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陶瓷型芯行業(yè)發(fā)展情況
思瀚產(chǎn)業(yè)研究院 航安型芯    2023-08-21

（1）技術(shù)發(fā)展歷程及趨勢(shì)

①陶瓷型芯技術(shù)發(fā)展歷程

提高渦輪燃?xì)鉁囟纫恢笔呛娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)研究的重點(diǎn)?，F(xiàn)階段，提高渦輪燃?xì)鉁囟戎饕ㄟ^(guò)三種手段：一是開(kāi)發(fā)新的高溫合金材料，以不斷提升葉片的承溫能力，二是研制新型的熱障涂層，三是改善渦輪葉片的氣冷結(jié)構(gòu)，提高葉片的冷卻效率。

渦輪葉片的制造過(guò)程中，傳統(tǒng)的鍛造、機(jī)加等手段不能成形復(fù)雜的葉片內(nèi)腔形狀，只能采用熔模鑄造工藝生產(chǎn)。熔模鑄造中，形成空心鑄件內(nèi)腔形狀的陶瓷型芯，其性能和質(zhì)量對(duì)鑄件生產(chǎn)的質(zhì)量和合格率起到重要影響。

我國(guó)對(duì)陶瓷型芯的研制，始于 20 世紀(jì) 70 年代中期。經(jīng)有關(guān)研究院所、高等院校和企業(yè)的共同努力，自 80 年代以來(lái)，已研制成功 XD-1 硅基陶瓷型芯和 AC-1、AC-2 鋁基陶瓷型芯等多種陶瓷型芯，滿足了研制新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的需要。進(jìn)入21 世紀(jì)以來(lái)，盡管研制陶瓷型芯的單位數(shù)量有所增加，但產(chǎn)品品類齊全、具備量產(chǎn)能力、穩(wěn)定供應(yīng)的陶瓷型芯生產(chǎn)企業(yè)相對(duì)較少。

陶瓷型芯經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，產(chǎn)品種類不斷豐富，行業(yè)內(nèi)一般按化學(xué)組成、成型方法等的不同進(jìn)行區(qū)分。

I、硅基陶瓷型芯

硅基陶瓷型芯的主體材料為石英玻璃。石英玻璃是熔融石英經(jīng)高溫熔融、快速冷卻而形成的無(wú)定形物質(zhì)。石英玻璃具有各向同性、高粘度、熱膨脹系數(shù)小等特征，長(zhǎng)期以來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外陶瓷型芯的主要基體材料。硅基陶瓷型芯的最大特點(diǎn)在于：在 1,100～1,250℃的溫度范圍內(nèi)，部分石英玻璃會(huì)發(fā)生相變，析出方石英晶體。

由于晶體比玻璃體的蠕變小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，所以當(dāng)陶瓷型芯中含有一定量的方石英時(shí)，陶瓷型芯的高溫抗變形能力較好。但是析晶過(guò)程的體積效應(yīng)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力會(huì)使陶瓷型芯中出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，從而降低陶瓷型芯的強(qiáng)度。因此，方石英的析出規(guī)律及其對(duì)陶瓷型芯性能的影響是硅基陶瓷型芯的技術(shù)難點(diǎn)，合理控制陶瓷型芯在制備及使用過(guò)程中方石英的含量是硅基陶瓷型芯制備技術(shù)的關(guān)鍵。

II、鋁基陶瓷型芯

歐洲國(guó)家自 20 世紀(jì) 70 年代起就將鋁基陶瓷型芯應(yīng)用于生產(chǎn)單晶葉片，在鋁基陶瓷型芯的研究和應(yīng)用方面世界領(lǐng)先。我國(guó)鋁基陶瓷型芯的研制起步于 20 世紀(jì) 90 年代后期，起步較晚。

鋁基陶瓷型芯的主體材料是 α-Al2O3 粉體。與硅基陶瓷型芯相比，α-Al2O3具有較好的熱強(qiáng)性、較高的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的耐高溫性能，且在焙燒和使用過(guò)程中無(wú)晶型轉(zhuǎn)變，更適用于定向凝固柱晶及單晶葉片的鑄造。隨著單晶高溫合金鑄造的進(jìn)一步發(fā)展，渦輪葉片的澆鑄溫度進(jìn)一步提升，對(duì)陶瓷型芯的耐高溫性能和高溫化學(xué)穩(wěn)定性的要求更高。

鋁基陶瓷型芯存在以下缺陷：一是其燒成通常在高于 1,600℃的溫度下進(jìn)行，燒成性相對(duì)較差；二是 α-Al2O3 難溶于酸和堿，與硅基陶瓷型芯相比，鋁基陶瓷型芯使用后脫芯相對(duì)困難。因此，解決燒成難和脫芯難的問(wèn)題是鋁基陶瓷型芯生產(chǎn)及使用過(guò)程中的兩大技術(shù)難點(diǎn)。

按成型方法和工藝特點(diǎn)，陶瓷型芯可分為熱壓注、傳遞成形、灌漿成形、凝 膠注模成型、3D 打印成型陶瓷型芯等。目前國(guó)內(nèi)外仍以熱壓注陶瓷型芯為主。

②陶瓷型芯技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著現(xiàn)代熔模鑄造朝著“優(yōu)質(zhì)、精密、大型、薄壁、無(wú)余量”方向的發(fā)展， 對(duì)陶瓷型芯的性能及工程可靠性提出了新的需求，陶瓷型芯制備技術(shù)的發(fā)展也正 面臨著新的機(jī)遇。

1）承溫性能不斷提升

隨著高溫合金由鐵基合金、鈷基合金和鎳基合金向定向共晶合金及金屬間化 合物的發(fā)展，渦輪葉片由等軸晶向定向凝固柱晶及單晶的發(fā)展，高溫合金澆鑄溫 度不斷提高，澆鑄過(guò)程時(shí)間不斷延長(zhǎng)，進(jìn)而對(duì)陶瓷型芯的承溫能力要求不斷提高。

2）形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、精細(xì)化

渦輪葉片氣冷結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)的對(duì)流、回流、氣膜冷卻向發(fā)散冷卻、層板冷卻方式的改進(jìn)，要求陶瓷型芯的形狀及結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜精細(xì)。

3）組分多元化

合金材質(zhì)的改進(jìn)及合金種類的增加，要求陶瓷型芯的化學(xué)穩(wěn)定性更高，適用面更寬。陶瓷型芯組分已在常用的氧化硅、氧化鋁的基礎(chǔ)不斷擴(kuò)展。

4）材料復(fù)合化

隨著對(duì)陶瓷型芯使用要求的不斷提高，單一材料已難以同時(shí)滿足陶瓷型芯制備工藝與使用性能的要求，不同陶瓷型芯材料之間的復(fù)合，不同材質(zhì)陶瓷型芯件之間的復(fù)合，已成為發(fā)展趨勢(shì)之一。

（2）市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

①陶瓷型芯產(chǎn)品市場(chǎng)空間廣闊

熔模鑄造是一種適用于標(biāo)準(zhǔn)化大批量生產(chǎn)、價(jià)格經(jīng)濟(jì)的成熟鑄造工藝，于20 世紀(jì) 40 年代開(kāi)始普遍應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、能源化工、汽車等多種行業(yè)的鑄件制造。陶瓷型芯是形成熔模鑄造鑄件空腔的必備耗材。因此，陶瓷型芯在軍用、民用市場(chǎng)均擁有極其廣闊的市場(chǎng)空間。

②“兩機(jī)”領(lǐng)域的陶瓷型芯應(yīng)用場(chǎng)景廣泛多樣

目前主要專注于“兩機(jī)”的核心部件渦輪葉片用陶瓷型芯的研制。除渦輪葉片外，“兩機(jī)”領(lǐng)域的陶瓷型芯應(yīng)用場(chǎng)景廣泛多樣。

③“兩機(jī)”領(lǐng)域的陶瓷型芯發(fā)展前景良好

目前陶瓷型芯的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪葉片制造。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比等性能指標(biāo)要求的持續(xù)提升，渦輪溫度不斷增加，導(dǎo)致渦輪葉片的空心氣冷結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜精密。在我國(guó)國(guó)防預(yù)算不斷提升、軍用飛機(jī)升級(jí)換代需求迫切和訓(xùn)練量不斷加大的背景下，軍用航空發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)呈現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，

新戰(zhàn)機(jī)的大量裝備部隊(duì)，以及新發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷定型、量產(chǎn)，為陶瓷型芯行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模的穩(wěn)定增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。隨著國(guó)產(chǎn) C919、C929、ARJ21 等商用飛機(jī)研發(fā)試制進(jìn)度的不斷推進(jìn)，對(duì) CJ-500、CJ-1000、CJ-2000 等長(zhǎng)江系列國(guó)產(chǎn)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)量產(chǎn)進(jìn)度提出了明確要求，相關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)定型量產(chǎn)交付，將極大地拓展陶瓷型芯的市場(chǎng)空間。

燃?xì)廨啓C(jī)方面，我國(guó)各類軍用艦船生產(chǎn)及更新?lián)Q代需求，以及“雙碳”背景下預(yù)期燃?xì)獍l(fā)電占比持續(xù)提升，將明顯促進(jìn)軍用及民用市場(chǎng)對(duì)各功率級(jí)別國(guó)產(chǎn)燃?xì)廨啓C(jī)的需求，進(jìn)而為陶瓷型芯行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)規(guī)模增長(zhǎng)提供新的增長(zhǎng)點(diǎn)。此外，其他熔模鑄造領(lǐng)域的發(fā)展，也將帶動(dòng)陶瓷型芯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。