单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展概况

【摘要】本文综述了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯在国内外的发展概况，较详细地介绍了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的脱芯方法及国内外的部分研究成果，据此提出了单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯工程化应用研究的发展方向。

1、概述

单晶涡轮叶片是高性能航空发动机研制的重要关键部件，使用性能要求高，制造难度大，被誉为“现代制造业皇冠上的明珠”。目前单晶叶片朝着单晶合金与高效冷却技术融合的方向发展，因此单晶叶片具有薄壁空心、内腔结构复杂等结构特点，要求陶瓷型芯应具有更好的高温性能。为适应这种需要，比硅基型芯具有更好高温性能的氧化铝陶瓷型芯在近些年得到迅速发展。与氧化硅基陶瓷型芯相比，氧化铝基陶瓷型芯化学稳定性、抗蠕变性能好，可保证内腔结构复杂的定向柱晶和单晶叶片的尺寸精度和合格率，并能降低叶片的制造成本，因此非常适合于使用温度大于1550℃内腔结构复杂的单晶叶片的浇注。

2、单晶叶片用氧化铝陶瓷型芯的发展

氧化铝陶瓷型芯以电熔刚玉作为基体材料，添加MgO、SiO2、TiO2及稀土氧化物作为矿化剂。由于电熔刚玉具有石英玻璃无法比拟的热强度和热稳定性，而且电熔刚玉在焙烧和使用过程中没有晶型转变，结构稳定，与电熔刚玉型壳具有相匹配的热膨胀率，因此氧化铝陶瓷型芯更适合于铸造单晶和共晶叶片。

欧洲某国家自20世纪70年代起就将氧化铝陶瓷型芯应用于生产单晶叶片，在氧化铝陶瓷型芯的研究和应用方面走在了世界前列[1]。目前氧化铝陶瓷型芯在该国家获得广泛应用。

我国氧化铝陶瓷型芯的研制起步于20世纪90年代后期，在此方面的研究均取得一些研究成果。进入21世纪后，国内各航空发动机制造公司也相继开展氧化铝陶瓷型芯的研究，并取得一定的技术突破。国内某研究院先后研究出型号为AC-1和AC-2的氧化铝基陶瓷型芯。其中AC-1型芯组成为：92%～99%的α-Al2O3，1%～8%的TC-1矿化剂，外加13%～18%的增塑剂。AC-1型芯已经应用于定向和单晶叶片的浇注。

国内某研究所制备了Al2O3/SiO2纳米复合陶瓷型芯。研究结果表明：SiO2加入纳米粉后，大大改善了材料的流动性，对陶瓷型芯的成型非常有利。这样，在同等条件下就能减少增塑剂的加入量，从而有利于陶瓷型芯综合性能的提高SiO2纳米粉的加入也改善了陶瓷型芯的烧结状态；加入SiO2纳米粉的陶瓷型芯的室温强度大幅度提高。

3、氧化铝陶瓷型芯的脱芯技术

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