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(xiàn)有的氧化硅陶瓷型芯高溫活性大，在陶瓷與金屬的界面上易產(chǎn)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(dǎo)致熔模鑄件生產(chǎn)滯后。

為了改善陶瓷型芯的性能，提高熔模鑄件的生產(chǎn)效率，張偉以莫來(lái)石、藍(lán)晶石、α-Al?O?微粉和石英粉為原料，制備出具有耐高溫、抗熱腐蝕、強(qiáng)度高等優(yōu)良性能的Al?O?/SiO?復(fù)合陶瓷型芯，該復(fù)合陶瓷型芯克服了氧化鋁、氧化硅等陶瓷型芯強(qiáng)度低、高溫變形大及脫芯困難等缺點(diǎn)。

結(jié)果表明：隨著藍(lán)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(dāng)加入量w(藍(lán)晶石)=19%時(shí)，陶瓷型芯具有良好的性能，達(dá)到應(yīng)用的要求。制備Al?O?/SiO?復(fù)合陶瓷型芯的最佳工藝為：原料配比為(質(zhì)量比)莫來(lái)石∶藍(lán)晶石∶α-Al?O?微粉∶石英粉=14∶4∶2∶1，燒成溫度為1500℃。制備的復(fù)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(qiáng)度為28.2MPa。

由XRD曲線看出，隨著燒成溫度的升高，試樣中Al?O?相、SiO?相和藍(lán)晶石相逐漸消失，1500℃燒成后僅有莫來(lái)石相。由SEM照片看出，1500℃燒成后材料的氣孔率較小，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(cuò)，宏觀上表現(xiàn)為材料具有較高的強(qiáng)度。將研制的Al?O?/SiO?復(fù)合陶瓷型芯大規(guī)模投產(chǎn)應(yīng)用，使用結(jié)果表明：使用此型芯澆鑄的鑄件尺寸精確、表面光潔、質(zhì)量良好，并且可應(yīng)用于多種規(guī)格熔模鑄件，年產(chǎn)量達(dá)到200～300萬(wàn)個(gè)。

在熔模鑄造中，復(fù)雜狹窄的鑄件內(nèi)腔采用常規(guī)的浸漬涂料、撒砂等工序根本無(wú)法實(shí)施，通常采用預(yù)制陶瓷型芯來(lái)形成內(nèi)腔，例如航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心渦輪葉片。葉片的冷卻通道迂回曲折，形若迷宮，對(duì)于這樣的鑄件就必須采用陶瓷型芯。新一代高效冷卻航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片正是高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵，而高效冷卻的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片必需具有復(fù)雜細(xì)微結(jié)構(gòu)的陶瓷型芯。這種型芯很薄，非常精細(xì)，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。

在材質(zhì)的選擇上，由于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(zhǎng)時(shí)間，因此硅基陶瓷型芯已經(jīng)不能適應(yīng)高級(jí)單晶和共晶葉片的澆注條件;而氧化鋁基陶瓷型芯化學(xué)穩(wěn)定性好，抗蠕變性能好，可保證內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜葉片的尺寸精度，因此很適合高級(jí)單晶和共晶澆注條件使用。但在實(shí)際生產(chǎn)中，陶瓷型芯的制造一直是空心葉片生產(chǎn)中的瓶頸，因此需要不斷改進(jìn)陶瓷型芯材料和制造技術(shù)。覃業(yè)霞等[59]以剛玉粉、藍(lán)晶石粉和MgO粉為原料，以碳粉作為易潰散劑，研究了藍(lán)晶石對(duì)氧化鋁基復(fù)合陶瓷型芯性能的影響。結(jié)果表明：隨著藍(lán)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(shù)減小。陶瓷在燒結(jié)過(guò)程中，隨著溫度的升高會(huì)產(chǎn)生燒結(jié)收縮，同時(shí)藍(lán)晶石的分解反應(yīng)以及二次莫來(lái)石化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生膨脹，因此燒結(jié)后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(jié)果。藍(lán)晶石在高溫下分解帶來(lái)的體積膨脹可以提高陶瓷型芯的抗蠕變性能，同時(shí)分解產(chǎn)物莫來(lái)石在陶瓷型芯內(nèi)部形成了高強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)互鎖，在高溫單晶鑄造條件下，阻隔了液相的粘滯流動(dòng)，使型芯的高溫變形速率下降。國(guó)外方面，氧化鋁基陶瓷型芯在俄羅斯應(yīng)用較為廣泛。英、美等國(guó)在復(fù)雜薄壁的單晶葉片及共晶葉片上也使用氧化鋁型芯。

此外，以藍(lán)晶石為原料還可制備出其他類(lèi)型陶瓷。莫來(lái)石陶瓷具有高熔點(diǎn)、抗蠕變性、低膨脹系數(shù)、抗熱震性及抗腐蝕性?xún)?yōu)良等特點(diǎn)，已在工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用。莫來(lái)石陶瓷主要是以人工合成的莫來(lái)石為原料，采用燒結(jié)法生產(chǎn)的，該方法需預(yù)先制備莫來(lái)石熟料，因而工序復(fù)雜、能耗高(制品燒成溫度為1550℃～1600℃)。為此，李博文等以藍(lán)晶石微粉和αΣAl?O?微粉為原料，燒結(jié)溫度為1350℃，利用如下反應(yīng)：

2(Al?O?·SiO?+Al?O?→3Al?O?·2SiO?

采用一步煅燒法制備出莫來(lái)石陶瓷。結(jié)果表明：以該法制備的莫來(lái)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(qiáng)度為180.87MPa～315.30MPa，燒結(jié)過(guò)程中的體積收縮率為0.49%～2.73%。用該法制備的莫來(lái)石陶瓷與采用傳統(tǒng)燒結(jié)法制備的同類(lèi)產(chǎn)品相比，工藝流程簡(jiǎn)化，燒結(jié)溫度降低200℃～250℃，在材料氣孔率較高的情況下，材料的耐壓強(qiáng)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(jié)溫度降低50℃，耐壓強(qiáng)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(lán)晶石、剛玉、氧化硅粉、氧化鋁粉為原料，以聚乙烯醇(PVA)為結(jié)合劑，利用藍(lán)晶石在高溫下分解產(chǎn)生的莫來(lái)石與剛玉復(fù)合，制備出莫來(lái)石-剛玉復(fù)合陶瓷。結(jié)果表明：藍(lán)晶石的膨脹性能抵消或減小了陶瓷燒結(jié)過(guò)程中的收縮比例，并且增強(qiáng)了陶瓷的抗折強(qiáng)度。Rahbar等研究了4種粒度范圍(45μm～63μm，63μm～90μm，90μm～125μm，125μm～250μm)的藍(lán)晶石對(duì)合成莫來(lái)石陶瓷抗熱震性能的影響。

結(jié)果表明：由大顆粒尺寸范圍的藍(lán)晶石制備的燒結(jié)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、分布均勻的氣孔。在本試驗(yàn)中，由125μm～250μm藍(lán)晶石制備的燒結(jié)體經(jīng)過(guò)1280℃至水冷(5℃)熱震循環(huán)后具有最佳的抗熱震性能，這也驗(yàn)證了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(duì)改善脆性材料抗熱震性能的貢獻(xiàn)逐漸下降。

堇青石陶瓷具有熱膨脹系數(shù)低、抗熱震性好、抗化學(xué)侵蝕性好和介電性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)和氧化鋁質(zhì)原料，其中鎂質(zhì)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(zhì)原料主要為：高嶺石和高嶺石質(zhì)粘土。對(duì)于俄羅斯而言，幾乎所有的高嶺石質(zhì)粘土礦床均位于俄羅斯境外，因此高嶺石質(zhì)粘土屬于稀缺原料。俄羅斯的一項(xiàng)研究表明：采用俄羅斯希佐瓦拉礦山藍(lán)晶石精礦、方鎂石和卡列利亞地區(qū)產(chǎn)的滑石、綠泥片巖為原料，可以制備出堇青石陶瓷，并以藍(lán)晶石為原料制備的堇青石陶瓷與以傳統(tǒng)原料高嶺石制備的堇青石陶瓷進(jìn)行了性能對(duì)比。

配料組成分別為：

(a)藍(lán)晶石精礦、石英和方鎂石;

(b)高嶺石、石英和方鎂石;

(c)藍(lán)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(lán)晶石分解產(chǎn)生莫來(lái)石，莫來(lái)石與二氧化硅和方鎂石(MgO)反應(yīng)形成堇青石，反應(yīng)式為：

3(Al?O?·SiO?)→3Al2O3·2SiO?+SiO?

2(3Al?O?·2SiO?)+6MgO+11SiO?→3(2MgO·2Al?O?·5SiO?)

(b)高嶺石(Al?O?·2SiO?·2H?O)失水形成偏高嶺石，在950℃～1150℃區(qū)間結(jié)晶為莫來(lái)石。莫來(lái)石與方鎂石和二氧化硅反應(yīng)形成堇青石，反應(yīng)式為：

3(Al?O?·2SiO?)→3Al?O?·2SiO?+4SiO?

2(3Al?O?·2SiO?)+6MgO+11SiO?→3(2MgO·2Al?O?·5SiO?)

(c)藍(lán)晶石分解產(chǎn)生莫來(lái)石，莫來(lái)石與二氧化硅、滑石分解產(chǎn)物以及綠泥石分解形成的苦閃橄欖巖和石英的反應(yīng)產(chǎn)物斜頑輝石(MgO·SiO?)反應(yīng)形成堇青石，反應(yīng)式為：

3(Al?O?·SiO?)→3Al?O?·2SiO?+SiO?

2(3Al?O?·2SiO?)+6(MgO·SiO?)+5SiO?→3(2MgO·2Al?O?·5SiO?)

結(jié)果表明：

含有藍(lán)晶石或高嶺石的配料，在燒成的開(kāi)始階段其礦物形成過(guò)程的差異并不影響最終產(chǎn)物的相組成，相組成取決于配料的化學(xué)計(jì)量組成。以藍(lán)晶石制備的堇青石的晶胞參數(shù)值略大。三種配料組成經(jīng)過(guò)1350℃×2.5h燒成后。

配料組成(c)的介電常數(shù)較高，但仍處于堇青石陶瓷特有的范圍之內(nèi)。以藍(lán)晶石為原料制備的堇青石陶瓷(a)和(c)的線收縮率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于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(xiàng)研究表明：采用藍(lán)晶石礦物制造堇青石陶瓷是可行的，同時(shí)由于藍(lán)晶石精礦中含有的石英參與了堇青石的形成，因此不需要對(duì)藍(lán)晶石礦物進(jìn)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(lán)晶石，經(jīng)過(guò)1320℃燒結(jié)后，制備出一種氣孔率達(dá)46.65%、機(jī)械強(qiáng)度達(dá)19.96MPa、抗熱震性能好的堇青石多孔陶瓷。

藍(lán)晶石的加入對(duì)堇青石多孔陶瓷起到了優(yōu)化作用。