CN107214343A - 一种梯度喷嘴的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及复合材料生产工艺中零部件制备领域，具体公开了一种梯度喷嘴的制备方法，包括如下步骤：按照梯度喷嘴的设计，将金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出2‑15种不同陶瓷含量的复合粉末，并将粉末进行高能球磨机械合金化，分别向复合粉末中加入凝胶溶液，均匀搅拌形成流动性好的复合材料浆料，然后将几种浆料按照从外到内的顺序，依次加入固化剂倒入高速旋转的立式离心成形机中，待固化结束，经脱模、干燥、真空烧结，制得梯度喷嘴，所得喷嘴的梯度层数可以达到10层以上，单层烧结后厚度为0.3mm~10mm，工艺简单，能耗小，能够制备出大高径比的复合材料梯度喷嘴，具有提高喷嘴热稳定性能，抗冲蚀磨损能力的特点。

Description

一种梯度喷嘴的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料生产工艺中零部件制备领域，具体涉及一种梯度喷嘴的制备方法。
背景技术
喷嘴是火焰喷涂或磨料射流加工等领域的关键部件，要求喷嘴材料具有良好的抗高温性能，高硬度，抗耐磨性，这些综合性能直接影响到喷嘴的使用寿命及加工使用效果。传统火焰喷涂喷嘴常采用黄铜喷嘴，其抗高温性能差，磨料射流加工常采用陶瓷作为喷嘴材料，但陶瓷喷嘴材料的抗冲蚀磨损性能不够理想。
发明内容
针对喷嘴抗高温性能差，抗冲蚀磨损性能差的问题，提供一种梯度喷嘴的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种梯度喷嘴的制备方法，包括如下步骤：
（1）按照梯度喷嘴的设计，将金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出2-15种不同陶瓷含量的复合粉末，并将所述复合粉末进行高能球磨机械合金化；
（2）分别向步骤（1）中所得复合粉末中加入凝胶溶液，搅拌形成流动性好的复合材料浆料；
（3）将所述复合材料浆料按照喷嘴的成分设计，加入固化剂后，依次倒入高速旋转的立式离心成形机中；
（4）待固化结束，将得到的坯体进行脱模、干燥、真空烧结处理，制得梯度喷嘴。
进一步地，所述凝胶溶液的体积占复合粉末与凝胶溶液总体积的20%~60%。
进一步地，所述金属粉末为铜粉、弥散铜粉、钛合金粉基、钴粉、不锈钢粉或铁合金粉。
进一步地，所述陶瓷增强颗粒为氧化铝、碳化硅、碳化钨或碳化钛。
进一步地，所述凝胶溶液包括有机成形剂与溶剂。
进一步地，所述有机成形剂在凝胶溶液中的体积分数为20%-70%；所述有机成形剂为甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺；所述溶剂为甲苯或去离子水。
进一步地，所述步骤（3）中，相邻所述复合材料浆料倒入所述高速旋转的立式离心成形机的间隔时间为1-2min。
进一步地，所述步骤（4）中，梯度喷嘴的单层厚度为0.3mm-10mm，层数为2-15层。
进一步地，所述高速旋转的立式离心成形机的转速为1000-5000r/min
本发明中梯度喷嘴的单层的厚度可以通过计算控制，烧结后的单层厚度最薄可以做到0.3mm，最厚可以做到10mm，按照梯度层设计，逐层按成分添加，梯度层数可以达到10层以上，控制每层材料的中凝胶溶液的含量，使得各层在烧结收缩中的收缩率一致，减少或消除梯度层之间的内应力；并且凝胶溶液在烧结脱胶过程中很容易脱除掉，没有杂质残留，从而制备出高性能的梯度喷嘴。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明一种梯度喷嘴的制备方法，工艺简单，能耗小，制备出具有大高径比的多层复合材料梯度喷嘴，并具有提高喷嘴热稳定性能，抗冲蚀磨损能力的特点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明按照设计的梯度喷嘴的梯度层的层数、复合材料成分、单层厚度计算每层需要的复合材料浆料的体积，往金属粉末中添加不同比例的陶瓷增强颗粒，按设计要求采用高能球磨制备出几种不同陶瓷增强颗粒浓度梯度的复合粉末，分别向几种复合粉末中加入凝胶溶液，制备成复合材料浆料，采用浆料离心成形；陶瓷增强颗粒优选氧化铝、碳化钨和碳化钛，混合到金属粉末中起到增强作用；凝胶溶液中的溶剂在坯体固化后经烘箱干燥挥发脱除，有机成形剂在烧结脱胶过程中很容易脱除掉，没有杂质残留；固化剂选用常用固化剂，能够使立式离心成形机中复合材料层在短时间内固化，使固化后制备的坯体强度大于25MPa。
实施例1
（1）设计梯度喷嘴，从外层到内层的成分依次为纯Cu、0.5wt%Al2O3-Cu、1.0wt%Al2O3-Cu、1.5 wt%Al2O3-Cu、2.0wt%Al2O3-Cu、2.5 wt%Al2O3-Cu，将相应的金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出6种不同陶瓷颗粒增强颗粒含量的复合粉末，并将复合粉末进行高能球磨机械合金化，各层粉末的粒度均为325目；
（2）制备的喷嘴的外径14mm，内径为5mm，高度为100mm，其中最内层成分2.5 wt%Al2O3-Cu的厚度为2mm，其他层为0.5mm，从外到内依次各层复合粉末的加入量依次为18.9g、17.5g、16.1g、14.7g、13.3g、39.1g，相应的依次加入凝胶溶液分别为0.44、0.45、0.46、0.48、0.51、0.52（凝胶溶液占复合粉末与凝胶溶液总体积的百分数，%），均匀搅拌形成流动性好的复合材料浆料，其中，凝胶溶液由体积分数各为50%的甲基丙烯酸羟乙酯和甲苯混合而成；
（3）按照喷嘴的成分设计，按照陶瓷增强颗粒浓度由低浓度到高浓度的顺序，加入固化剂后，将6种浆料依次倒入高速旋转的立式离心成形机中，转速为3000r/min，相邻浆料倒入间隔时间为1分钟，形成不同的复合材料层；
（4）待固化完成，将坯体脱模，60℃干燥2h，真空烧结400℃保温2h，910℃保温20min,制备得到6层弥散强化铜梯度喷嘴。
由以上方案制得的梯度喷嘴最终测得的整体体积收缩率为41.2%，硬度分布从外到内依次为HV115，HV130，HV136，HV142，HV145，HV151。
实施例2
（1）设计铁-碳化钨梯度喷嘴，从外层到内层的成分依次为纯Fe、4wt%WC-Fe、7wt%WC-Fe、10wt%WC-Fe、13wt%WC-Fe、16wt%WC-Fe、19wt%WC-Fe、21wt%WC-Fe、24wt%WC-Fe、27wt%WC-Fe，将相应的金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出10种不同陶瓷颗粒增强颗粒含量的复合粉末，并将复合粉末进行高能球磨机械合金化，各层复合粉末的粒度均为200目；
（2）制备的喷嘴的外径10mm，内径为4mm，高度为100mm，梯度层厚度均为0.3mm，从外到内依次各层粉末的加入量依次为7.19g、6.88g、6.53g、6.16g、5.78g、5.40g、4.99g、4.55g、4.12g、3.68g，相应的依次加入凝胶溶液分别为0.36、0.36、0.37、0.38、0.39、0.41、0.43、0.45、0.47、0.48（凝胶溶液占复合粉末与凝胶溶液总体积的百分数，%），均匀搅拌形成流动性好的复合材料浆料，其中，凝胶溶液由体积分数为40%的甲基丙烯酸羟乙酯和体积分数为60%的甲苯混合而成；
（3）按照喷嘴的成分设计，按照陶瓷增强颗粒浓度由低浓度到高浓度的顺序，加入固化剂后，将10种浆料依次倒入高速旋转的立式离心成形机中，转速为5000r/min，相邻浆料倒入间隔时间为2分钟，形成不同的复合材料层；
（4）待固化完成，将坯体脱模，60℃干燥2h，真空烧结400℃保温1h，1220℃保温20min,制备得到10层铁-碳化钨梯度喷嘴。
由以上方案制得的梯度喷嘴最终测得的整体体积收缩率为38.5%，硬度分布从外到内依次为HRC45，HRC46，HRC48，HRC50，HRC52，HRC54，HRC57，HRC59，HRC62，HRC65。
实施例3
（1）设计高温不锈钢-碳化钛梯度喷嘴，从外层到内层的成分依次为10wt%TiC-不锈钢、20wt%TiC-不锈钢、40wt%TiC-不锈钢，将相应的金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出3种不同陶瓷颗粒增强颗粒含量的复合粉末，并将复合粉末进行高能球磨机械合金化，各层复合粉末的粒度均为150目；
（2）制备的喷嘴的外径40mm，内径为5mm，高度为100mm，从外到内梯度层厚度均为2.5mm、5mm、10mm，从外到内依次各层粉末的加入量依次为218.72g、331.11g、299.09g，相应的依次加入凝胶溶液分别为0.32、0.36、0.41（凝胶溶液占复合粉末与凝胶溶液总体积的百分数，%），均匀搅拌形成流动性好的浆料，其中，凝胶溶液由体积分数为30%的丙烯酰胺和体积分数为70%的去离子水混合而成；
（3）按照喷嘴的成分设计，按照陶瓷增强颗粒浓度由低浓度到高浓度的顺序，加入固化剂后，将3种浆料依次倒入高速旋转的立式离心成形机中，转速为1000r/min，相邻浆料倒入间隔时间为1.5分钟，形成不同的复合材料层；
（4）待固化完成，将坯体脱模，60℃干燥2h，真空烧结400℃保温3h，1320℃保温20min,制备得到3层不锈钢-碳化钛梯度喷嘴。
由以上方案制备得到的梯度喷嘴最终测得的整体体积收缩率为36.2%，硬度分布从外到内依次为HRC55，HRC60，HRC67。
通过本发明一种梯度喷嘴及其制备方法，制得的梯度喷嘴收缩率控制在20%-60%，每层均有良好的硬度性能，有效提高喷嘴热稳定性能，抗冲蚀磨损性能。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）按照梯度喷嘴的设计，将金属粉末与陶瓷增强颗粒均匀混合，制备出2-15种不同陶瓷含量的复合粉末，并将所述复合粉末进行高能球磨机械合金化；
（2）分别向步骤（1）中所得复合粉末中加入凝胶溶液，搅拌形成流动性好的复合材料浆料；
（3）将所述复合材料浆料按照喷嘴的成分设计，加入固化剂后，依次倒入高速旋转的立式离心成形机中；
（4）待固化结束，将得到的坯体进行脱模、干燥、真空烧结处理，制得梯度喷嘴。
2.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述凝胶溶液的体积占复合粉末与凝胶溶液总体积的20%~60%。
3.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为铜粉、弥散铜粉、钛合金粉基、钴粉、不锈钢粉或铁合金粉。
4.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述陶瓷增强颗粒为氧化铝、碳化硅、碳化钨或碳化钛。
5.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述凝胶溶液包括有机成形剂与溶剂。
6.根据权利要求5所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述有机成形剂在凝胶溶液中的体积分数为20%-70%；所述有机成形剂为甲基丙烯酸羟乙酯、丙烯酰胺或甲基丙烯酰胺；所述溶剂为甲苯或去离子水。
7.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，相邻所述复合材料浆料倒入所述高速旋转的立式离心成形机的间隔时间为1-2min。
8.根据权利要求１所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，梯度喷嘴的单层厚度为0.3mm-10mm，层数为2-15层。
9.根据权利要求1所述的一种梯度喷嘴的制备方法，其特征在于，所述高速旋转的立式离心成形机的转速为1000-5000r/min。
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