高尺寸稳定性的MgAl2O/MgO复合陶瓷型芯的制备.pdf

以镁铝尖晶石为原料，制备了新型复合陶瓷型芯。用射线衍射仪分析了样品的相组成，并用扫描电子显微镜观察了陶瓷型芯的表面及断面微观形貌。结果表明，陶瓷型芯中的主晶相为镁铝尖晶石，次晶相为方镁石，镁铝尖晶石为陶瓷型芯骨架，骨架大颗粒之间填充有细方镁石颗粒。性能测试表明，添加镁铝尖晶石可抑制氧化镁的液相烧结，降低收缩率，同时可以显著提高陶瓷型芯的显气孔率和高温尺寸稳定性。含有 镁铝尖晶石的 复合陶瓷型芯显气孔率为 、收缩率为 、室温抗弯强度为 、热膨胀率仅为 。溶出实验结果表明，所制备的 复合陶瓷型芯能在温和条件下溶出，不对铸件造成化学腐蚀及机械损伤：在溶出液为 有机弱酸乙酸溶液中，溶出后，型芯能够完全塌陷成粉末。关键词：复合陶瓷型芯；镁铝尖晶石；收缩性；高温尺寸稳定性；溶出性中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犘 狉 犲 狆 犪 狉 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犕 犵 犃 犾犗犕 犵 犗 犫 犪 狊 犲 犱犆 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲犆 犲 狉 犪 犿 犻 犮犆 狅 狉 犲狑 犻 狋 犺犎 犻 犵 犺犇 犻 犿 犲 狀 狊 犻 狅 狀 犪 犾 犛 狋 犪 犫 犻 犾 犻 狋 狔 ，（，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：（）（）（），犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；第期任士平等：高尺寸稳定性的 复合陶瓷型芯的制备目前熔模铸造是生产高精度、低粗糙度及内腔复杂形状铸件的有效方法。当铸件内腔太窄或形状复杂时，必须使用陶瓷型芯来形成铸造腔，例如航空发动机的空心涡轮叶片 。用于铸造航空发动机空心涡轮叶片的陶瓷型芯对其结构和性能要求很高。陶瓷型芯需要有足够的耐火度（熔点或高温软化点高于 ），这是因为铸造过程中合金温度非常高。例如镍基单晶高温合金的铸造温度高达 ；需要有较好的化学稳定性，在高温下不与合金反应；需要有较高的抗热震性和高温尺寸稳定性，能够承受温度的剧烈变化；还需要具有良好的 溶 出 性 能，在 浇 注 完 成 后 很 容 易 从 铸 件 中去除 。陶瓷型芯的应用历史并不长，但已有多种类型。然而，随着铸造过程中合金浇注温度的升高，用于工业生产的熔模铸造用陶瓷型芯大多是氧化物陶瓷型芯，主要是二氧化硅基陶瓷型芯和氧化铝基陶瓷型芯。二氧化硅基陶瓷型芯的溶出性能好，能与碱液反应，并且热膨胀系数小、抗热震性好。然而，当工作温度达到 时，硅基陶瓷型芯很容易与合金中的活性元素发生反应；而且硅基陶瓷型芯的高温尺寸稳定性来自内部的方石英，其含量越高，高温尺寸稳定性越好，而方英石来自石英玻璃的自发结晶，因此二氧化硅基陶瓷型芯的高温尺寸稳定性对陶瓷型芯的制备工艺和使用条件高度敏感。这些缺点阻碍了二氧化硅陶瓷型芯的开发和应用。氧化铝基陶瓷型芯高熔点，与二氧化硅陶瓷型芯相比，氧化铝陶瓷型芯可以在更高的铸造温度下工作，并且具有良好的高温化学稳定性和高温尺寸稳定性，高温下不易与合金发生反应，在制备和使用过程中没有相变 。但是，氧化铝基陶瓷型芯难以溶解，影响型芯在去除阶段的铸造质量，阻碍氧化铝基陶瓷型芯的应用及开发 。近年来，镁基陶瓷型芯已成为许多研究者的研究热点，因为镁基陶瓷型芯具有硅基陶瓷型芯的优异溶出性能 以 及 铝 基陶 瓷 型芯 良好 的 高 温化学 稳 定 性 。然 而，氧 化 镁 的 高 热 膨 胀 系数（）限制了其在铸造过程中在陶瓷型芯中的应用。镁基陶瓷型芯烧结后收缩率高，铸造过程中尺寸稳定性差。研究过程中发现由氧化铝和氧化镁生产的镁铝尖晶石可以改善镁基陶瓷型芯的缺点。镁铝尖晶石（）是一种合成尖晶石耐火材料，具有高堆积密度、高矿物相含量、晶粒发达、结构均匀、质量稳定、热震稳定性好、耐高温等性能特点。因此，彭智聪 将氧化铝作为添加剂添加到镁基陶瓷型芯中，生成镁铝尖晶石，以提高镁基陶瓷型芯的性能，实验证明镁铝尖晶石确实可以显著提高镁基陶瓷型芯的性能。然而，镁铝尖晶石是在陶瓷型芯的烧结过程中产生的，而镁铝尖晶石在镁基陶瓷型芯中的分布及含量在很大程度上取决于烧结过程，这使得陶瓷型芯的质量难以控制。本研究将镁铝尖晶石作为复合材料添加到镁基陶瓷型芯中，选择了适当粒径的氧化镁、镁铝尖晶石和助烧剂二氧化钛，制备、烧结 复合陶瓷型芯。与不含镁铝尖晶石的陶瓷型芯相比，陶瓷型芯降低了收缩率，提高了尺寸稳定性，适用于 以下的合金铸造。并从机理上详细研究了 对氧化镁基陶瓷型芯的收缩率、显气孔率、室温抗弯强度、尺寸稳定性和溶出性能的影响。实验 实验材料以氧化镁为基体材料，二氧化钛和镁铝尖晶石分 别 作 为 烧 结 助 剂 和 复 合 添 加 剂，制 备 了 复合陶瓷型芯。以石蜡、蜂蜡和聚乙烯为有机黏结剂制备陶瓷浆料。原料的化学成分和粒度分布如表和图所示。在原料的选择上，本实验中使用的氧化镁的粒径约为镁铝尖晶石粒径的七分之一，二氧化钛的粒径约为氧化镁的五分之一，如图所示。这将使氧化镁颗粒和二氧化钛颗粒更好地嵌入由大颗粒镁铝尖晶石组成的框架中，三者能更好地结合。表原料成分犜 犪 犫 犾 犲犆 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 狉 犪 狑犿 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犾 狊 有 色 金 属 工 程第 卷图粒度分布图犉 犻 犵 犘 犪 狉 狋 犻 犮 犾 犲 狊 犻 狕 犲犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 狊根据镁铝尖晶石添加量（、和），如表所示，将复合陶瓷型芯分别命名为 、和 。为了提高氧化镁的烧结程度，在镁基陶瓷型芯中加入二氧化钛作为烧结助剂，二氧化钛含量为氧化镁质量的。随着镁铝尖晶石含量的增加，氧化镁和二氧化表陶瓷型芯的原材料组成犜 犪 犫 犾 犲犚 犪 狑犿 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犾 犮 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犻 狅 狀狅 犳 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 钛的含量逐渐降低。陶瓷型芯的制备通过热压注射成型制备陶瓷型芯，制备过程如图所示。将陶瓷浆料搅拌后压制形成具有不同形状的生坯。使用喷嘴温度为、注射压力为 的低压注射成型机（）制备坯体。脱蜡，烧结，可获得具有一定强度的陶瓷型芯。图（犪）陶瓷型芯制备及（犫）热处理工艺示意图犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 狊狅 犳（犪）犕 犪 狋 犲 狉 犻 犪 犾狆 狉 犲 狆 犪 狉 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱（犫）犎 犲 犪 狋 狋 狉 犲 犪 狋 犿 犲 狀 狋狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊 犲 狊第期任士平等：高尺寸稳定性的 复合陶瓷型芯的制备 测试方法使用射线衍射分析（；，）鉴定陶瓷型芯的相组成（辐射，扫描速度为 ，范围为 ）。通过扫描电子显微镜（；，）表征微观结构。根据标准 测量陶瓷型芯样品的收缩率，样品尺寸为 圆柱体，实验结果为三个样品的平均值。根据标准 ，采用三点抗弯法测试了陶瓷型芯样的室温抗弯强度，样品尺寸为 ，跨度为 ，加载速率为 。根据 标 准，采 用 阿 基 米 德 排水法测 量 陶 瓷 型 芯 样 的 显 气 孔 率，样 品 尺 寸 为 圆柱体，实验结果为 个样品的平均 值。热 膨 胀 分 析 仪（，）用于检测模拟铸造过程中陶瓷型芯的尺寸变化。在氩气气氛中，以 的加热速率将温度从室温升高到 ，然后以相同的速率降低到 。溶出性能实验烧结后的镁基陶瓷型芯中的氧化镁以方镁石形态存在，方镁石发育不良，晶粒细小，具有良好的化学活性，可以很好地溶解在弱酸性水溶液中。因此，在本实验中，使用实验室制备的 乙酸溶液作为型芯溶出溶液，以测量样品的型芯去除率（相对质量损失率）。每组测量三个样品并取平均值，样品尺寸为 ，测量精度为 。具体步骤如下：）计算冰乙酸和去离子水的用量，用电子天平准确称重后，在烧杯中制备 的乙酸溶液；）选取尺寸大致相同的样品，在 的电鼓风干燥箱中干燥，并将其初始质量称为犿；）将乙酸溶液倒入三颈烧瓶中，使用收集器型恒温加热磁力搅拌器加热，直到乙酸溶液达到设定温度；）将测定质量后的样品放入加热的乙酸溶液中进行脱芯反应；）达到规定时间后立即取出样品，然后用无水乙醇溶液清洗，直到所有乙酸被清洗干净；）在 的电加热鼓风干燥箱中干燥样品，称量其质量并记录为犿。溶出率（相对质量损失率）计算如式（）所示。犿犿犿（）式中：为去芯率（相对质量损失率），；犿为干燥后样品的初始质量，；犿为试样在腐蚀和干燥 后 的 质 量，；为 样 品 中 氧 化 镁 的 质 量分数，。结果与讨论 添加犕 犵 犃 犾犗对收缩率和显气孔率的影响图为不同镁铝尖晶石含量的陶瓷型芯样品在 烧结后收缩率和显气孔率变化。如图所示，与镁基陶瓷型芯 相比，复合陶瓷型芯的收缩率显著降低，样品 至 的收 缩 率 分 别 为 、。说明镁铝尖晶石的加入可以有效降低镁基陶瓷型芯的收缩，这与陶瓷型芯的烧结过程有关。图不同犕 犵 犃 犾犗含量的陶瓷型芯样的收缩率和显气孔率犉 犻 犵 犛 犺 狉 犻 狀 犽 犪 犵 犲犪 狀 犱犪 狆 狆 犪 狉 犲 狀 狋狆 狅 狉 狅 狊 犻 狋 狔狅 犳 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 狊 犪 犿 狆 犾 犲 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犕 犵 犃 犾犗犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狊这种陶瓷型芯的收缩减少可以从以下三个方面来解释：）从分子结构的角度来看，耐火材料烧结的收缩主要是由于烧结颗粒之间的颈部增加和颗粒中心到中心距离的减小。根据公式（），烧结颗粒半径狉越大，颈部曲率半径或颈部半径狓越小，烧结球形中心之间距离的收缩率犔越小。从宏观上看，烧结后型芯试样的收缩率降低。随着镁铝尖晶石含量的增加，大尺寸烧结颗粒在基体材料中的比例增加，因此，烧结颗粒半径狉的增加使复合陶瓷型芯的收缩率逐渐降低。有 色 金 属 工 程第 卷犔犔犔狉狓狉（）式中：犔为收缩率，犔为收缩量，犔为试样烧结前长度，为颈部曲率半径，狉为烧结颗粒半径，狓为颈部半径。）从烧结机理的角度来看，烧结产物的致密收缩是由烧结产物的传质（如晶界扩散、晶格扩散和塑性流动）引起的。晶界扩散和晶格扩散的主要驱动力是空位浓度差。在氧化镁烧结过程中，当温度为 时，主要是晶界扩散，当温度进一步升高时，变为晶格扩散。烧结的后两个阶段导致氧化镁的烧结收缩率增大。随着氧化镁含量的减少，氧化镁的烧结会减少，因此陶瓷型芯的收缩也会减少。镁铝尖晶石化学稳定，熔点高，聚集和再结晶能力较弱，这使得陶瓷型芯的收缩更小。随着镁铝尖晶石的增加，作为框架的稳定的大颗粒镁铝尖晶石难以烧结和收缩，支撑着整个陶瓷型芯，方镁石填充在其中，陶瓷型芯很难收缩。）镁铝尖晶石的加入导致烧结助剂产生的低熔点液相减少，这阻碍了烧结，从而降低了陶瓷型芯的收缩率。图为各个样品 图谱。从图可以看出，对应于钛酸镁（）的衍射峰出现在镁基陶瓷型芯 中，而其他试样中没有出现，表明氧化镁在烧结过程中与二氧化钛反应形成低熔点液相。这种液相在烧结颗粒之间，特别是在小尺寸方镁石颗粒之间产生明显的结合。如图（）所示，小尺寸方镁石颗粒彼此黏结形成完整的大颗粒，颗粒之间的相互黏附增加了颈部的曲率半径和颈部的半径狓，这将增加陶瓷型芯的收缩。图不同犕 犵 犃 犾犗含量的陶瓷型芯芯试样的犡 犚 犇图谱犉 犻 犵 犡 犚 犇狆 犪 狋 狋 犲 狉 狀 狊狅 犳 犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犕 犵 犃 犾犗犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狊选取 的部分区域进行 面扫分析，所选区域如图（）所示，结果如图（）所示。通过图犕犃 样品粉末烧结所产生液相的犛 犈犕和犈 犇 犛分析结果：（犪）烧结的犛 犈犕图像（标注为所选的面扫区域）；（犫）所选区域的犈 犇 犛图谱分析；（犮）犈 犇 犛点犃分析；（犱）犈 犇 犛点犅分析犉 犻 犵 犛 犈犕犻 犿 犪 犵 犲犪 狀 犱犈 犇 犛犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊 狉 犲 狊 狌 犾 狋 狊狅 犳 犾 犻 狇 狌 犻 犱狆 犺 犪 狊 犲犪 狀 犱狊 犻 狀 狋 犲 狉 犲 犱狆 狅 狑 犱 犲 狉狅 犳犕犃 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀：（犪）犛 犈犕犻 犿 犪 犵 犲狅 犳 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀狊 犻 狀 狋 犲 狉 犲 犱犪 狋 （犕 犪 狉 犽犪 狊 狋 犺 犲 狊 犲 犾 犲 犮 狋 犲 犱犈 犇 犛犿 犪 狆 狆 犻 狀 犵犪 狉 犲 犪）；（犫）犈 犇 犛犿 犪 狆 狆 犻 狀 犵犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊；（犮）犈 犇 犛狆 狅 犻 狀 狋犃犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊；（犱）犈 犇 犛狆 狅 犻 狀 狋犅犪 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊第期任士平等：高尺寸稳定性的 复合陶瓷型芯的制备 表面扫描分析可以发现，液相出现的区域确实绿色为 元素，粉色为 元素及蓝色为元素（图（）。对液相（区域）及非液相区（区域）进行 点分析，如图（）和（）所示。结果表明，烧结颗粒之间的颈部有 的、的 和 的，颗 粒则 为 的、的 和 的。烧结颗粒的组成与 相同，而液相中的元素组成与钛酸镁（）完全不同，这与 固溶体的出现有关。由于 和 的离子半径相似，烧结助剂 中的 很容易取代 形成固溶体。固溶体导致 晶相出现晶格畸变，缺陷增多，有利于扩散传质，进一步促进陶瓷型芯的烧结。随着镁铝尖晶石含量的增加，氧化镁和氧化钛的含量逐渐减少，液相和固溶体的含量也逐渐减少。例如，从图可以看出，复合陶瓷型芯样品 、和 中对应于 的衍射峰消失，表明复合陶瓷型芯仅在烧结过程中形成。形成非常少量的 相或不形成 相，使得在 衍射峰中没有发现对应于 的衍射峰。低熔点液相的减少使得液相烧结减少，物料迁移速度降低，烧结物的致密化降低，从而减缓收缩。陶瓷型芯的显气孔率增加是由于镁铝尖晶石和方镁石颗粒之间的烧结困难导致的，如图（）（）所示。从图（）和（）中的标注可以看出，大尺寸的镁铝尖晶石颗粒几乎裸露，镁铝尖晶石和方镁石 颗 粒 之 间 存 在 明 显 的 孔 隙。这 不 仅 减 少 了 复合陶瓷型芯的收缩，还增加了显气孔率，如图所示。与镁基陶瓷型芯 相比，复 合 陶 瓷 型 芯 、和 的显气孔率分别从 增加到 、和 。图不同犕 犵 犃 犾犗含量陶瓷型芯试样的犛 犈犕图像（图中标注为犕 犵 犃 犾犗及孔隙的分布情况）犉 犻 犵 犛 犈犕犻 犿 犪 犵 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犕 犵 犃 犾犗犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狊（犜 犺 犲犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犕 犵 犃 犾犗犪 狀 犱狆 狅 狉 犲 狊犿 犪 狉 犽 犲 犱 犻 狀狋 犺 犲 犳 犻 犵 狌 狉 犲）添加犕 犵 犃 犾犗对室温抗弯强度的影响随着镁铝尖晶石含量的增加，复合陶瓷型芯样品的室温抗弯强度逐渐降低，如图所示。镁基陶瓷型芯 的抗弯强度为 ，而 复合陶瓷型芯 、和 的抗 弯强 度 逐渐 降低 至 、和 。陶瓷抗弯强度的降低与陶瓷气孔率的增加直接相关。通常，具有一定组成的多孔陶瓷的抗弯强度将随着气孔率的增加而按照自然指数关系迅速降低，如公式（）所示 ，这是由于气孔率增加，多孔陶瓷 单 位 面积 上 断 裂 面 的 断 裂 点 总 面 积 迅 速减少 。（狆）（）有 色 金 属 工 程第 卷图不同犕 犵 犃 犾犗含量的陶瓷型芯试样的室温抗弯强度犉 犻 犵 犉 犾 犲 狓 狌 狉 犪 犾 狊 狋 狉 犲 狀 犵 狋 犺狅 犳 狋 犺 犲犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犕 犵 犃 犾犗犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狊式中：为抗弯强度，狆为气孔率；为狆时的强度；是一个常数，该经验常数决定了弯曲强度增加的速度。此外，陶瓷的抗弯强度与烧结颗粒的强度和烧结颗粒之间的结合强度有关。如图（）（）所示，为陶瓷型芯样品 至 的断面形貌图像。对比各图可以发现，陶瓷型芯的断裂面从光滑逐渐变为凹凸不平，完整的镁铝尖晶石颗粒（如图中所标注所示）逐渐暴露在断裂处。从图中可以看出，复合陶瓷型芯的断裂模式从穿晶断裂转变为沿晶断裂。这表明烧结后，镁铝尖晶石和方镁石的结合强度低于方镁石和方镁石之间的结合强度。随着基质材料中镁铝尖晶石含量的增加，烧结颗粒之间的结合强度逐渐降低，裂纹沿着镁铝尖晶石和方镁石颗粒之间的孔隙延伸，最后导致镁铝尖晶石颗粒完全暴露。当发生弯曲断裂时，断裂将发生在结合强度低的地方，即镁铝尖晶石和方镁石的连接处。图不同犕 犵 犃 犾犗含量的陶瓷型芯试样的断裂形态（图中标注为犕 犵 犃 犾犗的分布情况）犉 犻 犵 犜 犺 犲 犳 狉 犪 犮 狋 狌 狉 犲犿 狅 狉 狆 犺 狅 犾 狅 犵 犻 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲犮 犲 狉 犪 犿 犻 犮犮 狅 狉 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犕 犵 犃 犾犗犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狊（犜 犺 犲犱 犻 狊 狋 狉 犻 犫 狌 狋 犻 狅 狀狅 犳犕 犵 犃 犾犗犿 犪 狉 犽 犲 犱 犻 狀狋 犺 犲 犳 犻 犵 狌 狉 犲）综上所述，添加镁铝尖晶石将增加陶瓷型芯的气孔率，镁铝尖晶石和方镁石之间的连接也增多，导致陶瓷型芯的室温抗弯强度降低。尽管 复合陶瓷型芯的室温抗弯强度有所降低，但当陶瓷型芯的室温抗弯强度大于 时，仍可以满足熔模铸造的要求。因此，复合陶瓷型芯中镁铝尖晶石的含量不能超过。添加犕 犵 犃 犾犗对高温尺寸稳定性的影响高温尺寸稳定性是指材料在高温环境中尺寸不变的性能，与材料的热膨胀系数有关。氧化镁的膨胀系数为 ，而镁铝尖晶石的热膨胀系数为 ，两者相差近一倍。因此，理论上陶瓷型芯中镁铝尖晶石的含量越高，其高温稳定性越好。本研究比较了 和 两种陶瓷型芯的线性热膨胀曲线，如图（）所示。可见，两者的热膨胀曲线具有相似的趋势，但变化幅度不同。随着铸造温度的升高，两种陶瓷型芯的膨胀主要发生在 的加热阶段。当温度达到 时，陶瓷型芯样品的线膨胀率达到最大值。不同的是，在 的加热期间，样品 的最大线膨胀率为 ，而 的最大线膨胀率为 。当铸造温度高于 时，陶瓷型芯的第期任士平等：高尺寸稳定性的 复合陶瓷型芯的制备线膨胀率迅 速下降，样 品 开始 收 缩，当 温 度 达 到 时，和 的线膨胀速率分别下降了 和 。两种陶瓷型芯的收缩主要发生在两个阶段：）在 的加热过程中。在此阶段，陶瓷型芯样品在液相中烧结，线性膨胀率迅速降低，液相烧结使颗粒彼此结合。如图（）所示，无论是小尺寸的 颗粒还是大尺寸的 颗粒，它们之间都存在明显的结合现象，小颗粒不仅彼此黏附形成大颗粒，还附着到大颗粒的表面形成完整的烧结体。）在 的温度下冷却期间。在此阶段，陶瓷型芯样品缓慢收缩并逐渐稳定。从图（）可以看出，温度升高时，的线性膨胀率在每个升温阶段的变化都小于 的线性膨胀速率，表明 的添加确实可以提高陶瓷型芯的尺寸稳定性，可以有效地提高陶瓷型芯的高温性能。图模拟铸造过程中试样的特征（图中标注为犕 犵 犗及犕 犵 犃 犾犗的烧结情况）：（犪）线性热膨胀曲线；（犫）样品犕犃 的犛 犈犕图像犉 犻 犵 犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 狋 犺 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊犱 狌 狉 犻 狀 犵 狋 犺 犲 狊 犻 犿 狌 犾 犪 狋 犲 犱犮 犪 狊 狋 犻 狀 犵狆 狉 狅 犮 犲 狊 狊（犜 犺 犲 狊 犻 狀 狋 犲 狉 犻 狀 犵 狊 犻 狋 狌 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犕 犵 犗犪 狀 犱犕 犵 犃 犾犗犿 犪 狉 犽 犲 犱 犻 狀狋 犺 犲 犳 犻 犵 狌 狉 犲）：（犪）犔 犻 狀 犲 犪 狉 狋 犺 犲 狉 犿 犪 犾 犲 狓 狆 犪 狀 狊 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲 狊；（犫）犛 犈犕犻 犿 犪 犵 犲狅 犳 狋 犺 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀犕犃 添加犕 犵 犃 犾犗对溶出性能的影响通常，金属铸件内部的陶瓷型芯需要去除才能获得空心铸件，因此陶瓷型芯的溶出性能也是需要考虑的基本性能之一。氧化铝基陶瓷型芯，需要长时间在高温高浓度的强碱溶液中辅以高压水枪等机械冲击去除，外部金属铸件容易被碱性溶液腐蚀及机械冲击损坏。硅基陶瓷型芯去除相对容易，但也需要用高温强碱去除。陶瓷型芯中以方镁石形态存在的氧化镁作为一种碱性金属氧化物，与酸溶液很容易反应，弱酸也可以反应，镁铝尖晶石则很难 与 弱 酸 反 应。利 用 氧 化 镁 的 特点，用弱酸溶解与镁铝尖晶石相连的方镁石。方镁石溶解后，由镁铝尖晶石组成的骨架也会坍塌。因此，对于含有 的陶瓷型芯，可以使用无害的有机弱酸（如乙酸）将其从铸件中去除。反应式如下：（）本研究选择乙酸作为溶出液。乙酸是绿色有机酸，不会污染环境，且乙酸是弱酸，对金属铸件腐蚀性小。同时，正是因为乙酸是弱酸，所以其溶液的酸度不会因其浓度的增加而增加。从公式（）可以看出，浓度随着乙酸浓度的增加而降低，因此乙酸的浓度应该是适当的。犓槡犮（）式中：是电离度，犓是乙酸的电离常数，犮是乙酸的浓度。研究使用 和 的电位 图来确定溶出液的酸度和温度。如图 所示，在 时，当 达到 时，可以溶解，但 不能溶解。在 时，当 值为 时，可以溶解，但 不能溶解。可以看出，无论在低温还是高温环境下，的溶解度都远高于 ，但提高温度有利于 的溶解。从图 中 还 可 以 看 出，溶 液 的 酸 度 越 强，和 的溶解越有利。测量一系列浓度的乙酸溶液的 值，发现 的乙酸溶液 值在 和 之间，这是最低值。因此，选择 的乙酸溶液作为陶瓷型芯的去除液。有 色 金 属 工 程第 卷图 氧化镁和镁铝尖晶石的电位 狆 犎图：（犪），（犫）、时的犕 犵 犃 犾犗电位图；（犮）、（犱）、时的犕 犵 犗电位图犉 犻 犵 犘 狅 狋 犲 狀 狋 犻 犪 犾 狆 犎犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿 狊 狅 犳犿 犪 犵 狀 犲 狊 犻 犪犪 狀 犱犿 犪 犵 狀 犲 狊 犻 犪 犪 犾 狌 犿 犻 狀 狌 犿狊 狆 犻 狀 犲 犾：（犪），（犫）犕 犵 犃 犾犗犪 狋 ，；（犮），（犱）犕 犵 犗犪 狋 ，图 为模拟铸造浇注后，各种类型的陶瓷型芯在 乙酸溶液中溶出率的变化。如图（）所示，随着时间的增加，陶瓷型芯的溶出率逐渐增加。当时间达到 时，镁基陶瓷型芯 的溶出率达到 ，而复合陶瓷型芯 、和 的溶出率分别降至 、和 。这是因为随着 含量的增加，与乙酸反应的 含量逐渐降低，这使得复合陶瓷型芯的溶出率迅速降低。为了提高复合陶瓷型芯的溶出率，增加溶出过程的时间和温度，加速乙酸进入型芯的速率，使得型芯中的 与乙酸充分反应。如图（）和（）所示，在 的乙酸溶液中去除后，陶瓷型芯成为片状骨架结构，而时间增加至后，陶瓷型芯则完全溃散成粉末状。图 溶出过程中样品的特征图：（犪）溶出率；（犫）条件下犺；（犮）条件下犺犉 犻 犵 犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 狋 犺 犲 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊犱 狌 狉 犻 狀 犵狉 犲 犿 狅 狏 犪 犾：（犪）犔 狅 狊 狊 狉 犪 狋 犲；（犫）犪 犳 狋 犲 狉犺 狅 狌 狉 狊；（犮）犪 犳 狋 犲 狉犺 狅 狌 狉 狊第期任士平等：高尺寸稳定性的 复合陶瓷型芯的制备从实验结果来看，镁铝尖晶石的加入对陶瓷的去除性能有一定的阻碍作用，但是在调整溶出条件后，复合陶瓷型芯的溶出性能仍然很好。结果表明，的加入会阻碍陶瓷型芯的溶出，但阻碍作用不大，的易溶出性能仍然存在，通过使用环境友好的有机弱酸可以将 复 合 陶 瓷 型 芯 从 铸 件 中去除。结论）镁铝尖晶石的加入使得镁基陶瓷型芯收缩率下降。当镁铝尖晶石的含量为 时，复合陶瓷型芯的收缩率降低至 。）镁铝尖晶石的加入使得镁基陶瓷型芯室温抗弯强度有所下降，但仍然满足型芯的使用要求。当镁铝 尖 晶 石 添 加 量 为 时，室 温 抗 弯 强 度 为 ，远高于陶瓷型芯 的最低室温抗弯强度的要求。）镁铝尖晶石的加入使得镁基陶瓷型芯高温尺寸稳定性增强。在 的模拟浇注温度下，热膨胀率最高仅为 。与不添加镁铝尖晶石相比，尖晶石镁基陶瓷型芯的高温尺寸稳定性已显著提高。）镁铝尖晶石的加入对镁基陶瓷型芯溶出率影响不大。尽管镁铝尖晶石的加入会降低镁基陶瓷型芯的溶出性能，但提高乙酸溶液的温度并延长脱芯时间后，复合陶瓷型芯完全塌陷成粉末，陶瓷型芯仍具有良好的脱芯性能。）本研究所制备的 复合陶瓷型芯不仅克服了氧化镁陶瓷型芯收缩率高、高温尺寸稳定性差的缺点，而且保留了其易溶于有机弱酸的优点。参考文献：沈昀，郑功，冯辰铭熔模精密铸造技术研究进展精密成形工程，（）：，（）：于波，孙逊铸造技术的发展现状与趋势铸造设备与工艺，（）：，（）：，：，（）：任忠鸣，韩东宇，玄伟东，等燃气轮机叶片制备技术研究进展上海大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：，（）：张玲，刘建平，孙革，等单晶叶片用硅基陶瓷型芯制备与性能研究铸造，（）：，（）：梁启如，吴玉胜，刘孝福，等航空发动机涡轮叶片铸造用陶瓷型芯研究进展铸造，（）：，（）：，（）：刘孝福，郭新力，李彪，等氧化铝基陶瓷型芯性能研究 中国机械工程学会铸造分会，铸造行业生产力促进中心 中国铸造活动周论文集 出版者不详，有 色 金 属 工 程第 卷 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