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藍晶石在陶瓷領域的應用進展

图片说明:藍晶石在陶瓷領域的應用進展,。

隨著熔模鑄件品種的日趨多樣化,陶瓷型芯的使用量逐漸增加。現有的氧化矽陶瓷型芯高溫活性大,在陶瓷與金屬的界面上易產生氣孔和粘砂,氧化鋁陶瓷型芯則難以從鑄件中脫出,陶瓷型芯性能差直接導致熔模鑄件生產滯後。為瞭改善陶瓷型芯的性能,提高熔模鑄件的生產效率,張偉以莫來石、藍晶石、α-Al2O3微粉和石英粉為原料,制備出具有耐高溫、抗熱腐蝕、強度高等優良性能的Al2O3/SiO2復合陶瓷型芯,該復合陶瓷型芯克服瞭氧化鋁、氧化矽等陶瓷型芯強度低、高溫變形大及脫芯困難等缺點。結果表明:隨著藍晶石含量的增加,材料的吸水率增大,顯氣孔率增大,體積密度減小。當加入量w(藍晶石)=19%時,陶瓷型芯具有良好的性能,達到應用的要求。制備Al2O3/SiO2復合陶瓷型芯的最佳工藝為:原料配比為(質量比)莫來石∶藍晶石∶α-Al2O3微粉∶石英粉=14∶4∶2∶1,燒成溫度為1500℃。制備的復合陶瓷型芯的吸水率為20.9%,顯氣孔率為36%,體積密度為1.96g/cm3,彎曲強度為28.2MPa。由XRD曲線看出,隨著燒成溫度的升高,試樣中Al2O3相、SiO2相和藍晶石相逐漸消失,1500℃燒成後僅有莫來石相。由SEM照片看出,1500℃燒成後材料的氣孔率較小,顆粒尖角圓鈍,粘接緊密,粒度搭配較合理,大顆粒與小顆粒相互交錯,宏觀上表現為材料具有較高的強度。將研制的Al2O3/SiO2復合陶瓷型芯大規模投產應用,使用結果表明:使用此型芯澆鑄的鑄件尺寸精確、表面光潔、質量良好,並且可應用於多種規格熔模鑄件,年產量達到200~300萬個。在熔模鑄造中,復雜狹窄的鑄件內腔采用常規的浸漬塗料、撒砂等工序根本無法實施,通常采用預制陶瓷型芯來形成內腔,例如航空發動機空心渦輪葉片。葉片的冷卻通道迂回曲折,形若迷宮,對於這樣的鑄件就必須采用陶瓷型芯。新一代高效冷卻航空發動機葉片正是高性能航空發動機的關鍵,而高效冷卻的航空發動機葉片必需具有復雜細微結構的陶瓷型芯。這種型芯很薄,非常精細,結構極其復雜。在材質的選擇上,由於陶瓷型芯在定向凝固條件下需要在高溫金屬液中保持很長時間,因此矽基陶瓷型芯已經不能適應高級單晶和共晶葉片的澆註條件;而氧化鋁基陶瓷型芯化學穩定性好,抗蠕變性能好,可保證內腔結構復雜葉片的尺寸精度,因此很適合高級單晶和共晶澆註條件使用。但在實際生產中,陶瓷型芯的制造一直是空心葉片生產中的瓶頸,因此需要不斷改進陶瓷型芯材料和制造技術。覃業霞等[59]以剛玉粉、藍晶石粉和MgO粉為原料,以碳粉作為易潰散劑,研究瞭藍晶石對氧化鋁基復合陶瓷型芯性能的影響。結果表明:隨著藍晶石含量的增加,陶瓷型芯的線收縮率減小,顯氣孔率增加,線膨脹系數減小。陶瓷在燒結過程中,隨著溫度的升高會產生燒結收縮,同時藍晶石的分解反應以及二次莫來石化反應會產生膨脹,因此燒結後材料是膨脹還是收縮,是上述膨脹和收縮幾方面共同作用的結果。藍晶石在高溫下分解帶來的體積膨脹可以提高陶瓷型芯的抗蠕變性能,同時分解產物莫來石在陶瓷型芯內部形成瞭高強的網絡互鎖,在高溫單晶鑄造條件下,阻隔瞭液相的粘滯流動,使型芯的高溫變形速率下降。國外方面,氧化鋁基陶瓷型芯在俄羅斯應用較為廣泛。英、美等國在復雜薄壁的單晶葉片及共晶葉片上也使用氧化鋁型芯,如英國羅-羅公司研制的可用於堿溶蝕法脫芯的單晶葉片的氧化鋁型芯,美國GE公司於20世紀80年代研制成功的添加Y2O3,La2O3用於共晶葉片上的氧化鋁型芯等。此外,以藍晶石為原料還可制備出其他類型陶瓷。莫來石陶瓷具有高熔點、抗蠕變性、低膨脹系數、抗熱震性及抗腐蝕性優良等特點,已在工業中獲得廣泛應用。莫來石陶瓷主要是以人工合成的莫來石為原料,采用燒結法生產的,該方法需預先制備莫來石熟料,因而工序復雜、能耗高(制品燒成溫度為1550℃~1600℃)。為此,李博文等以藍晶石微粉和αΣAl2O3微粉為原料,燒結溫度為1350℃,利用如下反應:2(Al2O3·SiO2)+Al2O3→3Al2O3·2SiO2采用一步煅燒法制備出莫來石陶瓷。結果表明:以該法制備的莫來石陶瓷的體積密度為2.09g/cm3~2.12g/cm3,氣孔率為25.58%~28.54%,常溫耐壓強度為180.87MPa~315.30MPa,燒結過程中的體積收縮率為0.49%~2.73%。用該法制備的莫來石陶瓷與采用傳統燒結法制備的同類產品相比,工藝流程簡化,燒結溫度降低200℃~250℃,在材料氣孔率較高的情況下,材料的耐壓強度仍得到較大幅度的提高;與以紅柱石微粉為原料的制品相比,燒結溫度降低50℃,耐壓強度明顯提高,顯氣孔率、線收縮率和體積收縮率下降。李靜也以藍晶石、剛玉、氧化矽粉、氧化鋁粉為原料,以聚乙烯醇(PVA)為結合劑,利用藍晶石在高溫下分解產生的莫來石與剛玉復合,制備出莫來石-剛玉復合陶瓷。李靜也以藍晶石、剛玉、氧化矽粉、氧化鋁粉為原料,以聚乙烯醇(PVA)為結合劑,利用藍晶石在高溫下分解產生的莫來石與剛玉復合,制備出莫來石-剛玉復合陶瓷。結果表明:藍晶石的膨脹性能抵消或減小瞭陶瓷燒結過程中的收縮比例,並且增強瞭陶瓷的抗折強度。Rahbar等研究瞭4種粒度范圍(45μm~63μm,63μm~90μm,90μm~125μm,125μm~250μm)的藍晶石對合成莫來石陶瓷抗熱震性能的影響(表1)。結果表明:由大顆粒尺寸范圍的藍晶石制備的燒結體具有更大的氣孔率和更佳的抗熱震性能。Lowell等[63]研究表明,氣孔的存在能夠改善脆性材料的抗熱震性能,尤其是孔徑小、分佈均勻的氣孔。在本試驗中,由125μm~250μm藍晶石制備的燒結體經過1280℃至水冷(5℃)熱震循環後具有最佳的抗熱震性能,這也驗證瞭Lowell等的研究。但在氣孔率一定的情況下,隨著氣孔尺寸的增大,氣孔對改善脆性材料抗熱震性能的貢獻逐漸下降。表1四種粒度范圍的藍晶石制備的燒結體的性能參數堇青石陶瓷具有熱膨脹系數低、抗熱震性好、抗化學侵蝕性好和介電性能好等一系列優點,是一種重要的工程陶瓷材料。制造堇青石陶瓷的原料為鎂質和氧化鋁質原料,其中鎂質原料主要為:滑石、鎂石、鎂橄欖石等礦物,如:純橄欖巖、蛇紋巖;氧化鋁質原料主要為:高嶺石和高嶺石質黏土。對於俄羅斯而言,幾乎所有的高嶺石質黏土礦床均位於俄羅斯境外,因此高嶺石質黏土屬於稀缺原料。俄羅斯的一項研究表明:采用俄羅斯希佐瓦拉礦山藍晶石精礦、方鎂石和卡列利亞地區產的滑石、綠泥片巖為原料,可以制備出堇青石陶瓷,並以藍晶石為原料制備的堇青石陶瓷與以傳統原料高嶺石制備的堇青石陶瓷進行瞭性能對比。配料組成分別為:(a)藍晶石精礦、石英和方鎂石;(b)高嶺石、石英和方鎂石;(c)藍晶石精礦和滑石、綠泥片巖。各配料合成堇青石的原理分別為:(a)藍晶石分解產生莫來石,莫來石與二氧化矽和方鎂石(MgO)反應形成堇青石,反應式為:3(Al2O3·SiO2)→3Al2O3·2SiO2+SiO22(3Al2O3·2SiO2)+6MgO+11SiO2→3(2MgO·2Al2O3·5SiO2)(b)高嶺石(Al2O3·2SiO2·2H2O)失水形成偏高嶺石,在950℃~1150℃區間結晶為莫來石。莫來石與方鎂石和二氧化矽反應形成堇青石,反應式為:3(Al2O3·2SiO2)→3Al2O3·2SiO2+4SiO2(c)藍晶石分解產生莫來石,莫來石與二氧化矽、滑石分解產物以及綠泥石分解形成的苦閃橄欖巖和石英的反應產物斜頑輝石(MgO·SiO2)反應形成堇青石,反應式為:2(3Al2O3·2SiO2)+6(MgO·SiO2)+5SiO2→3(2MgO·2Al2O3·5SiO2)結果表明:含有藍晶石或高嶺石的配料,在燒成的開始階段其礦物形成過程的差異並不影響最終產物的相組成,相組成取決於配料的化學計量組成。以藍晶石制備的堇青石的晶胞參數值略大。三種配料組成經過1350℃×2.5h燒成後,制備出的堇青石陶瓷的物理性能見表2。從表4可以看出,配料組成(c)的介電常數較高,但仍處於堇青石陶瓷特有的范圍之內。以藍晶石為原料制備的堇青石陶瓷(a)和(c)的線收縮率遠遠小於以高嶺石制備的堇青石陶瓷(b),線收縮率小是制造幾何尺寸更為精確的制品的有利因素。俄羅斯的這項研究表明:采用藍晶石礦物制造堇青石陶瓷是可行的,同時由於藍晶石精礦中含有的石英參與瞭堇青石的形成,因此不需要對藍晶石礦物進行深度的選礦。羅民華等在堇青石多孔陶瓷中加入10%(w)的藍晶石,經過1320℃燒結後,制備出一種氣孔率達46.65%、機械強度達19.96MPa、抗熱震性能好的堇青石多孔陶瓷。藍晶石的加入對堇青石多孔陶瓷起到瞭優化作用。表2堇青石陶瓷的物理性能

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