制备的堇青石陶瓷与以传统原料高岭石制备的堇青石陶瓷进行了性能对比。

配料组成分别为:

(a)蓝晶石精矿、石英和方镁石;

(b)高岭石、石英和方镁石;

(c)蓝晶石精矿和滑石、绿泥片岩。

各配料合成堇青石的原理分别为:

(a)蓝晶石分解产生莫来石,莫来石与二氧化硅和方镁石(MgO)反应形成堇青石,反应式为:

3(Al₂O₃·SiO₂)→3Al2O3·2SiO₂+SiO₂

2(3Al₂O₃·2SiO₂)+6MgO+11SiO₂→3(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)

(b)高岭石(Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)失水形成偏高岭石,在950℃~1150℃区间结晶为莫来石。莫来石与方镁石和二氧化硅反应形成堇青石,反应式为:

3(Al₂O₃·2SiO₂)→3Al₂O₃·2SiO₂+4SiO₂

2(3Al₂O₃·2SiO₂)+6MgO+11SiO₂→3(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)

(c)蓝晶石分解产生莫来石,莫来石与二氧化硅、滑石分解产物以及绿泥石分解形成的苦闪橄榄岩和石英的反应产物斜顽辉石(MgO·SiO₂)反应形成堇青石,反应式为:

3(Al₂O₃·SiO₂)→3Al₂O₃·2SiO₂+SiO₂

2(3Al₂O₃·2SiO₂)+6(MgO·SiO₂)+5SiO₂→3(2MgO·2Al₂O₃·5SiO₂)

结果表明:

含有蓝晶石或高岭石的配料,在烧成的开始阶段其矿物形成过程的差异并不影响最终产物的相组成,相组成取决于配料的化学计量组成。以蓝晶石制备的堇青石的晶胞参数值略大。三种配料组成经过1350℃×2.5h烧成后。

配料组成(c)的介电常数较高,但仍处于堇青石陶瓷特有的范围之内。以蓝晶石为原料制备的堇青石陶瓷(a)和(c)的线收缩率远远小于以高岭石制备的堇青石陶瓷(b),线收缩率小是制造几何尺寸更为精确的制品的有利因素。

俄罗斯的这项研究表明:采用蓝晶石矿物制造堇青石陶瓷是可行的,同时由于蓝晶石精矿中含有的石英参与了堇青石的形成,因此不需要对蓝晶石矿物进行深度的选矿。罗民华等在堇青石多孔陶瓷中加入10%(w)的蓝晶石,经过1320℃烧结后,制备出一种气孔率达46.65%、机械强度达19.96MPa、抗热震性能好的堇青石多孔陶瓷。

蓝晶石的加入对堇青石多孔陶瓷起到了优化作用。