CN102875150A

CN102875150A - 一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法

Info

Publication number: CN102875150A
Application number: CN2012103929684A
Authority: CN
Inventors: 燕青芝; 李县辉; 葛昌纯
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2012-10-16
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-10-16
Also published as: CN102875150B

Abstract

本发明一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法，该方法提供一种具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮制备方法，采用含硼烧结助剂的碳化硅固相烧结配方体系、凝胶注模成型和无压烧结工艺，包括配制陶瓷料浆、注模、脱模、干燥、机加工、脱胶、无压烧结、机加工共八个步骤。本发明解决了凝胶注模中大批量陶瓷料浆混料不均匀，干燥以及无压烧结过程中的开裂、变形等技术难题，最终实现了无压烧结碳化硅陶瓷叶轮的制备。该叶轮具有耐腐蚀、耐磨损、耐高温等良好性能，可以广泛应用于各行业腐蚀性液相输送的离心泵中。

Description

一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，涉及一种具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮制备方法。

背景技术

无压烧结碳化硅是一种良好的结构陶瓷，具有硬度高、热导率高、热震性能高，耐磨损、耐化学腐蚀性能好等特点，是一种非常理想的耐腐蚀、耐磨损、耐高温离心泵叶轮制造材料。反应烧结的碳化硅制品中包含20vol%左右的游离硅，而且烧结温度较低，所以反应烧结的碳化硅材料在机械强度、耐腐蚀性、耐磨损性方面均远低于无压烧结碳化硅制品。

碳化硅陶瓷叶轮复杂的形状特征使其制备非常困难。模压、冷等静压等成型方式均不能获得如此复杂的形状。李子红的发明专利“金属基陶瓷表层泵用复合叶轮及生产方法”（公开号CN1746510A）在金属叶轮的表面上包覆一层石英、长石、粘土、有机物等成分的陶瓷层，经600～850℃烧结后获得具有耐腐蚀、耐磨损等特性的金属基陶瓷表层复合叶轮。但该叶轮不属于全陶瓷叶轮，而且烧结温度低，耐腐蚀、耐磨损等性能远低于无压烧结碳化硅材料；依凤鸣等的实用新型专利“工程陶瓷耐磨风机叶轮”（公开号CN2181584）在金属叶轮后盘上开设沟槽，沟槽内镶嵌陶瓷叶片并靠相对应的榫头连接，该叶轮仍不属于全陶瓷叶轮。陆锁根的实用新型专利“利用二次烧结法制造的全陶瓷叶轮”（公开号CN201079778）将叶轮整体分解成叶轮上盖、叶轮底板和叶片三部分，分别加工后组装、采用陶瓷粘结剂、二次烧结达到陶瓷叶轮整体，全套工艺复杂，属于拼接组合成型，容易在结合部位发生断裂。因此只能采用胶态成型方法成型陶瓷叶轮，但注浆成型尺寸精度低、壁厚较小，生坯密度低；注射成型工件壁厚小、脱胶时间过长、容易产生成型缺陷。

凝胶注模工艺是20世纪90年代由美国Omatete和Janney等发明的一种新成型工艺，该工艺利用混合陶瓷粉末的有机单体溶液在引发剂和催化剂作用下交联聚合成三维网络聚合物凝胶，从而原位凝固成型状复杂且显微结构均匀的坯体，主要用于复杂结构形状的陶瓷与粉末冶金制品成型，与普通干粉压制成型相比具有生坯强度高、密度均匀等优点。因此凝胶注模成型方法是制造耐腐蚀、耐磨损、耐高温离心泵陶瓷叶轮的理想选择。赵文兴等的发明专利“大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的凝胶注模成型工艺”（公开号CN 101941231 A）采用了中位径为0.5～40um的几种碳化硅粉末进行级配提高浆料固相含量，制备了尺寸达1米量级的复杂形状碳化硅素坯。但该素坯中没有助烧剂，同时0.5～40um的碳化硅粉末级配无法采用无压烧结致密化，后续工艺中包含渗硅，属于反应烧结碳化硅体系；周龙捷的“水基高固相含量SiC悬浮体的制备和凝胶注模成型”及张涛的“凝胶注模成型制备致密SiC陶瓷材料”研究的为含氧化物烧结助剂的液相烧结体系碳化硅；张景贤的“通过凝胶注模成型和无压烧结制备碳化硅陶瓷”采用的碳源为糊精，引发体系为自制，而且不具备复杂形状、大尺寸等重要特征要素；

化工、石油及核电站经常需要将高温、强酸碱性溶液泵入或泵出，迫切需要耐高温、耐强酸碱腐蚀、耐磨损的叶轮泵。如何制备出满足性能要求、形状复杂精确的大尺寸泵用叶轮，是摆在我们面前的一个难题。本发明正是针对这一问题开展的研究和开发工作：采用凝胶注模工艺成型、无压烧结制备大尺寸、形状复杂碳化硅陶瓷叶轮坯；采用适合无压烧结的亚微米碳化硅粉末、含硼体系助烧剂制备浆料，控制浆料固含量、粘度，保证叶轮的均匀性和素坯强度；采用控温、控湿分段干燥的手段抑制复杂、精确形状、大尺寸素坯的开裂；采用关键区段温度控制的无压烧结工艺保证叶轮的高强度、抗磨损和抗腐蚀性。具体发明内容如下：

发明内容

本发明解决了采用凝胶注模成型、无压烧结制备陶瓷叶轮中的诸多工艺难题，实现了具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮的制备。

本发明提出的技术方案是：一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法，包括如下步骤：

1）预混原料粉末：将碳化硅粉末、炭黑粉末和碳化硼粉或硼粉加入到去离子水介质中，以丙三醇为分散剂，进行球磨混料、振动磨混料或者搅拌磨混料，料浆经真空烘干、破碎、过筛，或者喷雾干燥，获得混合均匀的混合粉末，备用，其中，碳化硼粉或硼粉0.3wt%--2wt%，炭黑粉末0.5wt%--3wt%，其余为碳化硅粉末；

2）配制有机物预混液：将单体和交联剂在预混液中占5～20vol%，分散剂比例为2～5vol%，加入到去离子水中进行机械搅拌，得到有机物预混液，备用，其中，单体和交联剂的质量比为5～20：1；

3）配制陶瓷浆料：将步骤1）的预混合的原料粉末加入到步骤2制备得到的有机物预混液中,固相含量45～55vol%；

4）真空脱泡：将步骤3得到陶瓷浆料放到密闭容器中，抽真空脱泡；

5）加入引发剂、催化剂：向步骤4得到的陶瓷浆料中加入陶瓷浆料重量0.02～0.1wt%的引发剂和陶瓷浆料重量0.01～0.05wt%的催化剂；

6）注模成型：将上述步骤制备得到的陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温固化，脱模，得到陶瓷叶轮生坯；

7）控湿、控温两段式干燥：将上述步骤制备得到陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，在室温下控制湿度缓慢的从100%降低至50%，保持2～24h，然后转移到烘箱内缓慢升温至100℃，保温1～5h；机械加工，获得陶瓷叶轮部分形状、尺寸细节；

8）真空脱胶：将经过上述步骤处理得到陶瓷叶轮采用真空脱胶炉，在流动氩气气氛下，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；

9）无压烧结：上述步骤处理得到陶瓷叶轮置于真空烧结炉中，在温度为1700℃保温1～3h，再以2～8℃/min升温至2000℃，保温1～3h，在温度2050～2200℃进行烧结，保温时间1～2h，进行机械加工：该阶段陶瓷叶轮烧结坯硬度极高，机械加工主要是金刚石砂轮磨削，获得具有复杂精确形状特征、外径尺寸可达160mm以上的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。

进一步，所述碳化硅粉末纯度≥98%，平均粒径为≤0.5um；碳化硼、炭黑粒度均为微米或亚微米级粉末。

进一步，所述陶瓷浆料中的单体为分析纯的丙烯酰胺(AM)、分析纯的甲基丙烯酰胺(MAM)、羟甲基丙烯酸铵（HMAM）或丙烯酸（AA）。

进一步，所述交联剂为分析纯的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)。

进一步，所述分散剂为分析纯的四甲基氢氧化铵(TMAH)。

进一步，所述引发剂为过硫酸铵(APS)。

进一步，所述催化剂为分析纯的N,N,N,N-四甲基乙二胺（TEMED）。

本发明的有益效果在于：预先将陶瓷原料粉末混合均匀，再加入到有机物预混液中，避免了将各种陶瓷粉末先后、单独加入到有机物预混液中，由于有机物预混液粘度高而造成的原料粉末分散不均匀现象；在注模后采用室温固化，克服加热固化时因温度梯度造成的坯体内部不均匀固化等缺陷；采用控湿、控温两段式干燥工艺抑制、消除复杂、精确形状、大尺寸素坯的开裂；采用亚微米碳化硅粉末、采用亚微米碳化硅粉末、含硼助烧剂的固相烧结体系进行无压烧结，保证叶轮的高强度、抗磨损和抗腐蚀性；又在关键区段进行升温、保温控制，抑制和消除了烧结过程中的裂纹、变形等缺陷。

附图说明

图1 本发明凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的工艺流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

碳化硅粉末D₅₀：0.45um，烧结助剂碳化硼D₅₀：1um；炭黑的吸碘值85m²/g，DBP吸收值0.78cm3/g；凝胶注模单体丙烯酰胺（AM），交联剂为N，N-亚甲基双丙烯酰胺（MBAM），分散剂四甲基氢氧化铵（(CH₃)₄NOH，TMAH），引发剂采用过硫酸铵（(NH₄)₂S₂O₈，APS），催化剂为N,N,N,N-四甲基乙二胺（TEMED），以上凝胶注模化学试剂均为化学纯；介质为去离子水；

根据图1所示凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的工艺流程，具体实施例的过程如下：

实施例1

将9500g碳化硅粉末、200g碳化硼粉末、300g炭黑粉末，加入到25L去离子水中，加入100ml丙三醇为分散剂，球磨混料24h，喷雾干燥，获得混合均匀的混合粉末待用；

将1905g丙烯酰胺、95gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、200ml四甲基氢氧化铵加入到7.8L去离子水中，充分机械搅拌，配制有机物预混液待用；

取523ml有机物预混液，机械搅拌的同时逐步加入2000g预混合陶瓷粉末，配制陶瓷料浆；

将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡20min；

向陶瓷浆料中加入2.76g引发剂APS，0.28g催化剂TEMED，搅拌均匀；

将陶瓷浆料注入到特制的陶瓷叶轮模具中，室温固化，脱模，得到复杂形状的碳化硅陶瓷叶轮生坯；

将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持5h；该过程温度为室温；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温2h；

车床车削，去除陶瓷叶轮生坯飞边、浇冒口等；

采用真空脱胶炉在流动氩气气氛下550℃保温1.5h，缓慢脱除陶瓷叶轮中的有机物成分；

采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温2h，以5℃/min升温至2000℃，保温2h，以8℃/min升温至2050℃，保温2h；

金刚石砂轮磨削叶轮外径、内径等至规定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ra1.6，获得具有复杂、精确形状特征、外径尺寸180mm的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。

实施例2

将9920g碳化硅粉末、30g碳化硼粉末、50g炭黑粉末，加入到25L去离子水中，加入100ml丙三醇为分散剂，搅拌磨混料8h，真空烘干、破碎、擦筛80目，获得混合均匀的混合粉末待用；

将1200g丙烯酰胺、100gN，N-亚甲基双丙烯酰胺、500ml四甲基氢氧化铵加入到8200L去离子水中，充分机械搅拌，配制有机物预混液待用；

取760ml有机物预混液，机械搅拌的同时逐步加入2000g预混合陶瓷粉末，配制陶瓷料浆；

将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡10min；

向陶瓷浆料中加入0.55g引发剂APS，1.38g催化剂TEMED，搅拌均匀；

将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持12h；该过程温度为室温；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温3h；

车床车削，去除陶瓷叶轮生坯飞边、浇冒口等；

采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温1h，以5℃/min升温至2000℃，保温1h，以2℃/min升温至2200℃，保温2h；

金刚石砂轮磨削叶轮外径、内径等至规定尺寸及形位公差要求，粗糙度Ra1.6，获得具有复杂、精确形状特征、外径尺寸160mm的无压烧结碳化硅陶瓷叶轮。

实施例3

将陶瓷浆料放到真空箱中，真空除泡10min；

将陶瓷叶轮生坯放入可控制湿度的环境中，在室温下，将湿度缓慢从100%降低至50%，湿度50%保持24h；然后将陶瓷叶轮生坯转移到烘箱内，缓慢升温至100温度，保温5h；

车床车削，去除陶瓷叶轮生坯飞边、浇冒口等；

采用真空烧结炉在流动氩气气氛下进行无压烧结， 1700℃保温1.5h，以5℃/min升温至2000℃，保温1.5h，以5℃/min升温至2150℃，保温1.5h；

Claims

1.一种凝胶注模成型、无压烧结制备碳化硅陶瓷叶轮的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述碳化硅粉末纯度≥98%，平均粒径为≤0.5um；碳化硼、炭黑粒度均为微米或亚微米级粉末。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述陶瓷浆料中的单体为分析纯的丙烯酰胺、分析纯的甲基丙烯酰胺、羟甲基丙烯酸铵或丙烯酸。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述交联剂为分析纯的N,N′-亚甲基双丙烯酰胺。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分散剂为分析纯的四甲基氢氧化铵。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述引发剂为过硫酸铵。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中的催化剂为分析纯的N,N,N,N-四甲基乙二胺。