CN105732007B - 一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，属于快速精密铸造领域。采用碳酸钙粉体和适量矿化剂为原料制造陶瓷铸型素坯，将素坯脱脂后，和适量金属钙一起放入真空烧结炉中进行反应烧结，最后再将铸型放入大气烧结炉中终烧。金属钙单质与碳酸钙分解产生的二氧化碳反应生成氧化钙，提高了陶瓷铸型的致密度。适量的矿化剂促进了陶瓷铸型的烧结，提高了陶瓷铸型的抗水化性。使用上述方法制得的氧化钙基整体式陶瓷铸型具有优良的高温综合性能，解决了氧化铝基陶瓷铸型脱芯难、废品率高的技术难题，尤其适用于复杂零件的快速制造。

Description

一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法
技术领域
本发明属于快速精密铸造领域，具体涉及一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法。
背景技术
目前，在国内外广泛使用的用于近净成形精密铸造的陶瓷铸型主要有氧化硅基和氧化铝基两种。氧化硅基陶瓷使用温度为1520℃～1560℃，在1500℃～1550℃的浇注条件下，成品率较高，但当使用温度大于1550℃时，高温性能极差，因此氧化硅基陶瓷不适用于更高温度的高温合金浇注条件；氧化铝基陶瓷具有高的耐火度、化学稳定性好、良好的热稳定性、抗蠕变性能好、无晶型转变等优点，其使用温度大于1550℃，最高可达1850℃。虽然氧化铝基陶瓷铸型相比氧化硅基陶瓷铸型具有一些优良的性能，但是氧化铝基陶瓷铸型的脱芯非常困难，通常会带来40％的废品率，这也是长期以来一直阻碍其广泛应用的主要原因。
氧化钙熔点为2572℃，沸点为2850℃，氧化钙陶瓷热膨胀系数与高温合金相近，金属液凝固时能与金属同步收缩，能避免由于应力产生的热撕裂；易溶于热水，脱芯速率快，不会对铸件造成任何损伤；使用温度高、化学稳定性好。目前，氧化钙基陶瓷铸型相关研究较少，成形方法主要采用模压成形，成形过程主要是将氧化钙粉末与油酸或石蜡等增塑剂混合后注入钢模后加压成形制得，该方法适用于结构简单的零部件制造，难于满足复杂结构零件的制造需求。因此，若能研究出一种可靠的、适用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型将具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，它基于光固化快速成型技术，结合凝胶注模技术，一次成形型芯、型壳一体化陶瓷铸型，操作简单，节能环保。
本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明公开了一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，包括以下步骤：
1)采用光固化快速成型方法，制备出可烧失性光固化树脂模具；
2)采用凝胶注模方法，将陶瓷粉体、有机单体、交联剂、分散剂、增塑剂和去离子水混合均匀，制得高固相、低粘度的陶瓷浆料；
所述陶瓷粉体是由80％～99％的碳酸钙粉体和1％～20％的矿化剂粉体组成；其中，矿化剂粉体为氧化镁、氧化钇或氧化锆中的一种或其中几种按照任意质量比混合的混合物；
3)在真空和振动环境下，向可烧失性光固化树脂模具的型腔中浇注高固相、低粘度的陶瓷浆料，并加入催化剂和引发剂，待陶瓷浆料固化后，制得陶瓷铸型素坯，然后进行干燥、脱脂处理；
4)将干燥、脱脂后的陶瓷铸型素坯和金属钙一起进行烧结，制得陶瓷铸型；
5)将陶瓷铸型进行终烧，制得氧化钙基陶瓷铸型。
步骤2)采用凝胶注模方法，制备高固相、低粘度的陶瓷浆料的具体操作包括以下步骤：
(1)取陶瓷粉体，加入陶瓷粉体总质量2％的增塑剂，搅拌混合均匀，得到混合粉料；
(2)将有机单体和交联剂按照质量比24：1混合后，溶解于去离子水中，再加入占陶瓷粉体总质量2％的分散剂，搅拌溶解，配制成预混液；
(3)将混合粉料和预混液充分搅拌均匀，调节pH值至10～11，制得预制浆料；
(4)将预制浆料充分球磨分散均匀，获得高固相、低粘度的陶瓷浆料。
高固相、低粘度的陶瓷浆料固相含量为55％～65％，表观粘度小于1Pa·S。
所述有机单体为丙烯酰胺；交联剂为N，N’—亚甲基二丙烯酰胺；增塑剂为PEG600；分散剂为质量浓度为30％的聚丙烯酸钠溶液。
步骤3)在浇注前进行真空除气处理，真空度为0.08MPa，除气时间为2min；浇注时振动频率为100Hz，振动幅度为3mm。
步骤3)中干燥采用真空冷冻干燥，将干燥后的陶瓷铸型素坯置于大气脱脂炉中脱脂，脱脂温度为600℃～750℃；
其中，脱脂过程中的升温制度为：自室温起，以30℃/h的升温速率，升温至300℃，保温10min；然后以40℃/h的升温速率，升温至300～400℃，保温10min；再以60℃/h的升温速率，升温至400～600℃，保温1h；最后以100℃/h的升温速率，升温至600～750℃，保温2h。
步骤3)中催化剂选用质量浓度为25％的四甲基乙二胺；引发剂选用质量浓度为30％的过硫酸铵。
步骤4)中金属钙的添加量是碳酸钙粉体总质量的1.2～2.5倍。
步骤4)所述烧结是将干燥、脱脂后的陶瓷铸型素坯包覆一层金属钙粉后置于石墨坩埚中，加盖密封，然后在真空度大于0.099MPa的条件下进行；
其中，烧结过程中的升温制度为：自室温起，以60～120℃/h的升温速率，自室温起，升温至800℃，保温2h；再以60～120℃/h的升温速率，升温至950～1000℃，保温1h。
步骤5)所述的终烧温度为1400～1600℃，该终烧的升温制度为：自室温起，以100～300℃/h的升温速率，升温至1400～1600℃，保温2h。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
1、基于光固化快速成型技术，结合凝胶注模技术，使得型芯、型壳能够一次成形，陶瓷型芯、型壳之间相互位置精度高，能够避免偏芯、穿孔等缺陷；采用同一种材料制造陶瓷型芯、型壳，二者有相同的膨胀系数，有利于保证铸件的尺寸精度；
2、采用光固化快速成型技术制造的可烧失性光固化树脂模具代替金属模具，可烧失性光固化树脂模具包含有复杂内腔和外形结构，能够构成复杂的冷却通道，解决了复杂模具型腔制造困难的难题，为具有复杂、细小、曲折结构的氧化钙基整体式陶瓷铸型的制备提供了保证，可大幅度缩短设计制造周期，降低制造成本；
3、制造氧化钙基陶瓷铸型选用的原料主要是物产丰富、价格低廉的碳酸钙粉体，使得整个凝胶注模成形过程简单易行、绿色环保；通过添加适量的矿化剂如氧化锆、氧化钇等，可促进氧化钙基陶瓷铸型的烧结，提高铸型的抗水化性；
4、在真空烧结过程中，利用金属钙单质的低熔点、高沸点的特性，使其在熔融状态与碳酸钙分解产生的二氧化碳反应生产氧化钙，大大提高了氧化钙基陶瓷铸型的致密度和烧结性能；
5、该方法有效解决了氧化铝基陶瓷铸型脱芯难、废品率高的技术难题，可大大提高制造成品率，并且使用温度高，高温性能好，可满足更高温度的精密铸造。
附图说明
图1是氧化钙基整体式陶瓷铸型制造工艺过程图；
图2是某一型号涡轮叶片整体式陶瓷铸型CAD模型图；
图中，1为SL树脂模具外壳；2为陶瓷浆料浇口；
图3是整体式陶瓷型芯、型壳制造过程示意图；
图中，3为型壳；4为型芯；5为叶片树脂模具。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参见图1，本发明公开的一种适用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，包括下述步骤：
1)使用光固化快速成型机制造可烧失性光固化树脂模具；
2)采用凝胶注模方法，将陶瓷粉体、单体、交联剂、分散剂、增塑剂和去离子水混合均匀制备出高固相、低粘度的陶瓷浆料；
3)在真空和振动环境下向树脂模具的型腔中浇注陶瓷浆料，在催化剂和引发剂的诱导下，使陶瓷浆料固化，得到陶瓷铸型素坯；用真空冷冻干燥方法去除陶瓷铸型素坯中的水分；将干燥后的陶瓷铸型素坯放入大气脱脂炉中脱脂，烧除素坯内的有机物；
4)将脱脂后的陶瓷铸型素坯和适量金属钙一起放入石墨坩埚中，之后再将坩埚放入真空烧结炉中烧结；
5)将步骤4)制得的陶瓷铸型放入大气烧结炉中终烧得到性能优异的氧化钙基整体式陶瓷铸型。
实施例1
1、可烧失性光固化树脂模具制造
该可烧失性树脂模具包含有复杂内腔和外形结构，至少能形成一体冷却通道，具体制造过程是：首先采用UG等三维造型软件，设计出某航空公司某一型号的叶片整体式模具模型，如图2所示，1为SL树脂模具外壳；2为陶瓷浆料浇口；将模型数据导出为STL格式文件，再利用Magics软件为模型添加必要的支撑，并且经过分层处理得到最终的SLC格式文件，再将该文件导入光固化快速成型机(XJRP-SPS600B)中，在激光头机械臂带动下对液态光敏树脂DSM Somos14120进行扫描，其扫描路径由每层平面图形数据控制，被激光照射到的那层液态树脂(约0.1mm)由于聚和反应而固化，不断地进行下去，直至所有的层累加制造完成，最后得到与零件本身形状结构完全一致的树脂模具。
2、陶瓷浆料配制
1)将碳酸钙粉体、矿化剂粉体和增塑剂(PEG600)在容器中搅拌混合均匀得到混合粉料，陶瓷粉体配比见表1；
表1陶瓷粉体配比
其中，矿化剂粉体为氧化钇2％，氧化锆3％；增塑剂为陶瓷粉体总质量的2％。
2)将有机单体丙烯酰胺和交联剂N，N’—亚甲基二丙烯酰胺按照质量比24∶1溶解到去离子水中，其中有机物在去离子水中的浓度为15％，再添加浓度为30％的聚丙烯酸钠溶液(占陶瓷粉体总质量的2％)作为分散剂，搅拌溶解，配制成预混液。
3)称取预混液，将混合粉料倒入球磨罐中搅拌均匀，使用浓氨水调节PH至10-11，得到预制浆料，其中陶瓷粉体占陶瓷浆料的体积比为56％。
4)将预制浆料放入球磨机中球磨分散40分钟，获得高固相、低粘度的陶瓷浆料。
3、氧化钙基整体式陶瓷铸型素坯成形与干燥
1)陶瓷浆料浇注到叶片树脂模具型腔中。将树脂模具固定在小型振动台上，将陶瓷浆料放入真空注型机中。在浇注之前进行真空除气，真空度控制在0.08MPa，除气时间为2分钟。依次加入催化剂(浓度为25％的四甲基乙二胺)和引发剂(浓度为30％的过硫酸铵)，控制固化时间。其中引发剂的加入量为丙烯酰胺单体质量的0.8％，催化剂的加入量为丙烯酰胺单体质量的0.05％。在真空和振动条件下浇注，浇注时振动频率为100Hz，振动幅度为3mm。陶瓷型芯、型壳成形过程如图3所示，3为型壳；4为型芯；5为叶片树脂模具。
2)铸型素坯固化完全后，真空冷冻干燥50小时。
4、氧化钙基整体式陶瓷铸型素坯脱脂与烧结
1)待陶瓷铸型素坯干燥后，放入大气脱脂炉中烧除素坯中的有机物和内层树脂模具，升温工艺见表2；
表2脱脂升温工艺
2)将步骤1)得到的陶瓷铸型和金属钙放入石墨坩埚中，其中金属钙的添加量为铸型中碳酸钙质量的2.5倍，并且用盖子封闭坩埚，在真空烧结炉中升温至1200℃进行反应烧结，真空度控制在0.099MPa，升温工艺见表3；
表3反应烧结升温工艺
3)将步骤2)得到的陶瓷铸型在大气烧结炉中终烧，升温工艺见表4。最终可得到性能优异的氧化钙基陶瓷铸型。
表4终烧结升温工艺
综上所述，采用碳酸钙粉体和适量矿化剂为原料制造陶瓷铸型素坯，将素坯脱脂后，和适量金属钙一起放入真空烧结炉中进行反应烧结，最后再将铸型放入大气烧结炉中终烧。金属钙单质与碳酸钙分解产生的二氧化碳反应生成氧化钙，提高了陶瓷铸型的致密度。适量的矿化剂促进了陶瓷铸型的烧结，提高了陶瓷铸型的抗水化性。使用上述方法制得的氧化钙基整体式陶瓷铸型具有优良的高温综合性能，解决了氧化铝基陶瓷铸型脱芯难、废品率高的技术难题，尤其适用于复杂零件的快速制造。

Claims (8)

1.一种用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用光固化快速成型方法，制备出可烧失性光固化树脂模具；
2)采用凝胶注模方法，将陶瓷粉体、有机单体、交联剂、分散剂、增塑剂和去离子水混合均匀，制得高固相、低粘度的陶瓷浆料；
所述陶瓷粉体是由80％～99％的碳酸钙粉体和1％～20％的矿化剂粉体组成；其中，矿化剂粉体为氧化镁、氧化钇或氧化锆中的一种或其中几种按照任意质量比混合的混合物；
3)在真空和振动环境下，向可烧失性光固化树脂模具的型腔中浇注高固相、低粘度的陶瓷浆料，并加入催化剂和引发剂，待陶瓷浆料固化后，制得陶瓷铸型素坯，然后进行干燥、脱脂处理；
4)将干燥、脱脂后的陶瓷铸型素坯包覆一层金属钙粉后置于石墨坩埚中，加盖密封，然后在真空度大于0.099MPa的条件下一起进行烧结，制得陶瓷铸型；其中，金属钙的添加量是碳酸钙粉体总质量的1.2～2.5倍；烧结过程中的升温制度为：自室温起，以60～120℃/h的升温速率，自室温起，升温至800℃，保温2h；再以60～120℃/h的升温速率，升温至950～1000℃，保温1h；
5)将陶瓷铸型进行终烧，制得用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型。
2.根据权利要求1所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，步骤2)采用凝胶注模方法，制备高固相、低粘度的陶瓷浆料的具体操作包括以下步骤：
(1)取陶瓷粉体，加入陶瓷粉体总质量2％的增塑剂，搅拌混合均匀，得到混合粉料；
(2)将有机单体和交联剂按照质量比24：1混合后，溶解于去离子水中，再加入占陶瓷粉体总质量2％的分散剂，搅拌溶解，配制成预混液；
(3)将混合粉料和预混液充分搅拌均匀，调节pH值至10～11，制得预制浆料；
(4)将预制浆料充分球磨分散均匀，获得高固相、低粘度的陶瓷浆料。
3.根据权利要求1或2所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，高固相、低粘度的陶瓷浆料固相含量为55％～65％，表观粘度小于1Pa·S。
4.根据权利要求1或2所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，所述有机单体为丙烯酰胺；交联剂为N，N’—亚甲基二丙烯酰胺；增塑剂为PEG600；分散剂为质量浓度为30％的聚丙烯酸钠溶液。
5.根据权利要求1所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，步骤3)在浇注前进行真空除气处理，真空度为0.08MPa，除气时间为2min；浇注时振动频率为100Hz，振动幅度为3mm。
6.根据权利要求1所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，步骤3)中干燥采用真空冷冻干燥，将干燥后的陶瓷铸型素坯置于大气脱脂炉中脱脂，脱脂温度为600℃～750℃；
其中，脱脂过程中的升温制度为：自室温起，以30℃/h的升温速率，升温至300℃，保温10min；然后以40℃/h的升温速率，升温至300～400℃，保温10min；再以60℃/h的升温速率，升温至400～600℃，保温1h；最后以100℃/h的升温速率，升温至600～750℃，保温2h。
7.根据权利要求1所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，步骤3)中催化剂选用质量浓度为25％的四甲基乙二胺；引发剂选用质量浓度为30％的过硫酸铵。
8.根据权利要求1所述的用于复杂零件制造的氧化钙基陶瓷铸型快速制备方法，其特征在于，步骤5)所述的终烧温度为1400～1600℃，该终烧的升温制度为：自室温起，以100～300℃/h的升温速率，升温至1400～1600℃，保温2h。
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