CN108033779A - 一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用 - Google Patents

一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明是一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用，本发明技术方案采用钢材制备模具和包套，采用氧化钙、氧化铝、氧化硅复合陶瓷材料制备模芯，将模具和模芯装配到包套中，将待成型的钛合金粉末灌装入包套中，然后将包套抽真空除气并封焊，经热等静压使金属粉末致密化后，通过机加工方式去除金属包套和模具，然后通过化学腐蚀方法去除陶瓷模芯，从而获得近净成型的粉末钛合金构件。

Description

一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明是一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用，属于粉末冶金领域。
背景技术
金属粉末热等静压技术兼具铸造和锻造的优势，一方面可实现复杂构件的近净成形；另一方面，合金高度致密，无成分偏析，组织均匀细小，从而可获得优异的性能。为了获得接近最终形状和尺寸的构件，需要对模具和包套进行特殊设计，其中模具的制备和去除是关键，特别对于具有复杂内腔结构的构件，无法通过机械加工的方式去除模芯材料。常规工艺采用碳钢作为模具及模芯材料，成形后通过酸溶液化铣去除，并的到所需要的构件，该方法主要存在以下问题：首先，模具化铣去除速度较低，耗费时间长；其次，碳钢模具与金属粉末发生界面化学反应，形成一定程度的反应层，影响构件表面质量。
模型或型芯作为熔模精密铸造及粉末热等静压近净成形技术领域制备复杂空心内腔结构的模具重要组成部分，对复杂结构的成形起到至关重要的作用。在现有型芯或模芯材料中，石英玻璃很容易与碱金属盐起反应生成可溶性硅酸盐，所以氧化硅基陶瓷型芯的脱芯比较容易，可采用NaOH或KOH的熔(溶)液进行；氧化铝基陶瓷型芯的基体材料为电熔刚玉，强度高，耐高温性能好，但很难溶(熔)于酸或碱中，因此铝基型芯的脱芯非常困难，但脱出性较差，影响了型芯的广泛使用。氧化钙陶瓷吸水后会生成粉末状的氢氧化钙，从而能够使模芯迅速溃散，可达到快速脱出的目的，但氧化钙本身强度较低，无法满足高压成形承压要求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种复合陶瓷材料、制备方法及其应用，其目的是能够通过化学腐蚀的方法，快速去除陶瓷模芯，该技术方案不仅避免了构件与模芯之间界面化学反应，而且陶瓷材料的化学腐蚀速度快，去除周期短，因此该方法具有较大的应用价值。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出了一种复合陶瓷材料，其特征在于：该种材料的原料及重量百分比为：氧化钙粉10％～40％，氧化铝粉20～70％，氧化硅粉5～40％。
所述氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉的质量分数不小于99％，氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉的粒度不大于500目。
氧化钙粉 10％～20％，氧化铝粉 60～80％，氧化硅粉 5～20％。
氧化钙粉 20％～30％，氧化铝粉 50～60％，氧化硅粉 15～20％。
氧化钙粉 30％～40％，氧化铝粉 50～70％，氧化硅粉 5～10％。
该种复合陶瓷材料将氧化钙、氧化铝及氧化硅三种金属氧化物材料制备成复合陶瓷，充分发挥了各组分的特点和优势，通过引入氧化铝组分，达提高了模芯强度，满足钛合金粉末热等静压高压致密化过程对模芯高强度的需求，通过引入氧化钙和氧化硅组分，模芯在碱熔液中能够快速脱除。
本发明技术方案还提出制备该种复合陶瓷材料的方法，其特征在于：该方法是将氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉按比例称取混合后，加入氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅总重量10～15％的增塑剂，在搅拌机中搅拌均匀后完成制浆，制浆完成后进行压铸模芯、烧结，焙烧温度为1400～1600℃，时间5～10h，得到成型的复合陶瓷材料；
搅拌机的加热温度为110℃，搅拌机的搅拌速度为100r/min；
所述增塑剂的原料及重量百分比为：蜂蜡5～20％，聚乙烯1～10％，余量为石蜡。
针对该种复合陶瓷材料，本发明技术方案提出一种具体的应用方向，就是在复杂内腔钛合金构件粉末热等静压近净成形方法中，采用该种复合陶瓷材料制备型芯。通过与构件内腔结构相匹配的陶瓷模芯来保证构件复杂内腔结构，构件热等静压致密化成形后，通过化学腐蚀方法去除模芯。采用该种复合陶瓷材料型芯成型的钛合金包含纯钛、常规钛合金和钛铝金属间化合物。
该种复合陶瓷材料制备型芯通过混料、制备浆料、压铸模芯和模芯烧结制备获得，其致密度达到98％以上，压缩强度达到150MPa以上。腐蚀溶液为高温NaOH或KOH碱溶液，碱溶液质量浓度20～50％，温度80～100℃，时间6～24h。
本发明技术方案的应用是为了改善粉末热等静压成形复杂内腔金属构件的内腔质量及成形效率，具体方案如下：
采用钢材制备模具和包套，采用该种复合陶瓷材料制备型芯，将模具和模芯装配到包套中，将待成型的金属粉末灌装入包套中，然后将包套抽真空除气并封焊，经热等静压使金属粉末致密化后，通过机加工方式去除包套和模具，然后通过化学腐蚀方法去除陶瓷模芯，从而获得近净成型的粉末金属构件。
具体实施方式
以下结合具体实施方案对本发明作进一步说明：
表1陶瓷材料原料配比列表
实施例一：
采用本发明技术方案所述的复合陶瓷材料制备型芯进行热等静压成型的步骤如下：
(1)混合陶瓷粉料
按20％氧化钙粉，60％氧化铝粉，20％氧化硅粉的比例称取325目的三种粉末，在行星式球磨机上混合6小时；
(2)模芯浆料制备
按步骤(1)混合粉料质量的15％，按80wt％石蜡、5wt％蜂蜡、15wt％聚乙烯的配比称料，组成增塑剂，添加入搅拌机中，并在110℃，100r/min搅拌，待搅拌机中的增塑剂完全熔化后，逐步加入步骤中的(1)混合粉料，并搅拌5小时获得浆料，冷却备用；
(3)模芯压铸
将步骤(2)中冷却后的浆料在110℃下熔化，将模芯的模具在40℃下预热30分钟，然后通过压铸获得模芯坯；
(4)模芯烧结
将步骤(3)的模芯坯放入烧结炉中，按照2℃/min的速率升温，至600℃保温2h，至1600℃保温5h，炉冷获得模芯；
(5)包套装配及封焊
将模芯与包套及模具装配好，焊接包套盖，然后向模腔中装填TC4钛合金粉末并振实，在500℃下抽气12小时，真空度达到10-3Pa，封焊后获得完整的包套；
(6)包套热等静压
将包套在热等静压炉中，按照950℃，1100℃，3h的制度进行热等静压；
(7)包套及模具去除
通过机械加工的方法去除表面金属包套及模具；
(8)模芯去除
将加工后的包套浸入100℃，质量浓度20％的NaOH碱溶液，6h后获得取出，获得钛合金构件。
通过该方案制备出的粉末钛合金构件，模芯去除周期短，构件成形完整，内腔表面无界面反应。
实施例二：
采用本发明技术方案所述的复合陶瓷材料制备型芯进行热等静压成型的步骤如下：
(1)混合陶瓷粉料
按10％氧化钙粉，80％氧化铝粉，10％氧化硅粉的比例称取500目的三种粉末，在行星式球磨机上混合3小时。
(2)模芯浆料制备
按步骤(1)混合粉料质量的15％，按75wt％石蜡、15wt％蜂蜡10wt％聚乙烯的配比组成的增塑剂添加入搅拌机中，并在110℃，100r/min搅拌，待搅拌机中的增塑剂完全熔化后，逐步加入步骤中的(1)混合粉料，并搅拌5小时获得浆料，冷却备用；
(3)模芯压铸
将步骤(2)中冷却后的浆料在110℃下熔化，将模芯的模具在40℃下预热30分钟，然后通过压铸获得模芯坯；
(4)模芯烧结
将步骤(3)的模芯坯放入烧结炉中，按照2℃/min的速率升温，至600℃保温2h，至1400℃保温10h，炉冷获得模芯；
(5)包套装配及封焊
将模芯与包套及模具装配好，焊接包套盖，然后向模腔中装填TiAl合金粉末并振实，在500℃下抽气12小时，真空度达到10-3Pa，封焊后获得完整的包套；
(6)包套热等静压
将包套在热等静压炉中，按照950℃，1100℃，3h的制度进行热等静压；
(7)包套及模具去除
通过机械加工的方法去除表面金属包套及模具；
(8)模芯去除
将加工后的包套浸入80℃，质量浓度50％的NaOH碱溶液，24h后获得取出，获得TiAl合金构件。
与现有技术相比，本发明技术方案通过与构件内腔结构相匹配的陶瓷型芯来保证构件，构件热等静压致密化成形后，通过化学腐蚀的方法，快速去除陶瓷模芯，不仅避免了构件与模芯之间界面化学反应，而且陶瓷材料的化学腐蚀速度快，去除周期短，适用于铝、钛、镍，及其合金和金属间化合物等金属材料的制备。

Claims (7)

1.一种复合陶瓷材料，其特征在于：该种材料的原料及重量百分比为：氧化钙粉10％～40％，氧化铝粉20～70％，氧化硅粉5～40％。
2.根据权利要求1所述的复合陶瓷材料，其特征在于：所述氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉的质量分数不小于99％，氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉的粒度不大于500目。
3.根据权利要求1所述的复合陶瓷材料，其特征在于：氧化钙粉10％～20％，氧化铝粉60～80％，氧化硅粉5～20％。
4.根据权利要求1所述的复合陶瓷材料，其特征在于：氧化钙粉20％～30％，氧化铝粉50～60％，氧化硅粉15～20％。
5.根据权利要求1所述的复合陶瓷材料，其特征在于：氧化钙粉30％～40％，氧化铝粉50～70％，氧化硅粉5～10％。
6.制备权利要求1所述的复合陶瓷材料的方法，其特征在于：该方法将氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅粉按比例称取混合后，加入氧化钙粉、氧化铝粉、氧化硅总重量10～15％的增塑剂，在搅拌机中搅拌均匀后完成制浆，制浆完成后进行压铸模芯、烧结，焙烧温度为1400～1600℃，时间5～10h，得到成型的复合陶瓷材料；
搅拌机的加热温度为110℃，搅拌机的搅拌速度为100r/min；
所述增塑剂的原料及重量百分比为：蜂蜡5～20％，聚乙烯1～10％，余量为石蜡。
7.一种权利要求1所述的复合陶瓷材料的应用，其特征在于：在复杂内腔钛合金构件粉末热等静压近净成形方法中，采用该种复合陶瓷材料制备型芯。
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