專利名稱：一種凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有復(fù)雜精確形狀特征、外徑尺寸可達(dá)160mm以上的無壓燒結(jié)碳化娃陶瓷葉輪制備方法。
背景技術(shù)：
無壓燒結(jié)碳化硅是一種良好的結(jié)構(gòu)陶瓷，具有硬度高、熱導(dǎo)率高、熱震性能高，耐磨損、耐化學(xué)腐蝕性能好等特點，是一種非常理想的耐腐蝕、耐磨損、耐高溫離心泵葉輪制造材料。反應(yīng)燒結(jié)的碳化硅制品中包含20vol%左右的游離硅，而且燒結(jié)溫度較低，所以反應(yīng)燒結(jié)的碳化娃材料在機械強度、耐腐蝕性、耐磨損性方面均遠(yuǎn)低于無壓燒結(jié)碳化娃制品。碳化硅陶瓷葉輪復(fù)雜的形狀特征使其制備非常困難。模壓、冷等靜壓等成型方式 均不能獲得如此復(fù)雜的形狀。李子紅的發(fā)明專利“金屬基陶瓷表層泵用復(fù)合葉輪及生產(chǎn)方法”(公開號CN1746510A)在金屬葉輪的表面上包覆一層石英、長石、粘土、有機物等成分的陶瓷層，經(jīng)600 850°C燒結(jié)后獲得具有耐腐蝕、耐磨損等特性的金屬基陶瓷表層復(fù)合葉輪。但該葉輪不屬于全陶瓷葉輪，而且燒結(jié)溫度低，耐腐蝕、耐磨損等性能遠(yuǎn)低于無壓燒結(jié)碳化硅材料；依鳳鳴等的實用新型專利“工程陶瓷耐磨風(fēng)機葉輪”(公開號CN2181584)在金屬葉輪后盤上開設(shè)溝槽，溝槽內(nèi)鑲嵌陶瓷葉片并靠相對應(yīng)的榫頭連接，該葉輪仍不屬于全陶瓷葉輪。陸鎖根的實用新型專利“利用二次燒結(jié)法制造的全陶瓷葉輪”(公開號CN201079778)將葉輪整體分解成葉輪上蓋、葉輪底板和葉片三部分，分別加工后組裝、采用陶瓷粘結(jié)劑、二次燒結(jié)達(dá)到陶瓷葉輪整體，全套工藝復(fù)雜，屬于拼接組合成型，容易在結(jié)合部位發(fā)生斷裂。因此只能采用膠態(tài)成型方法成型陶瓷葉輪，但注漿成型尺寸精度低、壁厚較小，生坯密度低；注射成型工件壁厚小、脫膠時間過長、容易產(chǎn)生成型缺陷。凝膠注模工藝是20世紀(jì)90年代由美國Omatete和Janney等發(fā)明的一種新成型工藝，該工藝?yán)没旌咸沾煞勰┑挠袡C單體溶液在引發(fā)劑和催化劑作用下交聯(lián)聚合成三維網(wǎng)絡(luò)聚合物凝膠，從而原位凝固成型狀復(fù)雜且顯微結(jié)構(gòu)均勻的坯體，主要用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的陶瓷與粉末冶金制品成型，與普通干粉壓制成型相比具有生坯強度高、密度均勻等優(yōu)點。因此凝膠注模成型方法是制造耐腐蝕、耐磨損、耐高溫離心泵陶瓷葉輪的理想選擇。趙文興等的發(fā)明專利“大尺寸復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝”(公開號CN101941231 A)采用了中位徑為O. 5 40um的幾種碳化硅粉末進(jìn)行級配提高漿料固相含量，制備了尺寸達(dá)I米量級的復(fù)雜形狀碳化硅素坯。但該素坯中沒有助燒劑，同時O. 5 40um的碳化硅粉末級配無法采用無壓燒結(jié)致密化，后續(xù)工藝中包含滲硅，屬于反應(yīng)燒結(jié)碳化硅體系；周龍捷的“水基高固相含量SiC懸浮體的制備和凝膠注模成型”及張濤的“凝膠注模成型制備致密SiC陶瓷材料”研究的為含氧化物燒結(jié)助劑的液相燒結(jié)體系碳化硅；張景賢的“通過凝膠注模成型和無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷”采用的碳源為糊精，引發(fā)體系為自制，而且不具備復(fù)雜形狀、大尺寸等重要特征要素；
化工、石油及核電站經(jīng)常需要將高溫、強酸堿性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高溫、耐強酸堿腐蝕、耐磨損的葉輪泵。如何制備出滿足性能要求、形狀復(fù)雜精確的大尺寸泵用葉輪，是擺在我們面前的一個難題。本發(fā)明正是針對這一問題開展的研究和開發(fā)工作采用凝膠注模工藝成型、無壓燒結(jié)制備大尺寸、形狀復(fù)雜碳化硅陶瓷葉輪坯；采用適合無壓燒結(jié)的亞微米碳化硅粉末、含硼體系助燒劑制備漿料，控制漿料固含量、粘度，保證葉輪的均勻性和素坯強度；采用控溫、控濕分段干燥的手段抑制復(fù)雜、精確形狀、大尺寸素坯的開裂；采用關(guān)鍵區(qū)段溫度控制的無壓燒結(jié)工藝保證葉輪的高強度、抗磨損和抗腐蝕性。具體發(fā)明內(nèi)容如下

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了采用凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備陶瓷葉輪中的諸多工藝難題，實現(xiàn)了具有復(fù)雜精確形狀特征、外徑尺寸可達(dá)160mm以上的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪的制備。本發(fā)明提出的技術(shù)方案是一種凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的方法，包括如下步驟
1)預(yù)混原料粉末將碳化硅粉末、炭黑粉末和碳化硼粉或硼粉加入到去離子水介質(zhì)中，以丙三醇為分散劑，進(jìn)行球磨混料、振動磨混料或者攪拌磨混料，料漿經(jīng)真空烘干、破碎、過篩，或者噴霧干燥，獲得混合均勻的混合粉末，備用，其中，碳化硼粉或硼粉O. 3wt%-2wt%,炭黑粉末O. 5wt%—3wt%,其余為碳化娃粉末；
2)配制有機物預(yù)混液將單體和交聯(lián)劑在預(yù)混液中占5 20vol%，分散劑比例為2 5vol%，加入到去離子水中進(jìn)行機械攪拌，得到有機物預(yù)混液，備用，其中，單體和交聯(lián)劑的質(zhì)量比為5 20 :1 ;
3)配制陶瓷漿料將步驟I)的預(yù)混合的原料粉末加入到步驟2制備得到的有機物預(yù)混液中，固相含量45 55vol% ；
4)真空脫泡將步驟3得到陶瓷漿料放到密閉容器中，抽真空脫泡；
5)加入引發(fā)劑、催化劑向步驟4得到的陶瓷漿料中加入陶瓷漿料重量O.02 O. lwt%的引發(fā)劑和陶瓷漿料重量O. 01 O. 05wt%的催化劑；
6)注模成型將上述步驟制備得到的陶瓷漿料注入到特制的陶瓷葉輪模具中，室溫固化，脫模，得到陶瓷葉輪生坯；
7)控濕、控溫兩段式干燥將上述步驟制備得到陶瓷葉輪生坯放入可控制濕度的環(huán)境中，在室溫下控制濕度緩慢的從100%降低至50%，保持2 24h，然后轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)緩慢升溫至100°C，保溫I 5h ;機械加工，獲得陶瓷葉輪部分形狀、尺寸細(xì)節(jié)；
8)真空脫膠將經(jīng)過上述步驟處理得到陶瓷葉輪采用真空脫膠爐，在流動氬氣氣氛下，緩慢脫除陶瓷葉輪中的有機物成分；
9)無壓燒結(jié)上述步驟處理得到陶瓷葉輪置于真空燒結(jié)爐中，在溫度為1700°C保溫I 3h，再以2 8°C /min升溫至2000°C，保溫I 3h，在溫度2050 2200°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間I 2h，進(jìn)行機械加工該階段陶瓷葉輪燒結(jié)坯硬度極高，機械加工主要是金剛石砂輪磨削，獲得具有復(fù)雜精確形狀特征、外徑尺寸可達(dá)160mm以上的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪。進(jìn)一步,所述碳化娃粉末純度> 98%,平均粒徑為< O. 5um ;碳化硼、炭黑粒度均為微米或亞微米級粉末。
進(jìn)一步，所述陶瓷漿料中的單體為分析純的丙烯酰胺(AM)、分析純的甲基丙烯酰胺(MAM)、羥甲基丙烯酸銨(HMAM)或丙烯酸(AA)。進(jìn)一步，所述交聯(lián)劑為分析純的N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)。進(jìn)一步，所述分散劑為分析純的四甲基氫氧化銨(TMAH)。
進(jìn)一步，所述引發(fā)劑為過硫酸銨(APS)。進(jìn)一步，所述催化劑為分析純的N，N, N, N-四甲基乙二胺(TEMED)。本發(fā)明的有益效果在于預(yù)先將陶瓷原料粉末混合均勻，再加入到有機物預(yù)混液中，避免了將各種陶瓷粉末先后、單獨加入到有機物預(yù)混液中，由于有機物預(yù)混液粘度高而造成的原料粉末分散不均勻現(xiàn)象；在注模后采用室溫固化，克服加熱固化時因溫度梯度造成的坯體內(nèi)部不均勻固化等缺陷；采用控濕、控溫兩段式干燥工藝抑制、消除復(fù)雜、精確形狀、大尺寸素坯的開裂；采用亞微米碳化硅粉末、采用亞微米碳化硅粉末、含硼助燒劑的固相燒結(jié)體系進(jìn)行無壓燒結(jié)，保證葉輪的高強度、抗磨損和抗腐蝕性；又在關(guān)鍵區(qū)段進(jìn)行升溫、保溫控制，抑制和消除了燒結(jié)過程中的裂紋、變形等缺陷。


圖I本發(fā)明凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的工藝流程示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。碳化娃粉末D5tl :0. 45um,燒結(jié)助劑碳化硼D5tl lum ;炭黑的吸碘值85m2/g,DBP吸收值O. 78cm3/g ;凝膠注模單體丙烯酰胺(AM)，交聯(lián)劑為N，N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)，分散劑四甲基氫氧化銨((CH3)4NOH, TMAH)，引發(fā)劑采用過硫酸銨((NH4)2S2O8, APS)，催化劑為N, N, N, N-四甲基乙二胺(TEMED)，以上凝膠注?；瘜W(xué)試劑均為化學(xué)純；介質(zhì)為去離子水；
根據(jù)圖I所示凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的工藝流程，具體實施例的過程如下
實施例I
將9500g碳化硅粉末、200g碳化硼粉末、300g炭黑粉末，加入到25L去離子水中，加入IOOml丙三醇為分散劑，球磨混料24h，噴霧干燥，獲得混合均勻的混合粉末待用；
將1905g丙烯酰胺、95gN，N-亞甲基雙丙烯酰胺、200ml四甲基氫氧化銨加入到7. 8L去離子水中，充分機械攪拌，配制有機物預(yù)混液待用；
取523ml有機物預(yù)混液，機械攪拌的同時逐步加入2000g預(yù)混合陶瓷粉末，配制陶瓷料
漿；
將陶瓷漿料放到真空箱中，真空除泡20min ；
向陶瓷漿料中加入2. 76g引發(fā)劑APS，0. 28g催化劑TEMED，攪拌均勻；
將陶瓷漿料注入到特制的陶瓷葉輪模具中，室溫固化，脫模，得到復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷葉輪生坯；
將陶瓷葉輪生坯放入可控制濕度的環(huán)境中，濕度緩慢從100%降低至50%，濕度50%保持5h ;該過程溫度為室溫；然后將陶瓷葉輪生坯轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)，緩慢升溫至100溫度，保溫2h ；車床車削，去除陶瓷葉輪生坯飛邊、澆冒口等；
采用真空脫膠爐在流動氬氣氣氛下550°C保溫I. 5h，緩慢脫除陶瓷葉輪中的有機物成
分；
采用真空燒結(jié)爐在流動氬氣氣氛下進(jìn)行無壓燒結(jié)，1700°C保溫2h，以5°C /min升溫至20000C，保溫 2h，以 8°C /min 升溫至 2050°C，保溫 2h ；
金剛石砂輪磨削葉輪外徑、內(nèi)徑等至規(guī)定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ral. 6，獲得具有復(fù)雜、精確形狀特征、外徑尺寸180mm的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪。實施例2
將9920g碳化硅粉末、30g碳化硼粉末、50g炭黑粉末，加入到25L去離子水中，加入IOOml丙三醇為分散劑，攪拌磨混料8h，真空烘干、破碎、擦篩80目，獲得混合均勻的混合粉·末待用；
將1200g丙烯酰胺、100gN，N-亞甲基雙丙烯酰胺、500ml四甲基氫氧化銨加入到8200L去離子水中，充分機械攪拌，配制有機物預(yù)混液待用；
取760ml有機物預(yù)混液，機械攪拌的同時逐步加入2000g預(yù)混合陶瓷粉末，配制陶瓷料
漿；
將陶瓷漿料放到真空箱中，真空除泡IOmin ；
向陶瓷漿料中加入O. 55g引發(fā)劑APS，I. 38g催化劑TEMED，攪拌均勻；
將陶瓷漿料注入到特制的陶瓷葉輪模具中，室溫固化，脫模，得到復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷葉輪生坯；
將陶瓷葉輪生坯放入可控制濕度的環(huán)境中，濕度緩慢從100%降低至50%，濕度50%保持12h ;該過程溫度為室溫；然后將陶瓷葉輪生坯轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)，緩慢升溫至100溫度，保溫3h ；
車床車削，去除陶瓷葉輪生坯飛邊、澆冒口等；
采用真空脫膠爐在流動氬氣氣氛下550°C保溫I. 5h，緩慢脫除陶瓷葉輪中的有機物成
分；
采用真空燒結(jié)爐在流動氬氣氣氛下進(jìn)行無壓燒結(jié)，1700°C保溫lh，以5°C /min升溫至2000。。，保溫 Ih,以 2V /min 升溫至 2200。。，保溫 2h ；
金剛石砂輪磨削葉輪外徑、內(nèi)徑等至規(guī)定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ral. 6，獲得具有復(fù)雜、精確形狀特征、外徑尺寸160mm的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪。實施例3
將9920g碳化硅粉末、30g碳化硼粉末、50g炭黑粉末，加入到25L去離子水中，加入IOOml丙三醇為分散劑，攪拌磨混料8h，真空烘干、破碎、擦篩80目，獲得混合均勻的混合粉末待用；
將1200g丙烯酰胺、100gN，N-亞甲基雙丙烯酰胺、500ml四甲基氫氧化銨加入到8200L去離子水中，充分機械攪拌，配制有機物預(yù)混液待用；
取760ml有機物預(yù)混液，機械攪拌的同時逐步加入2000g預(yù)混合陶瓷粉末，配制陶瓷料
漿；
將陶瓷漿料放到真空箱中，真空除泡IOmin ；
向陶瓷漿料中加入O. 55g引發(fā)劑APS，I. 38g催化劑TEMED，攪拌均勻；將陶瓷漿料注入到特制的陶瓷葉輪模具中，室溫固化，脫模，得到復(fù)雜形狀的碳化硅陶瓷葉輪生坯；
將陶瓷葉輪生坯放入可控制濕度的環(huán)境中，在室溫下，將濕度緩慢從100%降低至50%，濕度50%保持24h ;然后將陶瓷葉輪生坯轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)，緩慢升溫至100溫度，保溫5h ；
車床車削，去除陶瓷葉輪生坯飛邊、澆冒口等；
采用真空脫膠爐在流動氬氣氣氛下550°C保溫I. 5h，緩慢脫除陶瓷葉輪中的有機物成
分；
采用真空燒結(jié)爐在流動氬氣氣氛下進(jìn)行無壓燒結(jié)，1700°C保溫I. 5h，以5°C /min升溫至 2000°C，保溫 I. 5h，以 5°C /min 升溫至 2150°C，保溫 I. 5h ；
金剛石砂輪磨削葉輪外徑、內(nèi)徑等至規(guī)定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ral. 6，獲得具有復(fù)雜、精確形狀特征、外徑尺寸160mm的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪。
權(quán)利要求
1.一種凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的方法，其特征在于，包括如下步驟 1)預(yù)混原料粉末將碳化硅粉末、炭黑粉末和碳化硼粉或硼粉加入到去離子水介質(zhì)中，以丙三醇為分散劑，進(jìn)行球磨混料、振動磨混料或者攪拌磨混料，料漿經(jīng)真空烘干、破碎、過篩，或者噴霧干燥，獲得混合均勻的混合粉末，備用，其中，碳化硼粉或硼粉O. 3wt%-2wt%,炭黑粉末O. 5wt%—3wt%,其余為碳化娃粉末； 2)配制有機物預(yù)混液將單體和交聯(lián)劑在預(yù)混液中占5 20vol%，分散劑比例為2 5vol%，加入到去離子水中進(jìn)行機械攪拌，得到有機物預(yù)混液，備用，其中，單體和交聯(lián)劑的質(zhì)量比為5 20 :1 ; 3)配制陶瓷漿料將步驟I)的預(yù)混合的原料粉末加入到步驟2制備得到的有機物預(yù)混液中，固相含量45 55vol% ； 4)真空脫泡將步驟3得到陶瓷漿料放到密閉容器中，抽真空脫泡； 5)加入引發(fā)劑、催化劑向步驟4得到的陶瓷漿料中加入陶瓷漿料重量O.02 O. lwt%的引發(fā)劑和陶瓷漿料重量O. 01 O. 05wt%的催化劑； 6)注模成型將上述步驟制備得到的陶瓷漿料注入到特制的陶瓷葉輪模具中，室溫固化，脫模，得到陶瓷葉輪生坯； 7)控濕、控溫兩段式干燥將上述步驟制備得到陶瓷葉輪生坯放入可控制濕度的環(huán)境中，在室溫下控制濕度緩慢的從100%降低至50%，保持2 24h，然后轉(zhuǎn)移到烘箱內(nèi)緩慢升溫至100°C，保溫I 5h ;機械加工，獲得陶瓷葉輪部分形狀、尺寸細(xì)節(jié)； 8)真空脫膠將經(jīng)過上述步驟處理得到陶瓷葉輪采用真空脫膠爐，在流動氬氣氣氛下，緩慢脫除陶瓷葉輪中的有機物成分； 9)無壓燒結(jié)上述步驟處理得到陶瓷葉輪置于真空燒結(jié)爐中，在溫度為1700°C保溫I 3h，再以2 8°C /min升溫至200(TC，保溫I 3h，在溫度2050 2200°C進(jìn)行燒結(jié)，保溫時間I 2h，進(jìn)行機械加工該階段陶瓷葉輪燒結(jié)坯硬度極高，機械加工主要是金剛石砂輪磨削，獲得具有復(fù)雜精確形狀特征、外徑尺寸可達(dá)160mm以上的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述碳化硅粉末純度>98%，平均粒徑為(O. 5um ;碳化硼、炭黑粒度均為微米或亞微米級粉末。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述陶瓷漿料中的單體為分析純的丙烯酰胺、分析純的甲基丙烯酰胺、羥甲基丙烯酸銨或丙烯酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述交聯(lián)劑為分析純的N，N'-亞甲基雙丙烯酰胺。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述分散劑為分析純的四甲基氫氧化銨。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述引發(fā)劑為過硫酸銨。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述步驟5中的催化劑為分析純的N, N, N, N-四甲基乙二胺。
全文摘要
本發(fā)明一種凝膠注模成型、無壓燒結(jié)制備碳化硅陶瓷葉輪的方法，該方法提供一種具有復(fù)雜精確形狀特征、外徑尺寸可達(dá)160mm以上的無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪制備方法，采用含硼燒結(jié)助劑的碳化硅固相燒結(jié)配方體系、凝膠注模成型和無壓燒結(jié)工藝，包括配制陶瓷料漿、注模、脫模、干燥、機加工、脫膠、無壓燒結(jié)、機加工共八個步驟。本發(fā)明解決了凝膠注模中大批量陶瓷料漿混料不均勻，干燥以及無壓燒結(jié)過程中的開裂、變形等技術(shù)難題，最終實現(xiàn)了無壓燒結(jié)碳化硅陶瓷葉輪的制備。該葉輪具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等良好性能，可以廣泛應(yīng)用于各行業(yè)腐蝕性液相輸送的離心泵中。
文檔編號C04B35/565GK102875150SQ201210392968
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者燕青芝, 李縣輝, 葛昌純 申請人:北京科技大學(xué)