航空发动机性能的好坏直接影响飞机飞行的可靠性和飞行能力等，是一个国家 战略性、高尖锐技术的高端产品，是一个国家顶尖制造水平的主要体现。推重比则 是衡量发动机性能好坏的一个重要指标 ，随着现代航空工业技术的快速发展，发动 机推重比日益提高，而提高发动机推重比的关键是要提高航空发动机涡轮进口燃气 的温度，单纯依靠提高材料的承温能力和采用热障涂层技术已经很难满足叶片服役 需求，因此，通过复杂气冷内腔结构改善涡轮叶片散热能力已成为当代先进航空发 动机制造的关键 ，而陶瓷型芯作为形成叶片复杂气冷内腔结构的关键技术，其性 能好坏直接决定涡轮叶片的内腔尺寸精度、浇注合格率及铸造成本等 。因此，制 造空心叶片的关键是制备出能够形成其复杂内腔结构的陶瓷型芯 。

硅基陶瓷型芯因热膨胀系数小（ 1 200 ℃的烧结温度下热膨胀系数11×10-7  /℃左 右，常温下热膨胀系数5×10-7  /℃左右），高温性能稳定，抗热震稳定性好，高温浇 注时成品率高且易被碱液腐蚀脱芯等优点，从而被广泛的应用于熔模铸造工艺 中  。据研究表明，纯氧化硅基陶瓷型芯在烧结过程中收缩率大，很难保证尺寸的 稳定，且高温挠度较大，在高温浇注时容易出现偏芯的情况，造成叶片内腔尺寸的 偏差 。现阶段主要是通过在二氧化硅基体中加入矿化剂来改善硅基陶瓷型芯的综 合性能，目前常用的矿化剂主要有硅酸锆、氧化铝、莫来石以及一些稀土氧化 物  。赵登科等人 研究了硅酸锆含量对硅基陶瓷型芯性能的影响，他们认为随 着硅酸锆含量的增加，型芯样品的收缩率、室温强度、高温挠度逐渐降低，显气孔 率逐渐增大，高温强度先增加后减小，当硅酸锆添加量为10wt.%时，型芯的综合性 能最佳。武振飞等人探究了硅酸锆的含量对硅基陶瓷型芯性能的影响，发现硅酸 锆对方石英析出的影响并不明显，硅酸锆作为高温稳定相，在烧结过程中钉扎在石 英玻璃附近，抑制石英玻璃的粘性流动，起到弥散强化的作用。

相比于传统的添加剂，也有很多学者在石英玻璃基体中添加纤维通过裂纹偏 转和纤维拔出效应改善陶瓷型芯性能 。如肖祖德等人 研究了石英纤维对氧化硅 基陶瓷型芯性能的影响，研究表明，石英纤维在显著降低氧化硅陶瓷型芯收缩的同 时，还明显改善了其室温和高温抗弯强度、抗蠕变性能以及断裂稳定性。黄嘉俊等人 研究了氧化铝纤维含量对硅基陶瓷型芯性能的影 响，指出在型芯烧结过程中，  一定量的纤维材料可以 与基体材料结合构成型芯的网络骨架，当型芯受到外 力时，可以和型芯一起承担外力的作用，另外纤维材 料可以阻碍型芯裂纹的扩展，从而增强型芯的综合性 能，当加入过量的纤维材料时，由于纤维本身的交织 聚集现象，会缠绕在型芯基体中，而且团聚的纤维会 割裂基体，反而有利于裂纹的扩展。Niu等人研究 了莫来石纤维对硅基陶瓷型芯性能的影响，指出莫来 石纤维可以作为晶核，从而促进方石英的结晶。虽然 已经有各类纤维复合陶瓷型芯的报道，但是关于硅酸 铝纤维在氧化硅基陶瓷型芯中的应用却未见报道，硅 酸铝纤维具有耐高温、热稳定性好、受热膨胀小等优 点，如今所熟悉的用途一般是经纺织或编织而成的硅 酸铝纤维板、硅酸铝纤维毡、硅酸铝纤维绳、硅酸铝 纤维毯等产品 ，其对氧化硅基陶瓷型芯的作用机制 还不清晰。本文研究了不同硅酸铝纤维含量对氧化硅 基陶瓷型芯析晶与性能的影响，由于高温下非晶态的 硅酸铝纤维可能发生析晶，碎解现象，影响型芯的高 温性能，为此在氧化硅基陶瓷型芯中加入10 wt.%硅酸 锆以保障其高温性能。

1   试验材料与方法

1.1   制备工艺

本试验是以高纯熔融石英玻璃粉（纯度99.9%以 上）作原料，由激光粒度仪测得其粒度分布如表 1 所 示。硅酸锆粒径为325目，经高温煅烧研磨而成，其化 学组成如表2所示。试验所用非晶质硅酸铝纤维的形貌 如图1所示，其纯度为98.4%，直径为1~10 μm，长度为 10~100 μm。采用石蜡作增塑剂。

首先将一定质量配比的石英玻璃粉、硅酸锆、硅 酸铝纤维充分混合均匀，其中硅酸锆含量为10 wt.% 不变，  硅酸铝纤维含量分别为0 、3wt.% 、5wt.% 、8wt.% 、10wt.%。将混合均匀的粉料放入干燥箱中进行 干燥处理，温度为120 ℃,时间为10 h。然后将烘干的 粉料分批次加入到已经熔化的增塑剂中，增塑剂含量 为16 wt.%，混合浆料在90 ℃下真空搅拌7 h，得到混合 均匀的陶瓷浆料。将制备好的陶瓷浆料倒入压注机， 热压注成形制备出尺寸为120 mm×10 mm×4 mm的试 样条素坯，压注参数见表3。对试样条素坯进行修边和 去毛刺处理后，将样品条素坯放入匣钵中用埋粉造型 后，放入箱式电阻炉中，经 1 200 ℃高温烧结6 h后取 出，将烧结后的试样经高温强化和低温强化后烘干， 得到陶瓷型芯样品。

1.2   性能表征

根据HB5353— 2004规定，采用数显游标卡尺测 量烧结前后样品的尺寸测出试样的线收缩率；型芯样 品的气孔率和体积密度采用Archimedes法测量；型芯样 品的室温和高温抗弯强度采用三点抗弯法测量，测量 跨距30 mm，加载速率0.5 mm/min；高温抗弯强度测试 前，需将型芯样品放入试验机加热区内升温至 1 550 ℃ 后保温30 min。型芯样品的高温挠度采用双支点法测 量，将烧成样品放入箱式电阻炉中，以5 ℃/min的升温 速率升温至 1 550 ℃后保温30 min，待型芯样品随炉冷 却后，测出其热变形量。以五个样品测试结果的平均 值作为以上各组数据的有效值。样品测试面经喷金处 理后，在日本HITACHI公司SU-1500型扫描电子显微镜 下观察型芯样品的断口形貌及显微组织，测试电压为 15 kV。采用日本理学的 D/MAX型X射线衍射仪测定型 芯样品中的物相，测试选用CuKα射线，步长0.02° ,   扫描速度10°/min。

2   结果与讨论

2.1   硅酸铝纤维含量对型芯析晶的影响

方石英作为硅基陶瓷型芯的主晶相，具有优异的 高温稳定性，  一定量的方石英有助于提高陶瓷型芯的 室温和高温强度。但是方石英在降温过程中会由β-方 石英向α-方石英转变，此过程伴随体积变化产生内应 力，致使型芯中微裂纹的形成，所以过量的方石英可 能降低型芯的室温强度  。因此，为了探究不同硅酸 铝纤维含量对硅基陶瓷型芯析晶的影响，本研究对不 同硅酸铝纤维含量的型芯试样进行了XRD物相分析。 从图2a中可以看出，随着硅酸铝纤维含量的增加，方 石英衍射峰逐渐增强，并且还有少量莫来石相析出， 这是因为试验采用的是非晶质硅酸铝纤维，当温度超 过985 ℃时，会在其表面析出方石英和莫来石晶体。

通过XRD图谱对型芯中方石英含量进行定量分析，结果如图2b所示，从图中可以看出，随着硅酸铝 纤维含量的增加，型芯中方石英含量逐渐增多。由于 硅酸铝纤维析出的方石英和莫来石晶体可以作为石英 玻璃析晶的形核剂，促进了型芯试样中方石英的析 出 ， 所以随着硅酸铝纤维含量的增加，型芯试样 中方石英含量逐渐增多。为了进一步了解硅酸铝纤维 在烧结过程中的析晶行为，从而证实上述分析结果， 将硅酸铝纤维在不同温度下保温6 h，图3为不同温度下 硅酸铝纤维的XRD图谱，从图中可以看出，当温度低 于900 ℃时，硅酸铝纤维仍然处于非晶态，没有方石英 和莫来石析出，当温度升高到 1 200 ℃时，已经开始有 大量的方石英和莫来石析出，继续升高温度到 1 500 ℃ ,   方石英和莫来石含量进一步增多，根据上述试验结果 可以得出，硅酸铝纤维对硅基陶瓷型芯析晶的影响是 基于硅酸铝纤维在烧结过程中析出的莫来石和方石英 可以作为石英玻璃析晶的形核剂，从而促进了型芯试 样中方石英的析出。

2.2   硅酸铝纤维含量对型芯收缩率的影响

图4为不同硅酸铝纤维含量对型芯试样收缩率的影 响规律，由图可知，随着硅酸铝纤维含量的增加，型 芯的收缩率逐渐减小。当不加纤维时，型芯的收缩率 较高为 1.5%，当加入3 wt.%的纤维时，型芯的收缩率下 降最明显，由 1.5%下降到1.0%，当纤维含量为10wt.% 时，收缩率最低为0.39%。这是因为硅基陶瓷型芯在烧 结过程中，基体材料石英玻璃会随着温度的升高而发 生粘性流动，致使型芯向致密化结构转变 ，此过程 会产生较大的收缩效应。然而，硅酸铝纤维在烧结到 985 ℃时会在其表面析出方石英和莫来石晶体 （图 2 ），晶态物质的存在会阻碍非晶态物质由于无序性所 导致的易流动性，非晶态物质的粘度与引入的晶态物 质的量α之间的关系式为：η = ηg（ 1+mα  )                    （ 2） 式中： η 为引入晶态物质后，非晶态物质的粘度；  ηg为 纯非晶态物质的粘度；  α为引入晶态物质的体积分数；  m 、n 为经验常数  。从式（ 2 ）中可以看出，随着析 出的晶体含量的增加，石英玻璃粉的粘度增加，粘性 流动更加困难，导致收缩率减小。但是，并非所有的 硅酸铝纤维都会出现晶化现象，研究表明 ，当温度为 1 200 ℃时，硅酸铝纤维的晶化率为52.3%。所以当烧 结完成后，型芯试样中还存在部分未晶化的硅酸铝纤 维，从图6断口扫描中也可以清晰的看到纤维的存在。 由于纤维的长棒状结构具有较高的长径比，其比表面 积明显低于石英玻璃粉  ，烧结理论认为，颗粒之间 的比表面能是烧结的主要驱动力 ，所以硅酸铝纤维 的加入在一定程度上抑制了型芯的烧结过程，降低了 陶瓷型芯的收缩。

2.3   硅酸铝纤维对型芯气孔率和体积密度的影响

图5为不同硅酸铝纤维含量对型芯气孔率的影响规律，从图中可以看出，随着纤维含量的增加，型芯的 气孔率逐渐增加，当纤维含量为10wt.%时，气孔率最 高为33.26%，这与收缩率的变化趋势相对应。为了进 一步说明硅酸铝纤维对型芯气孔率的影响，对不同纤 维添加量下的型芯断口进行了SEM断口扫描，结果如 图6所示，从图中可以看出，纤维穿插在基体中，由于 纤维高温性能优异，并不与二氧化硅烧结在一起，导 致纤维周围气孔的产生；另一方面，随着纤维含量的 增加，型芯试样中方石英和莫来石含量逐渐增多（图 2 ），方石英和莫来石作为高温稳定相抑制二氧化硅的 粘性流动，从而颗粒间孔隙增多，气孔率增加。

图7为不同硅酸铝纤维含量对型芯体积密度的影响 规律，从图中可以看出，随着纤维含量的增加，型芯 的体积密度基本保持不变，  一般情况下，随着型芯气 孔率的增加，型芯的体积密度应该逐渐减小，但是无 论是硅酸铝纤维的密度（2.9 g/cm3 ）还是由纤维析出的莫来石密度（3.16 g/cm3 ）均大于二氧化硅的密度 （ 2.2 g/cm3 ），当硅酸铝纤维含量增加时，型芯的重量 增加，所以总的来说，型芯的体积密度变化不大。

2.4   硅酸铝纤维含量对型芯室温强度的影响

陶瓷型芯在压制蜡模时，要具有一定的室温强度 抵抗蜡液的冲击。图8为不同硅酸铝纤维含量下型芯的 室温强度变化规律，从图中可以看出，添加纤维后型 芯试样的室温强度高于未添加纤维的试样。通过图6的 断口形貌可知，  一方面，硅酸铝纤维因具有优异的高 温稳定性，很难与基体材料烧结到一起，从而在二者 之间产生界面，当对型芯样品施加外力时，裂纹在基 体材料上发生扩展，遇到基体和纤维之间的界面时， 裂纹方向会发生改变，从而延长了裂纹扩展路径，提 高了型芯样品的室温强度。另一方面，型芯试样在 发生断裂过程中会发生纤维拔出效应，相比于石英 玻璃，纤维具有强度高、缺陷少、断裂应变能大等优点，所以当发生纤维拔出过程时，会消耗更多的断裂 能，从而提高型芯的室温强度。

随着硅酸铝纤维含量的增加，型芯试样的室温强 度先增加后减小。当纤维含量为3 wt.%时，型芯试样 的室温强度最高为23.36 MPa。当纤维含量继续增加， 型芯试样的室温强度逐渐下降，当纤维含量为10 wt.% 时，型芯试样的室温强度降低到11.83 MPa。这是因为 随着纤维含量的增加，型芯试样中的孔洞逐渐增多， 在受到外界载荷的作用时，有效承载面积降低，导致 室温强度的下降。另外，纤维含量的增加导致其在基 体中分散性变差，从图6d可以看出，部分纤维聚集在 一起交叉分布，出现团聚现象，团聚态的纤维会部分 的抵消分散纤维对基体材料的强化作用，从而降低型 芯的室温强度。但是总的来说，含有纤维的型芯样品室温强度均高于不含纤维的型芯样品室温强度。

2.5   硅酸铝纤维含量对型芯高温性能的影响

陶瓷型芯在高温浇注时要承受高温金属液的冲 击，所以陶瓷型芯必须要有一定的高温强度。图9为不 同硅酸铝纤维含量的型芯试样在1  550 ℃下的高温强 度。从图中可以看出，随着硅酸铝纤维含量的增加， 型芯试样的高温强度先增加后减小，当硅酸铝纤维含 量为3wt.%时，高温强度最高为31.39 MPa。这可能是 因为 1  550 ℃下，方石英和莫来石大量析出，方石英 和莫来石因具有高熔点和高硬度，限制了型芯的蠕性 流动，从而提高了型芯的高温强度。但是随着大量的 方石英和莫来石从非晶质硅酸铝纤维表面析出，破坏 了纤维的内部结构，伴随着纤维弹性的下降，甚至可 能出现纤维变脆和碎解现象，导致型芯的高温强度降 低。当纤维含量较少时，方石英和莫来石的强化作用 占据主导地位，所以型芯的高温强度升高，随着纤维 含量增多，变脆和碎解的纤维含量也增加，此时纤维 变脆和碎解的削弱作用占主导地位，表现出型芯高温 强度的降低。

图 10为不同硅酸铝纤维含量下型芯的高温挠 度。由图可知，随着硅酸铝纤维含量的增加，型芯试 样的高温挠度逐渐降低，当纤维含量为10 wt.%时， 挠度最低为0.22 mm。实际上，从微观角度来看，陶 瓷型芯的蠕变主要是与型芯焙烧过程中生成的方石英 量密切相关，方石英作为硅基陶瓷型芯的主晶相，具 有优异的高温稳定性，其在高温下钉扎在石英玻璃周 围，抑制石英玻璃的粘性流动，增加型芯的高温抗蠕 变性能，随着硅酸铝纤维含量的增加，型芯试样中方 石英含量逐渐增多，所以型芯试样的高温挠度逐渐降低。

3   结论

（ 1 ）高温烧结时，硅酸铝纤维析出的方石英和莫 来石可作为形核剂，促进石英玻璃析晶，随着方石英 的大量析出，纤维自身将发生变脆和碎解，降低型芯 试样的强度。

（ 2 ）随着硅酸铝纤维含量的增加，硅基陶瓷型芯 试样的收缩率逐渐减小，气孔率逐渐增加，体积密度 基本保持不变，室温强度先增大后减小，高温强度先 增大后减小，高温挠度逐渐减小。

（3）当纤维含量为3wt.%时，型芯的综合性能最 佳，收缩率为 1.0%、气孔率为29.23%、体积密度为 1.62 g/cm3 、室温抗弯强度为23.36 MPa、高温抗弯强度 为31.39 MPa、高温挠度为0.69 mm。