一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，屬于快速精密鑄造技術(shù)領(lǐng)域。該方法應(yīng)用光固化3D打印技術(shù)快速制造所需的模具，同時(shí)應(yīng)用粉末覆膜技術(shù)對(duì)氧化鈣粉末表面進(jìn)行抗水化材料覆膜，有效的避免了水基凝膠注模過程中氧化鈣粉末的水化難題，可成功用于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氧化鈣基陶瓷鑄型的制備。通過添加適量的礦化劑，提高了氧化鈣基陶瓷鑄型的燒結(jié)性能與抗水化能力。本發(fā)明制造的氧化鈣基陶瓷鑄型綜合性能良好，可滿足新一代鈮硅基高溫合金或者鈦鋁合金葉片的鑄造要求，并且型芯易于脫除，解決了氧化硅基和氧化鋁基型芯脫除困難、廢品率高的技術(shù)難題。
【專利說明】
一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于快速精密鑄造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高性能航空航天飛行器的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的工作溫度不斷提高，已經(jīng)逐漸超過現(xiàn)有的鎳基、鈷基高溫合金的極限溫度，新型的超高溫合金材料如鈮硅基合金、鈦鋁金屬間化合物等有望成為未來新一代渦輪葉片的材料。然而鈮硅基合金的熔點(diǎn)將超過1800°C，已經(jīng)超過了目前常用的氧化硅基、氧化鋁基陶瓷型芯和鑄型的最高使用溫度。鈦鋁金屬間化合物在熔融態(tài)下具有很高的化學(xué)活性，很容易與現(xiàn)有的氧化硅基、氧化鋁基陶瓷鑄型材料反應(yīng)，在鑄件表面形成污染層，惡化鑄件的內(nèi)在和外觀質(zhì)量。此外，隨著空心葉片內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，氧化硅基、氧化鋁基陶瓷型芯的脫芯異常困難，需要反復(fù)經(jīng)過堿液蒸煮才能脫除，脫芯周期長，且對(duì)葉片的腐蝕很大，影響了葉片的精度。因此，發(fā)明一種新型的高性能陶瓷鑄型，對(duì)于航空航天工業(yè)的精鑄鑄造有著非常重大的意義。
[0003]氧化鈣熔點(diǎn)為2572°C，可承受很高的使用溫度;化學(xué)穩(wěn)定性好，不與鈦等金屬反應(yīng);氧化鈣陶瓷熱膨脹系數(shù)與高溫合金相近，金屬液凝固時(shí)能與金屬同步收縮，能避免由于應(yīng)力產(chǎn)生的熱脹裂;氧化鈣易溶于熱水，脫芯速率快，不會(huì)對(duì)鑄件造成任何損傷。因此，氧化鈣可以作為未來空心葉片陶瓷型芯和鑄型的理想材料。但是氧化鈣在空氣中容易吸潮水化，不宜搬運(yùn)與儲(chǔ)存，嚴(yán)重影響了氧化鈣陶瓷的制備與使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，該方法有效的避免了水基凝膠注模過程中氧化鈣粉末的水化難題，可成功用于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氧化鈣基陶瓷鑄型的制備，經(jīng)本發(fā)明方法制造的氧化鈣基陶瓷鑄型綜合性能良好，可滿足新一代鈮硅基高溫合金或者鈦鋁合金葉片的鑄造要求。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
[0006]—種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，包括以下步驟:
[0007]I)采用光固化快速成型方法制備出陶瓷鑄型的樹脂模具；
[0008]2)按照1:1的質(zhì)量比取氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉，將氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉混合均勻后進(jìn)行表面抗水化覆膜處理，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末；
[0009]3)將表面抗水化覆膜氧化鈣粉末與水基凝膠注模預(yù)混液混合均勻，球磨制得固相體積分?jǐn)?shù)為60%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料；
[0010]4)在真空和振動(dòng)環(huán)境下，向陶瓷鑄型的樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯，然后進(jìn)行干燥；
[0011]5)將干燥后的陶瓷鑄型素坯進(jìn)行燒結(jié)強(qiáng)化，制得具有抗水化性能的氧化鈣基陶瓷鑄型。
[0012]所述氧化|丐粗粉的粒度為40μηι，氧化|丐細(xì)粉的粒度為5μηι。
[0013]步驟2)所述表面抗水化覆膜處理，具體操作為:
[0014](I)將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇均勻混合，配制成有機(jī)化溶液，有機(jī)化溶液中硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無水乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95% ；
[0015](2)將氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉混合后，得到混合粉末，按3:1的質(zhì)量比將混合粉末與有機(jī)化溶液充分均勻混合，制得混合漿料；
[0016](3)將混合漿料在室溫下靜置3?5h，再將其干燥，得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末；
[0017](4)將乙醇、乙二醇及丙二醇均勻混合，制得混合溶劑，混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ；
[0018](5)將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、抗水化覆膜材料、混合溶劑和抗氧化劑加入高壓反應(yīng)釜中，以2°C?3°C/min的升溫速率，升溫至抗水化覆膜材料熔點(diǎn)溫度之上10°C?20°C，保溫2?3h后停止加熱，冷卻至室溫，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末懸浮液；
[0019](6)將表面抗水化覆膜氧化鈣粉末懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，得到表面抗水化覆膜氧化鈣粉末聚集體，然后于50?60 V下干燥，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末。
[0020]步驟(5)中各反應(yīng)物的用量配比為:
[0021]抗水化覆膜材料的用量為:表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末與抗水化覆膜材料的質(zhì)量比為25:1;
[0022]混合溶劑的用量為:表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2:3;
[0023]抗氧化劑的用量為:每10g表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g。
[0024]步驟(5)中抗水化覆膜材料為尼龍、聚四氟乙烯等非水解性的有機(jī)樹脂材料。
[0025]步驟3)所述水基凝膠注模預(yù)混液是由礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑及去離子水配制而成，其中:
[0026]有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為=24:1:100;
[0027]分散劑加入量為表面覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為表面覆膜氧化I丐粉末質(zhì)量的I % ；
[0028]有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇。
[0029]所述礦化劑為氧化鋯與氧化釔按質(zhì)量比1:1混合制得，礦化劑加入量為表面覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的2 %?5 %。
[0030]步驟3)中，球磨時(shí)間為40?60min。
[0031]步驟5)中，是將干燥后的陶瓷鑄型素坯置于大氣爐中，于1500?1600°C下進(jìn)行燒結(jié)強(qiáng)化。
[0032]燒結(jié)強(qiáng)化的升溫過程為:自室溫起，以150°C/h的升溫速率，升溫至900°C，保溫
0.5h;然后以150°C/h的升溫速率，升溫至1200°C，保溫0.5h;再以100°C/h的升溫速率，升溫至 1500 ?1600°C，保溫 3h。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果:
[0034]本發(fā)明公開的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，考慮到在氧化鈣陶瓷鑄型的制備過程中有兩個(gè)關(guān)鍵問題，一是要能夠成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，二是要有效避免氧化鈣的水化，包括氧化鈣粉末和最終陶瓷鑄型都需要有效避免其水化，這也是本發(fā)明專利重點(diǎn)要解決的兩個(gè)問題與創(chuàng)新點(diǎn)。本發(fā)明采用粉末覆膜技術(shù)成功為氧化鈣粉末覆上一層抗水化薄膜，利用表面抗水化覆膜的氧化鈣粉末作為原料，有效地避開了氧化鈣粉末的水化，可以有效利用水基凝膠注模方法快速成型具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的陶瓷鑄型素坯。該方法同樣適用于其他一些在空氣中不宜存放的粉末，采用此方法可以提高粉末的抗水化或者抗氧化能力，使得粉末能夠易于存儲(chǔ)與保存。本發(fā)明采用光固化快速成型技術(shù)與凝膠注模技術(shù)相結(jié)合，可以制造出任意復(fù)雜的形狀與結(jié)構(gòu)，尤其適用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)的空心渦輪葉片等內(nèi)部冷卻流道多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，可以大大降低生產(chǎn)周期，節(jié)約制造成本。經(jīng)本發(fā)明方法制得的氧化鈣基陶瓷鑄型具有使用溫度高，高溫性能優(yōu)異;化學(xué)穩(wěn)定性好，不與合金中的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng);熱膨脹系數(shù)與高溫合金接近，與合金的膨脹與收縮達(dá)到一致，避免鑄型的熱脹裂;易于脫除，不會(huì)對(duì)鑄件造成損傷等顯著的優(yōu)點(diǎn)。
[0035]進(jìn)一步地，本發(fā)明選擇氧化錯(cuò)與氧化乾組成的礦化劑添加物能有效提高氧化I丐基陶瓷鑄型制造完成后在空氣中的抗水化能力，有利于氧化鈣基陶瓷鑄型的搬運(yùn)、儲(chǔ)存以及使用。
【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對(duì)本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0038]參見圖1，本發(fā)明提供的一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，具體步驟如下:
[0039]步驟一:制備樹脂模具，采用光固化快速成型技術(shù)，制備出陶瓷鑄型的樹脂模具；
[0040]步驟二:將粗細(xì)氧化鈣粉末混合，將氧化鈣粉末粗(40μπι)、細(xì)(2μπι)粉末按質(zhì)量比為1:1均勻混合；
[0041 ]步驟三:配制粉末有機(jī)化溶液，將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇按照質(zhì)量比為5 %和95 %均勻混合，配制成有機(jī)化溶液；
[0042]步驟四:氧化鈣粉末有機(jī)化，將混合均勻的氧化鈣粉末加入有機(jī)化溶液中均勻混合，再將混合物料置于室溫中干燥3?5h，然后將其置于50°C?60°C的烘箱中干燥，直至粉末徹底干燥得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末;其中氧化鈣粉末與有機(jī)化溶液按照質(zhì)量比為3:1進(jìn)行均勻混合；
[0043]步驟五:配制覆膜用混合溶劑，將乙醇、乙二醇、丙二醇按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%、5%、5%進(jìn)行配比制得混合溶劑；
[0044]步驟六:配制氧化鈣粉末表面抗水化覆膜混合物料，將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、抗水化覆膜材料、混合溶劑和抗氧化劑按照下述比例混合均勻后加入高壓反應(yīng)釜中；
[0045]其中，抗水化覆膜材料的用量為:氧化鈣粉末與抗水化覆膜材料的質(zhì)量比為25:1;混合溶劑的用量為:氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2: 3;抗氧化劑的用量為:10g氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g。
[0046]步驟七:氧化鈣粉末的表面覆膜處理，以2°C?3°C/min的升溫速率，將高壓反應(yīng)釜升溫至抗水化覆膜材料熔點(diǎn)溫度10°C?20 °C以上，保溫2?3h后停止加熱;在快速攪拌條件下，使高壓反應(yīng)釜冷卻至室溫，形成抗水化覆膜氧化鈣粉末懸浮液;對(duì)已冷卻至室溫的懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，實(shí)現(xiàn)固-液分離，得到表面覆膜的氧化鈣粉末聚集體;將粉末置于50 V?60°C烘箱中干燥，至粉末完全干燥后得到抗水化覆膜氧化鈣粉末。
[0047]步驟八:配制凝膠注模陶瓷漿料，將覆膜后的氧化鈣粉末、礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑和去離子水混合均勻，在行星式球磨機(jī)中球磨Ih后，制得固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料，其中礦化劑的加入量為氧化鈣質(zhì)量的2%?5%，礦化劑主要成分為氧化鋯與氧化釔按照質(zhì)量比1:1均勻混合。
[0048]有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為=24:1:100;
[0049]分散劑加入量為抗水化覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為抗水化覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的I
[0050]有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇。
[0051]步驟九:凝膠注模成型，在真空和振動(dòng)環(huán)境下向可燒失樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯；
[0052]步驟十:真空冷凍干燥，將制得的陶瓷鑄型素坯經(jīng)真空冷凍干燥后獲得干燥的氧化鈣陶瓷鑄型素坯；
[0053]步驟十一:燒結(jié)強(qiáng)化，將干燥后的陶瓷鑄型素坯放入大氣燒結(jié)爐中燒除樹脂模具和燒結(jié)強(qiáng)化，最終制得氧化鈣基型芯型殼一體化陶瓷鑄型；其中燒結(jié)溫度為1500 °C?1600C，保溫3h。
[0054]實(shí)施例1
[0055]一種尼龍覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，包括以下步驟:
[0056]I)制備樹脂模具
[0057]采用光固化快速成型技術(shù)，制備出某型號(hào)空心渦輪葉片陶瓷鑄型的樹脂模具；
[0058]2)將粗細(xì)氧化鈣粉末混合
[0059]將氧化鈣粉末粗(40μπι)、細(xì)(2μπι)粉末按質(zhì)量比為I: I均勻混合；
[0060]3)配制粉末有機(jī)化溶液
[0061]將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇均勻混合，配制成有機(jī)化溶液，有機(jī)化溶液中硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無水乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95% ；
[0062]4)氧化鈣粉末有機(jī)化
[0063]將混合均勻的氧化鈣粉末加入有機(jī)化溶液中均勻混合，再將混合物料置于室溫中有機(jī)化3h，然后將其置于60°C的烘箱中干燥，直至粉末徹底干燥得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末;其中氧化鈣粉末與有機(jī)化溶液按照質(zhì)量比為3:1進(jìn)行均勻混合；
[0064]5)配制覆膜用混合溶劑
[0065]將乙醇、乙二醇及丙二醇均勻混合，制得混合溶劑，混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ；
[0066]6)配制氧化鈣粉末尼龍覆膜混合物料
[0067]將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、尼龍樹脂、混合溶劑和抗氧化劑按照下述比例混合均勻后加入高壓反應(yīng)釜中；
[0068]其中，尼龍的用量為:氧化鈣粉末與尼龍樹脂的質(zhì)量比為25:1;混合溶劑的用量為:氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2:3;抗氧化劑的用量為:10g氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g ；
[0069 ] 7)氧化鈣粉末的尼龍覆膜處理
[0070]以3°C/min的升溫速率，將高壓反應(yīng)釜升溫至190°C，保溫3h后停止加熱;在快速攪拌條件下，使高壓反應(yīng)釜冷卻至室溫，形成尼龍覆膜氧化鈣粉末懸浮液;對(duì)已冷卻至室溫的懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，實(shí)現(xiàn)固-液分離，得到尼龍覆膜氧化鈣粉末聚集體;將粉末置于60 V烘箱中干燥，至粉末完全干燥后得到尼龍覆膜氧化鈣粉末；
[0071 ] 8)配制凝膠注模陶瓷漿料
[0072]將尼龍覆膜氧化鈣粉末、礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑和去離子水混合均勻，在行星式球磨機(jī)中球磨60min后，制得固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料，其中礦化劑的加入量為氧化鈣質(zhì)量的5%，礦化劑主要成分為氧化鋯與氧化釔按照質(zhì)量比1:1均勻混合;有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為= 24:1:100；分散劑加入量為尼龍覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為尼龍覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的I 有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇；
[0073]9)凝膠注模成型
[0074]在真空和振動(dòng)環(huán)境下向可燒失樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯；
[0075]10)真空冷凍干燥
[0076]將制得的陶瓷鑄型素坯置入真空冷凍干燥機(jī)中，48h后即可獲得干燥的氧化鈣陶瓷鑄型素坯；
[0077]11)燒結(jié)強(qiáng)化
[0078]將干燥后的陶瓷鑄型素坯放入大氣燒結(jié)爐中燒除樹脂模具和陶瓷鑄型的燒結(jié)強(qiáng)化，燒結(jié)溫度為1600°C，保溫3h，隨爐冷卻后得到該型號(hào)空心渦輪葉片的氧化鈣陶瓷鑄型。
[0079]性能測(cè)試:
[0080]對(duì)制備得到的此型號(hào)空心渦輪葉片的型芯型殼一體化陶瓷鑄型進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)得其室溫強(qiáng)度為20?40MPa，高溫抗彎強(qiáng)度為5?15MPa，高溫?fù)隙葹?.5?2cm，燒成收縮率為I %?2%，孔隙率為40%?50%，水化增重率為I %?8 %。
[0081 ] 實(shí)施例2
[0082]一種聚四氟乙烯覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，包括以下步驟:
[0083]I)制備樹脂模具
[0084]采用光固化快速成型技術(shù)，制備出某型號(hào)空心渦輪葉片陶瓷鑄型的樹脂模具；
[0085]2)將粗細(xì)氧化鈣粉末混合
[0086]將氧化鈣粉末粗(40μπι)、細(xì)(2μπι)粉末按質(zhì)量比為I: I均勻混合；
[0087]3)配制粉末有機(jī)化溶液
[0088]將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇均勻混合，配制成有機(jī)化溶液，有機(jī)化溶液中硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無水乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95% ；
[0089]4)氧化鈣粉末有機(jī)化
[0090]將混合均勻的氧化鈣粉末加入有機(jī)化溶液中均勻混合，再將混合物料置于室溫中有機(jī)化4h，然后將其置于55°C的烘箱中干燥，直至粉末徹底干燥得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末;其中氧化鈣粉末與有機(jī)化溶液按照質(zhì)量比為3:1進(jìn)行均勻混合；
[0091 ] 5)配制覆膜用混合溶劑
[0092]將乙醇、乙二醇及丙二醇均勻混合，制得混合溶劑，混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ；
[0093]6)配制氧化鈣粉末聚四氟乙烯覆膜混合物料
[0094]將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、聚四氟乙烯樹脂、混合溶劑和抗氧化劑按照下述比例混合均勻后加入高壓反應(yīng)釜中；
[0095]其中，聚四氟乙烯的用量為:氧化鈣粉末與聚四氟乙烯樹脂的質(zhì)量比為25:1;混合溶劑的用量為:氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2: 3;抗氧化劑的用量為:10g氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g;
[0096]7)氧化鈣粉末的聚四氟乙烯覆膜處理
[0097]以3°C/min的升溫速率，將高壓反應(yīng)釜升溫至340°C，保溫2h后停止加熱;在快速攪拌條件下，使高壓反應(yīng)釜冷卻至室溫，形成聚四氟乙烯覆膜氧化鈣粉末懸浮液;對(duì)已冷卻至室溫的懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，實(shí)現(xiàn)固-液分離，得到聚四氟乙烯覆膜氧化鈣粉末聚集體;將粉末置于55°C烘箱中干燥，至粉末完全干燥后得到聚四氟乙烯覆膜氧化鈣粉末；
[0098]8)配制凝膠注模陶瓷漿料
[0099]將聚四氟乙烯覆膜氧化鈣粉末、礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑和去離子水混合均勻，在行星式球磨機(jī)中球磨50min后，制得固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料，其中礦化劑的加入量為氧化鈣質(zhì)量的3%，礦化劑主要成分為氧化鋯與氧化釔按照質(zhì)量比1:1均勻混合;有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為=24:1:100;分散劑加入量為聚四氟乙烯覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為聚四氟乙烯覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的1%;有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇；
[0100]9)凝膠注模成型
[0101]在真空和振動(dòng)環(huán)境下向可燒失樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯；
[0102]10)真空冷凍干燥
[0103]將制得的陶瓷鑄型素坯置入真空冷凍干燥機(jī)中，48h后即可獲得干燥的氧化鈣陶瓷鑄型素坯；
[0104]11)燒結(jié)強(qiáng)化
[0105]將干燥后的陶瓷鑄型素坯放入大氣燒結(jié)爐中燒除樹脂模具和陶瓷鑄型的燒結(jié)強(qiáng)化，燒結(jié)溫度為1600°C，保溫3h，隨爐冷卻后得到該型號(hào)空心渦輪葉片的氧化鈣陶瓷鑄型。
[0106]實(shí)施例3
[0107]—種尼龍覆膜氧化鈣基型芯型殼一體化陶瓷鑄型的快速制造方法，包括以下步驟:
[0108]I)制備樹脂模具
[0109]采用光固化快速成型技術(shù)，制備出某型號(hào)空心渦輪葉片陶瓷鑄型的樹脂模具；
[0110]2)將粗細(xì)氧化鈣粉末混合
[0111]將氧化鈣粉末粗(40μπι)、細(xì)(2μπι)粉末按質(zhì)量比為I: I均勻混合；
[0112]3)配制粉末有機(jī)化溶液
[0113]將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇均勻混合，配制成有機(jī)化溶液，有機(jī)化溶液中硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無水乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95% ；
[0114]4)氧化鈣粉末有機(jī)化
[0115]將混合均勻的氧化鈣粉末加入有機(jī)化溶液中均勻混合，再將混合物料置于室溫中有機(jī)化5h，然后將其置于50°C的烘箱中干燥，直至粉末徹底干燥得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末;其中氧化鈣粉末與有機(jī)化溶液按照質(zhì)量比為3:1進(jìn)行均勻混合；
[0116]5)配制覆膜用混合溶劑
[0117]將乙醇、乙二醇及丙二醇均勻混合，制得混合溶劑，混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ；
[0118]6)配制氧化鈣粉末尼龍覆膜混合物料
[0119]將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、尼龍樹脂、混合溶劑和抗氧化劑按照下述比例混合均勻后加入高壓反應(yīng)釜中；
[0120]其中，尼龍的用量為:氧化鈣粉末與尼龍樹脂的質(zhì)量比為25:1;混合溶劑的用量為:氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2:3;抗氧化劑的用量為:10g氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g ；
[0121]7)氧化鈣粉末的尼龍覆膜處理
[0122]以2°C/min的升溫速率，將高壓反應(yīng)釜升溫至190°C，保溫3h后停止加熱;在快速攪拌條件下，使高壓反應(yīng)釜冷卻至室溫，形成尼龍覆膜氧化鈣粉末懸浮液;對(duì)已冷卻至室溫的懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，實(shí)現(xiàn)固-液分離，得到尼龍覆膜氧化鈣粉末聚集體;將粉末置于50 V烘箱中干燥，至粉末完全干燥后得到尼龍覆膜氧化鈣粉末；
[0123]8)配制凝膠注模陶瓷漿料
[0124]將尼龍覆膜氧化鈣粉末、礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑和去離子水混合均勻，在行星式球磨機(jī)中球磨60min后，制得固相體積分?jǐn)?shù)為60vol%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料，其中礦化劑的加入量為氧化鈣質(zhì)量的2%，礦化劑主要成分為氧化鋯與氧化釔按照質(zhì)量比1:1均勻混合;有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為= 24:1:100；分散劑加入量為尼龍覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為尼龍覆膜的氧化鈣粉末質(zhì)量的I 有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇；
[0125]9)凝膠注模成型
[0126]在真空和振動(dòng)環(huán)境下向可燒失樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯；
[0127]10)真空冷凍干燥
[0128]將制得的陶瓷鑄型素坯置入真空冷凍干燥機(jī)中，48h后即可獲得干燥的氧化鈣陶瓷鑄型素坯；
[0129]11)燒結(jié)強(qiáng)化
[0130]將干燥后的陶瓷鑄型素坯放入大氣燒結(jié)爐中燒除樹脂模具和陶瓷鑄型的燒結(jié)強(qiáng)化，燒結(jié)溫度為1500°C，保溫3h，隨爐冷卻后得到該型號(hào)空心渦輪葉片的氧化鈣陶瓷鑄型。
[0131]綜上所述，本發(fā)明方法應(yīng)用光固化3D打印技術(shù)快速制造所需的模具，同時(shí)應(yīng)用粉末覆膜技術(shù)對(duì)氧化鈣粉末表面進(jìn)行抗水化材料覆膜，有效的避免了水基凝膠注模過程中氧化鈣粉末的水化難題，可成功用于具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的氧化鈣基陶瓷鑄型的制備。通過添加適量的礦化劑，提高了氧化鈣鑄型的燒結(jié)性能與抗水化能力。本發(fā)明制造的氧化鈣基陶瓷鑄型綜合性能良好，可滿足新一代鈮硅基高溫合金或者鈦鋁合金葉片的鑄造要求，并且型芯易于脫除，解決了氧化硅基和氧化鋁基型芯脫除困難、廢品率高的技術(shù)難題。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用光固化快速成型方法制備出陶瓷鑄型的樹脂模具； 2)按照1:1的質(zhì)量比取氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉，將氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉混合均勻后進(jìn)行表面抗水化覆膜處理，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末； 3)將表面抗水化覆膜氧化鈣粉末與水基凝膠注模預(yù)混液充分混合均勻，球磨制得固相體積分?jǐn)?shù)為60%、表觀粘度低于IPa.s的水基氧化鈣陶瓷漿料； 4)在真空和振動(dòng)環(huán)境下，向陶瓷鑄型的樹脂模具中澆注水基氧化鈣陶瓷漿料，完成凝膠注模，制得陶瓷鑄型素坯，然后進(jìn)行干燥； 5)將干燥后的陶瓷鑄型素坯進(jìn)行燒結(jié)強(qiáng)化，制得具有抗水化性能的氧化鈣基陶瓷鑄型。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，所述氧化鈣粗粉的粒度為40μηι，氧化鈣細(xì)粉的粒度為5μηι。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，步驟2)所述表面抗水化覆膜處理，具體操作為: (1)將硅烷偶聯(lián)劑與無水乙醇均勻混合，配制成有機(jī)化溶液，有機(jī)化溶液中硅烷偶聯(lián)劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，無水乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95% ； (2)將氧化鈣粗粉和氧化鈣細(xì)粉混合后，得到混合粉末，按3:1的質(zhì)量比將混合粉末與有機(jī)化溶液充分均勻混合，制得混合漿料； (3)將混合漿料在室溫下靜置3?5h，再將其干燥，得到表面有機(jī)化處理的氧化鈣陶瓷粉末； (4)將乙醇、乙二醇及丙二醇均勻混合，制得混合溶劑，混合溶劑中乙醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%，乙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%，丙二醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5% ； (5)將表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末、抗水化覆膜材料、混合溶劑和抗氧化劑加入高壓反應(yīng)釜中，以2 °C?3 °C /min的升溫速率，升溫至抗水化覆膜材料熔點(diǎn)溫度1 °C?20 °C以上，保溫2?3h后停止加熱，冷卻至室溫，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末懸浮液； (6)將表面抗水化覆膜氧化鈣粉末懸浮液進(jìn)行減壓蒸餾，得到表面抗水化覆膜氧化鈣粉末聚集體，然后于50?60 V下干燥，制得表面抗水化覆膜氧化鈣粉末。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，步驟(5)中各反應(yīng)物的用量配比為: 抗水化覆膜材料的用量為:表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末與抗水化覆膜材料的質(zhì)量比為 25:1; 混合溶劑的用量為:表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末與混合溶劑的質(zhì)量比為2:3; 抗氧化劑的用量為:每10g表面有機(jī)化處理的氧化鈣粉末，所需受阻酚類抗氧化劑為0.6g，亞磷酸酯類抗氧化劑為0.4g。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，其特征在于，步驟(5)中抗水化覆膜材料為非水解性的有機(jī)樹脂材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，步驟3)所述水基凝膠注模預(yù)混液是由礦化劑、有機(jī)單體、交聯(lián)劑、分散劑、增塑劑及去離子水配制而成，其中: 有機(jī)單體:交聯(lián)劑:去離子水的質(zhì)量比為=24:1:100； 分散劑加入量為表面覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的3%，增塑劑加入量為表面覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的1%; 有機(jī)單體為丙烯酰胺，交聯(lián)劑為NN-亞甲基雙丙烯酰胺，分散劑為聚丙烯酸鈉，增塑劑為聚乙二醇。7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，所述礦化劑為氧化鋯與氧化釔按質(zhì)量比1:1混合制得，礦化劑加入量為表面覆膜氧化鈣粉末質(zhì)量的2%?5%。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，步驟3)中，球磨時(shí)間為40?60min。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，步驟5)中，是將干燥后的陶瓷鑄型素坯置于大氣爐中，于1500?1600°C下進(jìn)行燒結(jié)強(qiáng)化。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的粉末覆膜氧化鈣基陶瓷鑄型的快速制造方法，其特征在于，燒結(jié)強(qiáng)化的升溫過程為:自室溫起，以150°C/h的升溫速率，升溫至900°C，保溫0.5h;然后以150°C/h的升溫速率，升溫至1200°C，保溫0.5h;再以100°C/h的升溫速率，升溫至1500?1600°(:，保溫311。
【文檔編號(hào)】B28B1/08GK106079030SQ201610424710
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月14日 公開號(hào)201610424710.6, CN 106079030 A, CN 106079030A, CN 201610424710, CN-A-106079030, CN106079030 A, CN106079030A, CN201610424710, CN201610424710.6
【發(fā)明人】李滌塵, 楊強(qiáng), 魯中良, 黃福享, 陳義, 張航
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)