CN101062862A

CN101062862A - 复相陶瓷材料及其制造方法

Info

Publication number: CN101062862A
Application number: CN 200710014795
Authority: CN
Inventors: 王守仁; 刘恩来; 刘风虎; 徐作森; 陈良; 王新江
Original assignee: WEIFANG FUYUAN TURBOCHARGERS CO Ltd
Current assignee: WEIFANG FUYUAN TURBOCHARGERS CO Ltd
Priority date: 2007-05-26
Filing date: 2007-05-26
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2027-05-26
Also published as: CN100448795C

Abstract

本发明公开了一种复相陶瓷材料，由下述重量比的成分组成，ZrO₂ 50～70％，TiAl 10～20％，Al₂O₃ 10～20％，Ti 3～8％，Al 3～8％。本发明还公开了这种复相陶瓷材料的制造方法，主要包括混合、研磨、造粒、压型和烧结等步骤。该复相陶瓷材料性能优良、价格低，比重小，不但具有好的韧性、高的强度，还通过金属粒子增韧，进一步提高了材料的断裂韧性、降低了孔隙率，减少了线膨胀系数。采用的生产工艺简便，投资少，有利于工业化规模生产。该材料可以替代镍基合金制作高中载荷、高转动速度工况条件下工作的耐热件，例如增压器涡轮，它的应用对保护稀有镍资源，减少我国对镍的进口也具有重要的战略意义。

Description

复相陶瓷材料及其制造方法

技术领域

本发明涉及陶瓷材料技术领域，尤其涉及一种适合增压器涡轮使用的陶瓷材料，本发明还涉及这种陶瓷材料的制造方法。

背景技术

涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮又压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，从而增加发动机的输出功率。

涡轮增压器安装在发动机的进排气歧管上，处在高温，高压和高速运转的工作状况下，其工作环境非常恶劣，工作要求比较苛刻，因此对制造的材料成型工艺和加工技术都要求很高。要求材料有良好的高温机械性能，要有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变的性能。

增压器涡轮是增压器上非常关键和重要的部件，随着增压器技术的发展，涡轮材料也在不断更新换代，以前，柴油机增压器涡轮普遍采用的材料是20Cr3MoWV(A)，但该材料仅适用于低速(40000r/min左右)较大型的增压器，随着增压器的转速越来越高、体积越来越小，柴油机排气温度有的达到750℃以上，该材料已不能满足增压器的使用要求。目前，一般汽车用增压器涡轮普遍采用K418镍基高温合金。

但是，K418镍基高温合金制成的增压器涡轮有很大局限性：

1)由于增压器涡轮的特殊工作环境，要求其耐高温、高压，一般在不低于750℃的工况下工作，对于高转速(小型增压器最高可达250000r/min)涡轮叶片经常会出现变形现象。

2)高温、高速时，涡轮叶片经常出现飞裂失效。

3)涡轮重量大，响应性不好，叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，涡轮出现“滞后响应”，汽车提速慢、提速烟度大。

4)镍基K418合金等金属材质表面经常成块积碳，在高速运转下动平衡失稳，另外，脱落下来的微小碳块在极高运转速度下高速撞击涡轮叶片，使叶片断裂失效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复相陶瓷材料，该复相陶瓷材料既具有常规陶瓷材料硬度大、强度高、耐高温、导热系数高和膨胀系数低的特性，又在很大程度上克服了陶瓷材料固有的脆性，韧性和可塑性显著增强，而且比重小。

本发明所要解决的另一个技术问题是：提供一种复相陶瓷材料的制造方法，该方法可以通过简单的步骤可以获得上述复相陶瓷材料。

为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是：复相陶瓷材料，由下述重量比的成分组成，

ZrO₂ 50～70％，

TiAl 10～20％，

Al₂O₃ 10～20％，

Ti 3～8％，

Al 3～8％。

为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是：复相陶瓷材料的制造方法，包括以下步骤，

按重量比分别称取50～70％的ZrO₂粉末、10～20％的TiAl粉末、10～20％的Al₂O₃粉末、3～8％的Ti粉末和3～8％的Al粉末，构成原料；

将所述原料进行混合和研磨，并进行干燥处理，得到混合粉末；

向混合粉末中加入塑化剂并混合均匀，制成易于流动的团粒；

将所述团粒陈放20~30小时；

向所述陈放后的团粒中加入粘结剂并混合均匀，制成糊状浆料，然后将其注射到模具中加压成型，获得具有所需形状的致密毛坯；

将所述毛坯放入烧结炉内进行烧结，烧结前先将烧结炉内抽取真空，烧结温度为1600℃~1800℃，保温时间为1~3小时。

采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：通过本发明所揭示的方法，可以制造出一种复相陶瓷材料，它与合金铸造成型的工艺不同，是先通过注射压型制成毛坯，然后再将毛坯进行烧结，最后成为坚硬的具有纤维结构的多晶烧结体。原料经过混合和研磨后，可以使原料中的各种成分以更小的粒径均匀分布，从而有利于烧结体的品质；将混合粉末加入塑化剂制成团粒，团粒易于流动，在注射压型时松装比减小，压缩比增大，有利于充填模具型腔，有利于提高坯体密度和密度分布的一致性。

由于该烧结体的主要成分是ZrO₂，它是一种陶瓷材料，因而烧结体具有硬度大、强度高、耐高温、导热系数高和膨胀系数低等特性。TiAl是一种金属间化合物合金，它具有密度低，比强度、比刚度高以及优良的高温性能，它可以减轻陶瓷体的重量，提高比强度和比刚度，并有效提高烧结体的韧性和可塑性。Ti和Al同为低密度金属，在烧结过程中，它与TiAl和Al₂O₃一起可以改善陶瓷体的脆性。

如果使用本方法制成增压器涡轮，在体积相同的情况下，重量仅为镍基K418合金增压器涡轮的1/3，转动惯性矩随之减小，从而大大缩短了响应时间，提高了相应性；在高温、高压和高速的情况下，不容易出现变形和飞裂失效现象，表面光洁度好，不积碳。

具体实施方式

以下实施例是对本发明的进一步说明，其不应被理解成对本发明的限制。

实施例1

1)配料

按重量份分别称取50份ZrO₂粉末、20份TiAl粉末、20份Al₂O₃粉末、5份Ti粉末和5份Al粉末，构成原料；

2)混料和研磨

将所述原料进行混合和研磨，得到混合粉末。所述的混合和研磨步骤在行星式研磨机中进行。

球磨是矿物加工陶瓷工艺所使用的基本方法，它的主要作用为减小粒子尺寸，固态合金化，混合或融合以及改变离子的形状。行星式研磨机由球磨罐、罐座、转盘、固定带轮和电动机等组成。工作原理是：行星式研磨机在转盘上装有4个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐随转盘围绕同一轴心作行星式运动，罐中磨料在高速运动中研磨和混匀被研磨的的坯料。性能特点：①进料粒度：18目左右；出料粒度：小于200目②球磨罐转速快，球磨效率高③结构紧凑，操作方便，密封取样，安全可靠，噪声低，无污染，无损耗。当然，对所述原料进行混合和研磨也可以采用陶瓷加工领域所公知的其它设备进行。

将球、原料和酒精按2∶1∶1(重量比)的比例混合，在高速旋转下(200r/min)，经半个小时混合即可。由于ZrO₂粉末的量比较大，其它原料的量比较小，所以在开始时，应先将ZrO₂粉末倒入球磨机的球磨罐中，然后再将其它原料加入所述球磨罐中。这样，在混合时可以使其它原料尽量少地粘附在罐壁上，减少损耗。

3)干燥

将磨好的料放在托盘中，铺放均匀，然后放在烘干箱内调温至60℃左右烘干，从而得到混合粉末，由于酒精易挥发故门要敞开。

4)造粒

将混合粉末放入研钵中，按相当于混合粉末的7％的重量比加入浓度为20％的聚乙烯醇水溶液作为塑化剂，慢慢搅拌，制成小球，在40目的筛子中过筛，将筛余存放，不成粒的继续搅拌，如此反复，至全部成粒，最好为米粒状态，成正态分布。

造粒是在混合粉末中加入一定的塑化剂，混合均匀后，依靠塑化剂的粘聚作用，制成粒度较粗、具有一定假颗粒级配、流动性好的团粒，以利于坯料的压制成型。粒度应尽量细，但不能太细，因为粒度越细，颗粒越轻，流动性越差；同时粉料的比面积较大，占的体积也大，因而成型时不能均匀的填充模型，容易产生孔洞，降低致密度。粒度一般在0.3~0.8mm左右。团粒的则流动性好，装模方便，分布均匀，在注射压型时松装比减小，压缩比增大，有利于充填模具型腔。

为了提高效率，也可以采用加压造粒法，即将混合粉末加入塑化剂，预先搅拌混合均匀，过20目筛，然后在液压机上用18~25MPa的压力保压约1分钟，压成圆饼，破碎过20目筛后即成团粒。

还可采用喷雾干燥造粒法，即将混合有适量的塑化剂的粉料预先作成浆料，再用喷雾器喷入造粒塔进行雾化和热风干燥，出来的粒子即为流动性较好的球状团粒。

5)焖料

将所述团粒陈放24小时，这样湿度比较均匀。

6)压型

按石蜡∶原料＝1∶5的重量比称取石蜡，使之与原料混合，搅拌成浆糊状；将所述浆料注射到模具中加压成型，获得具有所需形状的致密毛坯；成型压力为160MPa，保压时间为5分钟。石蜡作为一种粘结剂，它的主要作用是改善压型时所用原料的流变性能。

7)烧结

将所述毛坯放入真空烧结炉内进行烧结，烧结路线为：室温→550℃，升温速度250℃/小时，保温0.5h；550℃→1600℃→1600℃，升温速度150℃/小时，保温1h。

烧结是陶瓷毛坯在高温下的致密化过程和现象的总称。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键连，晶粒长大，气孔和晶界渐趋减小，通过物质的传递，其体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有纤维结构的多晶的烧结体。

由于高纯氧化锆在高温时失重增加，难以烧结致密，而且分解温度为1900℃左右，如果发生分解反应，材料的优越性将无法得到实现。为了阻止氧化锆分解，提高烧结致密度，最好通入1Mpa的氮气保护气氛。

通过上述方法获得的复相陶瓷材料，其各种性能指标见表2和表3。

实施例2

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

造粒时，按相当于混合粉末的5％的重量比加入浓度为20％的聚乙烯醇水溶液作为塑化剂；

焖料时，将所述团粒陈放22小时；

压型时，成型压力为170MPa，保压时间为5分钟；

烧结时，烧结路线为：550℃→1650℃→1650℃，升温速度160℃/小时，保温2h；氮气气氛2Mpa。

烧结后复相陶瓷材料的性能参数见表2和表3。

实施例3

与实施例1基本相同，其不同之处在于，

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

造粒时，按相当于混合粉末的10％的重量比加入浓度为20％的聚乙烯醇水溶液作为塑化剂；

焖料时，将所述团粒陈放16小时；

压型时，成型压力为190MPa，保压时间为6分钟；

烧结时，烧结路线为：550℃→1700℃→1700℃，升温速度170℃/小时，保温2h；氮气气氛2Mpa。

烧结后复相陶瓷材料的性能参数见表2和表3。

实施例4

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

造粒时，加入膨润土作为塑化剂；

焖料时，将所述团粒陈放20小时；

压型时，成型压力为210MPa，保压时间为8分钟；

烧结时，烧结路线为：550℃→1600℃→1600℃，升温速度150℃/小时，保温2h；氮气气氛2Mpa。

烧结后复相陶瓷材料的性能参数见表2和表3。

实施例5

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

造粒时，加入高岭土和羧甲基纤维素作为塑化剂；

焖料时，将所述团粒陈放16小时；

压型时，成型压力为230MPa，保压时间为10分钟；

烧结时，烧结路线为：550℃→1800℃→1800℃，升温速度180℃/小时，保温2h；氩气气氛3Mpa。

烧结后复相陶瓷材料的性能参数见表2和表3。

实施例6

与实施例1基本相同，其不同之处在于：

配料时，构成原料的各组分的配比不同，见表1；

造粒时，加入羟已基纤维素作为塑化剂；

焖料时，将所述团粒陈放12小时；

压型时，采用聚乙烯醇作粘结剂，成型压力为250MPa，保压时间为12分钟；

烧结时，烧结路线为：550℃→1600℃→1600℃，升温速度150℃/小时，保温2h；氩气气氛2Mpa。

烧结后复相陶瓷材料的性能参数见表2和表3。

表1是各个实施例原料的配比。

表2是各个实施例所获得的复相陶瓷材料与K418的综合性能参数对照表。

表3是各个实施例所获得的复相陶瓷材料与K418的力学性能参数对照表。

表1

编号

ZrO₂重量份

TiAl重量份

Al₂O₃重量份

Ti重量份

Al重量份

实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6

505560657075

20151510107

201515101010

555735

555873

表2

编号	体积密度g/cm³	热膨胀系数×10^-6/℃	导热系数W/(m.K)
编号	体积密度g/cm³	热膨胀系数×10^-6/℃	导热系数W/(m.K)	实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6K418	3.43.23.23.12.952.88.9	3.13.23.23.23.33.414.4	2425252626.52715.89

表3

编号	抗压强度MPa	抗弯强度MPa	断裂韧性MPam^1/2	硬度HR	收缩率％
编号	抗压强度MPa	抗弯强度MPa	断裂韧性MPam^1/2	硬度HR	收缩率％	实施例1实施例2实施例3实施例4实施例5实施例6K418	320036003450328040803950--	7098219699431200971--	7.56.76.57.89.67.51.4~2.7	87889086888536～37	1012168676.0

综上所述，通过本发明所揭示的制造方法制造出的以氧化锆为主要成分的复相陶瓷材料，性能优良、价格低，比重小，该材料不但具有好的韧性、高的强度，还通过金属粒子增韧，进一步提高了材料的断裂韧性、降低了孔隙率，减少了线膨胀系数。采用的生产工艺简便，投资少，有利于工业化规模生产。该材料可以替代镍基合金制作高中载荷、高转动速度工况条件下工作的耐热件，例如增压器涡轮。它的应用对保护稀有镍资源，减少我国对镍的进口也具有重要的战略意义。

Claims

1、复相陶瓷材料，其特征在于：该复相陶瓷材料由下述重量比的成分组成，

ZrO₂ 50～70％，

TiAl 10～20％，

Al₂O₃10～20％，

Ti 3～8％，

Al 3～8％。

2、权利要求1所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：包括以下步骤，

将所述团粒陈放20~30小时；

3、如权利要求2所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：所述的混合和研磨步骤在球磨机中进行。

4、如权利要求2所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：在所述制粒步骤中，所述塑化剂是聚乙烯醇水溶液、膨润土、羟己基纤维素或高岭土与羧甲基纤维素的混合物。

5、如权利要求4所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：在所述制粒步骤中，所述团粒的粒度为0.3~0.8mm。

6、如权利要求2所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：在所述的压型步骤中，所述的粘结剂是石蜡或聚乙烯醇。

7、如权利要求6所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：在所述的压型步骤中，成型压力为160~250MPa，保压时间为5~12分钟。

8、如权利要求2所述的复相陶瓷材料的制造方法，其特征在于：所述烧结步骤在1~5Mpa的氮气气氛或氩气气氛下进行。