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    玻璃纤维增强硅溶胶型壳的强度及高温自重变形 缝纫机 » 绷缝机 | 作者:admin 发布日期:2017-08-24 查看次数:639
    核心提示:  第一:吕凯,男,1983年出生,讲师,博士研究生,内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特(010051),电话:13947146945,通信作者:刘向东,男,1966年出生,教授,内蒙古工业大
      第一:吕凯,男,1983年出生,讲师,博士研究生,内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特(010051),电话:13947146945,通信作者:刘向东,男,1966年出生,教授,内蒙古工业大学材料科学与工程学院,呼和浩特(010051),电话:0471-6575752,E-mail:liuxd66.熔模铸造应用于工业生产的各个领域,特别是结构复杂、难以机械加工的耐热合金材料的成形。因此,该技术目前仍是发动机叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂、尺寸精确以及表面粗糙度要求高的耐热合金零件成形的主要方法之一。航空工业的发展对熔模铸造型壳提出了更高要求,如更高的强度、更薄的型壳以及更低的高温变形等。传统的熔模铸造型壳在制备过程中,干燥时间较长,型壳常温湿强度较低,在干燥和硬化、脱蜡、搬运、焙烧装炉过程中易破损;焙烧后的型壳抗高温变形能力低,浇注过程中型壳易变形,成形后的零件尺寸精度低。为提高型壳的强度及高温抗变形能力,一般采用增加型壳的厚度(背层层数)来实现。但随着型壳厚度增加,会带来如型壳冷却能力下降,铸件晶粒粗大;型壳透气性下降,铸件产生气孔的倾向增大;浇注后废弃型壳作为废弃物的排放量大,回用困难,环保压力增大等问题。因此,开发种具有高强度、薄壁的增强型型壳制备技术显得尤为迫切。  有研究发现,将纤维掺入混凝土中,可以有效地防止混凝土的早期开裂,提高混凝土的韧性、抗冲击、抗渗、抗疲劳等性能。国内外也有研究者对纤维增强精铸型壳制备技术进行了研究,但仍处于起步阶段,诸多问题仍有待进一步研究,如纤维的种类、长度、直径以及加入量、加入方式等对型壳性能的影响规律以及避免制壳过程中纤维的团聚、缠绕等。  玻璃纤维是一种性能优异、廉价的无机非金属材料,具有高的化学稳定性,耐热性强、抗腐蚀性好、强度高,通常用作复合材料中的增强材料,具备了纤维增强型壳制备技术中对增强相的基本要求和条件。前期研究表明,相同质量的纤维加入到制壳用硅溶胶涂料中,较短的玻璃纤维单丝数量较多,其在涂料中被浸润后易于聚集、缠绕甚至结团,制壳后在型壳内形成极不规则的团聚体,割裂了型壳基体的连续性,导致随纤维加入量的增加型壳强度有降低的趋势。为解决玻璃纤维易团聚、增强效果差的问题,本试验选用长度为46mm的玻璃纤维来制备增强型壳,了解和掌握纤维加入量对纤维增强型壳试样的常温、焙烧后抗弯强度、高温自重变形量的影响规律,以期获得合理的纤维增强精铸型壳工艺,为实际生产提供借鉴。  1试验材料及方法1.1试样制备试验选用玻璃纤维直径为8Mm,长度为46mm;为保证铸件表面品质,面层和过渡层涂料中均不加纤维。玻璃纤维加入到背层及封浆层涂料中,其加入量为涂料中耐火粉料质量的0.2%1.0%.型壳试样制备材料见表1,型壳在室温下干燥,焙烧温度为900表1型壳试样制备用材料层数耐火粉料/目撒砂材料/目干燥时间/h面层(1)锆英粉(325)过渡层(2)莫来石粉(200)莫来砂(30/60)莫来石粉(200)莫来砂(16/30)封浆(5)莫来石粉(200)1.2试验方法抗弯强度及高温自重变形测试用型壳试样的形状及尺寸见。采用三点弯曲试验法在室温下对型壳试样进行强度测试。用XQY-n型智能型砂强度仪测试抗弯强度。用扫描电镜观察型壳试样的断口形貌。  将经焙烧后高温自重变形的圆环试样装入高温炉,升温至1200C,保温60min,随炉冷却至室温后测量试样经高温自重变形后的外径尺寸。然后再根据下式计算出试样的高温自重变形率。  次r温自重变形率,A为试样的初始外径,mm;B为高温下发生自重变形后试样的外径,mm. 2试验结果及讨论2.1型壳试样的常温抗弯强度及断口形貌为不同纤维加入量条件下玻璃纤维增强复合型壳的常温抗弯强度的变化曲线。由可知,型壳采用玻璃纤维增强后,其常温的抗弯强度较未用纤维增强的试样均有不同程度地提高。玻璃纤维加入量在0 0.6%范围内逐渐增加时,型壳的常温抗弯强度快速增大,几乎呈线性增长;玻璃纤维加入量为0.6%时,型壳的常温抗弯强度最大,为4.61MPa.玻璃纤维加入量超过0.6%时,型壳的常温抗弯强度快速下降。纤维加入量为1.0%时,型壳的常温抗弯强度仅为3.59MPa,但仍高于未进行纤维增强的试样。这是由于制壳用硅溶胶涂料中的玻璃纤维加入量较低时,硬化后的型壳中纤维与硅溶胶凝胶界面结合形成了受力骨架,强化了耐火粉料和粘结剂的连接。在型壳试样承受外加弯曲力时,这些界面可以有效地分担部分载荷并阻止裂纹的扩展,使强度提高。然而,当制壳用涂料中纤维加入量超过0.6%时,一部分纤维在涂料混制过程中仍然能够充分分散,发挥增强作用,使得型壳强度提高;而另外一部分纤维由于发生聚集、缠绕甚至结团,制壳后在型壳内形成极不规则的团聚体,割裂了型壳基体的连续性,导致型壳强度降低;二者综合作用导致试样强度明显降低。发生聚集、缠绕甚至结团的纤维量越多,试样强度降低幅度越大。  纤维加入量对型壳试样常温抗弯强度的影响为不同纤维加入时常温的型壳试样进行强度测试后的试样断口形貌。由ae可见,相同视场面积内,型壳中的纤维数目(根数)逐渐增加,但分布并不十分均匀。随着纤维加入量的增加,试样断口中出现少量玻璃纤维平行、集束的现象(见d),甚至出现大量团聚(见e)。这是导致纤维加入量过高时型壳强度有所下降的原因。此外,从f中可见,试样断口表面纤维拔出后遗留的圆形孔洞,纤维上还附着拔出时粘着的胶膜。这表明,玻璃纤维复合型壳中,纤维通过胶粘界面起到增强作用,在受载荷失效的过程中,胶膜的脱粘、纤维的拔出均消耗能量。并且,纤维拔出后遗留的圆形孔洞较型壳原有孔隙更易于阻止裂纹的扩展。  因此,宏观上体现为抗弯强度的增加,裂纹扩展迟滞,但当纤维加入量增大后,纤维团聚集束,其在型壳内部分布的不均匀导致这种纤维的增强作用减弱,并且成束拔出后的空隙不再是圆形,反而产生割裂作用,这与相吻合。  2.2焙烧后型壳试样的抗弯强度及断口形貌为玻璃纤维加入量对焙烧后型壳试样强度的影响。由可知,随着纤维加入量的增加,型壳试样焙烧后的抗弯强度明显增大。纤维加入量为0.6%时,焙烧后型壳试样强度最大,比未用纤维增强试样的强度提高约45%.当纤维加入量<0.4%时,随着纤维加入量的增加,焙烧后型壳试样的抗弯强度急速增大;而纤维加入量为0.6%时,型壳试样的抗弯强度增幅变缓,仅比纤维加入量为0.4%时提高0.68%;纤维加入量>0.6%时,焙烧后型壳试样的抗弯强度开始缓慢下降。  纤维加入量>0.8%时,焙烧试样的抗弯强度开始急剧降低。  纤维加入量对增强型壳试样焙烧后的抗弯强度的影响规律与对型壳试样常温抗弯强度的影响规律总体相似。不同之处在于,增强型壳试样焙烧后的抗弯强度随纤维加入量增加,其变化曲线存在一个缓慢增加、缓慢降低的过程,即曲线上存在一个缓慢变化的平台。究其原因,除去随纤维加入量增加,发生聚集、缠绕甚至结团的纤维量越多,纤维增强效果减弱,试样强度增幅变缓甚至出现下降的原因之外,还有可能存在其他原因。  为不同纤维加入量的型壳试样焙烧后的断口形貌。从a中可以看到,整根单丝玻璃纤维熔化断裂,断裂后纤维端部存在球状或近似球状物;b中有纤维熔融后遗留的圆孔,c、d中均有完整的纤维,但已不再平直(纤维沿轴向变化),纤维表面虽仍光滑但凹凸不平,形成“纺锤型”的“珠串”结构。这说明在型壳焙烧过程中玻璃纤维发生了熔融,体积发生膨胀;且纤维熔体具有较大的表面张力,因而趋于形成球状或椭球状;当温度足够高时,玻璃纤维熔体重力作用下会发生移动,因而导致纤维直接沿轴向变化,纤维表面凹凸不平。从c、d看出,受力破坏后,试样断口表面存在的纤维并未断裂,但纤维不同位置处的直径已发生明显变异。这种具有“纺锤型”的“珠串”结构的纤维存在于型壳中后,相当于增加了纤维-硅溶胶界面的锁结点,因此使型壳强度升高。而采用1.0%纤维增强的型壳试样,由于纤维数目多,部分纤维发生团聚(平行排列成纤维束),在型壳焙烧升温过程中,纤维束熔融后的体积大,膨胀量大,熔体在表面张力及重力作用下会形成体积较大、“纺锤型”的“珠串”结构,试样冷却后,这种弯曲载荷时易发生脆性断裂,导致试样的强度降低,见由此可见,纤维加入量对增强型壳试样焙烧后的抗弯强度的影响规律与对型壳试样常温抗弯强度的影响规律之所以不同,其原因在于型壳试样在焙烧过程中,纤维受热产生“纺锤型”的“珠串”结构。这种“纺锤型”  的“珠串”结构冷却后转变为脆性相,尺寸较大,形状不规则,因而对试样强度,尤其是抗弯强度带来不利影响。  当纤维加入量增大时,纤维发生聚集、缠绕、团聚或聚集成束的几率增大,型壳中纤维受热产生“纺锤型”的“珠串”结构的几率也随之增加。由此而导致型壳在焙烧后在其内部形成脆性相的几率也大大增加。因此,当纤维加入量过高时,增强型壳试样焙烧后的抗弯强度降低与纤维发生聚集、缠绕、团聚或聚集成束的现象有关,但其本质原因是“纺锤型”的“珠串”结构的脆性相形成所导致。  2.3型壳试样的高温自重变形量铸件尺寸越大,型壳尺寸及质量也越大,型壳质量的增大会导致其在高温受热时,在自重条件下变形加剧。为型壳中不同纤维加入量对试样高温自重变形量的影响。由可见,当纤维加入量<0.4%时,随着纤维加入量的增加,型壳试样的高温自重变形量逐渐增大。只有当纤维加入量增加至1.0%后,试样的高温自重变形量才小于未用纤维增强的型壳试样。  8%时试样的高温自重变形量已下降至1.0%以下,满足精铸使用要求,纤维加入量增加至1.0%后,高温自重变形量达到最小。  型壳高温自重变形测试过程中,试样受自重影响,有别于抗弯强度的测试,而且温度更高,保温时间也较长,这使得型壳中的玻璃纤维充分熔融,在重力作用下,圆环试样内不同位置的纤维发生的变形不同,导致受力不均,即变形量增加。但纤维加入量增大到一定程度后,足够多熔融的玻璃态物质可以填补高温过程中产生的空隙,起到阻碍变形的作用,使得型壳变形量下降。  3结论纤维加入量从0.2%1.0%变化时,常温及焙烧后型壳抗弯强度均先增大后减小,加入量为0.6%时,分别达到最大值4.纤维加入量为1.0%时,高温自重变形量最小,为0.647%,较未进行纤维复合的型壳降低了24%.纤维增强硅溶胶型壳试样受力破坏失效主要由于硅溶胶凝胶膜的断裂、玻璃纤维拔出及脱粘等因素综合作用所致。

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