气氛烧结短切碳纤维增强硅基陶瓷型芯的致密化行为

为获得满足高温合金单晶叶片熔模精密铸造用高性能陶瓷型芯，本论文采用超声振动和机械搅拌将短切碳纤维(C_sf)均匀分散在SiO₂基陶瓷浆料中，通过压注法制备型芯生坯并分别在空气和氮气中烧结。观察并分析升温过程中型芯的组织演变及物相转化规律，揭示两种气氛下C_sf增强型芯的烧结致密化行为。结果表明，立体互锁C_sf网络可以增加陶瓷颗粒之间传质距离，在提供碳源生成原位SiC晶体的同时影响方石英析晶，进而抑制高温下固相的扩散和迁移以及液相的黏性流动。在两种烧结气氛下，随C_sf含量的增加，硅基陶瓷型芯的气孔率逐渐上升，收缩率逐渐下降。当C_sf含量为1.5vol%时，空气和氮气气氛烧结试样获得的开气孔率最大值为42.95%、39.50%，而最低的收缩率分别为0.64%、0.48%，证实了C_sf及高熔点晶体对型芯烧结的致密化行为影响显著。     

短切纤维对硅溶胶浆料涂挂性能的影响

采用不同比例的短切纤维掺入硅溶胶中配制熔模铸造浆料,按一定工艺涂挂型壳试样,研究了纤维含量对硅溶胶浆料运动粘度、挂浆质量及涂挂厚度的影响。结果表明,随着纤维量的增加,浆料运动粘度随之升高,双峰级配降低了浆料运动粘度;在一定范围内,随纤维量的增加,型壳试样挂浆质量呈指数形式增加,涂挂型壳试样各方向的厚度随之均增加,拐角线方向的涂挂厚度变化最大。纤维含量为0.75%时,涂挂厚度增加了0.13mm。     

超声振荡和羟丙基甲基纤维素对短切纤维在精铸硅溶胶浆料中分散性能的影响

采用超声振动和加入羟丙基甲基纤维素(HPMC)对硅溶胶基体中的短切尼龙纤维进行分散,研究了不同超声功率作用和HPMC分散剂不同加入量对纤维在硅溶胶中分散效果的影响;观察了纤维在硅溶胶分散体系中的数码照片,测试了浆料的运动黏度,用纤维质量的变动系数和差异率评价纤维的分散性,并在扫描电镜下观测硅溶胶浆料中纤维的分布情况。结果表明:通过超声振荡和机械搅拌的协同作用,纤维在硅溶胶分散体系中的分散效果得到了明显提高,当超声功率为900W时,纤维分散较均匀;加入HPMC分散剂有效地改善了纤维的分散性,HPMC加入量在0.2%(质量分数,下同)~0.3%之间,纤维的分散效果最理想,当加入0.4%HPMC时,反而阻碍了纤维的分散。     

撒砂层尼龙-氧化铝混杂纤维质量比对硅溶胶型壳性能的影响

为优化高温合金精密铸造陶瓷型壳性能，采用“溶剂法”在刚玉砂中均匀掺入0.75wt%混杂纤维，制备不同质量比的短切尼龙纤维(Nsf)和氧化铝纤维(Asf)改性硅溶胶型壳。基于SEM观察型壳断口组织形貌，分析纤维分布及裂纹生长特征，揭示纤维和基体烧结演变及强化机制。结果表明，撒砂层引入纤维进一步提升了纤维在型壳内体积占比，型壳性能显著改善。柔性Nsf缠绕于刚玉砂粒表面，通过纤维拔出摩擦耗散载荷能量，同时Nsf烧失后形成原位孔隙增加透气性，故Nsf∶Asf为4∶1时型壳最佳湿强度、透气性、开气孔率分别为5.08 MPa、4.4、20.82%。此外，煅烧型壳基体易因脱水干燥萌生微裂纹，但裂纹扩展至Asf表面时发生分叉、偏转、增殖，证实立体互锁Asf网络结构减少连续裂纹产生，并抑制陶瓷颗粒剥离的沿晶断裂倾向。因此，Asf有效补偿Nsf烧失引起的强度损失，Nsf∶Asf为2∶3的样品烧结强度高达10.51 MPa，高温自重变形率仅0.82%。