CN108101519A - 一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，本发明利用陶瓷浆料固化直接成型，极大地简化了工艺过程，缩短了生产周期，并可以通过对陶瓷铸型结构及壁厚的设计来实现对高温合金定向凝固过程的准确控制。本发明选用石蜡作为支撑材料，使陶瓷铸型在打印过程中不受各种悬空特征的限制，从而为铸件复杂结构的成型提供了可能。且石蜡的熔点较低，在后续支撑去除过程中，能够通过简单的加热工艺进行去除。同时，本发明所需的设备简单，能够直接在FDM双喷头打印机上应用，降低了生产成本。

Description

一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法
技术领域
本发明属于3D打印技术和金属铸造领域，具体涉及一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法。
背景技术
随着快速成型技术在精密铸造领域的应用发展，多种成型技术已经成功用于陶瓷铸型的直接成型。例如，DTM公司研制了包覆树脂的陶瓷粉末材料，用选择激光烧结(SLS)工艺成形并经后处理，制成了用于熔模铸造的陶瓷型壳。但该方法受设备成型空间和成型速度的限制，只适合于制造中小件，且设备价格昂贵。德国Generis公司的工艺路线是将砂粒铺平之后，先用多通道喷头向砂床均匀喷洒树脂然后由一个喷头依据轮廓路径喷射催化剂，催化剂遇树脂后会发生胶联反应，使铸型层层固化堆积成形。但其缺点很明显：由于树脂喷洒在整个砂床表面，铸型制作完毕后是在含有树脂的砂包围之中，这样给后续取砂型时清砂带来困难，需有特殊处理工序，同时也影响了砂型的精度和表面质量。西安交通大学提出了一种基于光固化快速成型技术的型芯型壳一体化陶瓷铸型快速制造方法，该方法首先制备光固化树脂模具，然后采用陶瓷凝胶注模工艺，经冷冻干燥、脱脂、高温烧结后，可实现陶瓷铸型的快速制造。但此方法使用的光敏树脂具有一定的毒性，且价格相对昂贵。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，本方法工艺简单、设备成本低、生产周期短。
为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤一，通过计算机设计陶瓷铸型三维模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机中；
步骤二，制备陶瓷浆料，将陶瓷浆料倒入陶瓷浆料料筒中；制备石蜡支撑材料，将石蜡支撑材料倒入支撑材料料筒中；
步骤三，预热陶瓷浆料喷头，挤出陶瓷浆料打印陶瓷铸型实体；预热支撑材料喷头，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位；
步骤四，打印完成后进行固化，完成陶瓷铸型素坯的制备；
步骤五，将陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内脱除石蜡支撑材料，并对陶瓷铸型素坯进行脱脂；
步骤六，对脱脂后陶瓷铸型素坯进行浸渍强化处理；
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯进行高温烧结，得到陶瓷铸型；
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造；
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳；若有陶瓷内芯，则将铸件放入脱芯液中进行脱芯，脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到复杂结构精密铸件。
步骤二中，陶瓷浆料的制备方法如下：
第一步，根据质量分数取70～85％的陶瓷粉末，再称取0.5～10％的分散剂、0.5～20％的固化剂，0.5～2％的烧结助剂，余量为去离子水；
第二步，将分散剂、固化剂和去离子水混合均匀后，再加入陶瓷粉末及烧结助剂，球磨3～5h后真空除泡，制备成陶瓷浆料。
陶瓷粉末采用氧化铝。
氧化铝陶瓷粉末的粒径为0.1μm～100μm，采用级配方式混合。
步骤二中，石蜡支撑材料的制备方法如下：
第一步，根据质量分数称取80～90％的石蜡、5～10％的EVA和5～10％的低分子量聚乙烯；
第二步，将石蜡、EVA和低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料。
步骤三中，陶瓷浆料喷头预热至30～45℃，支撑材料喷头预热至45～75℃。
步骤四中，固化环境为室温，固化时间为2～4h。
步骤五中，脱除石蜡支撑材料是在高温烧结炉内，在300～400℃温度范围内保温2～4h。
步骤五中，脱脂是在高温烧结炉内900～1100℃温度范围内保温1.5～2h。
步骤六中，浸渍强化处理方法如下：
将脱脂后的铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为30～40分钟。
与现有技术相比，本发明利用陶瓷浆料固化直接成型，极大地简化了工艺过程，缩短了生产周期，并可以通过对陶瓷铸型结构及壁厚的设计来实现对高温合金定向凝固过程的准确控制。本发明选用石蜡作为支撑材料，使陶瓷铸型在打印过程中不受各种悬空特征的限制，从而为铸件复杂结构的成型提供了可能。且石蜡的熔点较低，在后续支撑去除过程中，能够通过简单的加热工艺进行去除。同时，本发明所需的设备简单，能够直接在FDM双喷头打印机上应用，降低了生产成本。
附图说明
图1为实施例1中的陶瓷铸型图；
图2为实施例2中的陶瓷铸型图；
其中，1、浇口，2、陶瓷型壳，3、蜡支撑，4、底盘。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对发明做进一步说明。
实施例1：
步骤一，根据涡轮叶片的设计结构及参数，采用UG三维建模软件设计陶瓷铸型3D模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机。陶瓷铸型示意图见图1。
步骤二，制备陶瓷浆料。先将分散剂、固化剂、去离子水混合均匀，再加入氧化铝陶瓷粉末及烧结助剂，球磨4h后真空除泡，制备成陶瓷浆料，并供入陶瓷浆料料筒。
其中，根据质量分数，氧化铝陶瓷粉末的含量为75％，粒径为0.5μm，4μm，50μm级配混合粉体；分散剂含量为4％；固化剂含量为8.5％，烧结助剂含量为1.5％；其余为去离子水。
步骤三，制备石蜡支撑材料，将质量分数为85％的石蜡、7％的EVA、8％的低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料，并供入支撑材料料筒。
步骤四，陶瓷浆料喷头预热至40℃，挤出陶瓷浆料打印叶片陶瓷铸型实体；支撑材料喷头预热至65℃，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位。打印结束后，室温下固化2.5h，制备完成陶瓷铸型素坯。
步骤五，将步骤四中制备完成的陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，在350℃温度范围内保温2.5h，脱除支撑材料。然后按预定工艺升温至1000℃温度范围内保温2h，对陶瓷铸型素坯进行脱脂。
步骤六，将脱脂后的铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为30分钟。
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，按预定工艺升温至1650℃并保温2h，对陶瓷铸型素坯进行高温烧结。
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造。
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳，并将叶片放入脱芯液中进行脱芯。脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到涡轮叶片铸件。
实施例2：
步骤一，根据涡轮叶片的设计结构及参数，采用UG三维建模软件设计陶瓷铸型3D模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机。陶瓷铸型示意图见图2。
步骤二，制备陶瓷浆料。先将分散剂、固化剂、去离子水混合均匀，再加入氧化铝陶瓷粉末及烧结助剂，球磨4.5h后真空除泡，制备成陶瓷浆料，并供入陶瓷浆料料筒。
其中，根据质量分数，氧化铝陶瓷粉末含量为80％，粒径为0.1μm，4μm，40μm级配混合粉体；分散剂含量为氧化铝陶瓷粉末质量的5％；固化剂含量为氧化铝陶瓷粉末质量的10％，烧结助剂含量为氧化铝陶瓷粉质量百分比的2％；其余为去离子水。
步骤三，制备石蜡支撑材料，根据质量分数将83％的石蜡、7％的EVA、9％的低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料，并供入支撑材料料筒。
步骤四，陶瓷浆料喷头预热至33℃，挤出氧化铝陶瓷浆料打印叶片陶瓷铸型实体；石蜡支撑材料喷头预热至60℃，挤出蜡材料打印支撑部位。打印结束后，室温下固化2.5h，制备完成陶瓷铸型素坯。
步骤五，将步骤四中制备完成的陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，在300℃温度范围内保温2.5h，脱除支撑材料。然后按预定工艺升温至950℃温度范围内保温2h，对陶瓷铸型素坯进行脱脂。
步骤六，将脱脂后的铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为35分钟。
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，按预定工艺升温至1700℃并保温2.5h，对陶瓷铸型素坯进行高温烧结。
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造。
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳，并将叶片放入脱芯液中进行脱芯。脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到高温合金涡轮叶片。
实施例3：
步骤一，通过计算机设计陶瓷铸型三维模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机中；
步骤二，根据质量分数取70％的陶瓷粉末，再称取0.5％的分散剂、0.5％的固化剂，0.5％的烧结助剂，余量为去离子水；将分散剂、固化剂和去离子水混合均匀后，再加入陶瓷粉末及烧结助剂，球磨3h后真空除泡，制备成陶瓷浆料，将陶瓷浆料倒入陶瓷浆料料筒中；
根据质量分数称取80％的石蜡、10％的EVA和10％的低分子量聚乙烯；将石蜡、EVA和低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料，将石蜡支撑材料倒入支撑材料料筒中；
步骤三，预热陶瓷浆料喷头至30℃，挤出陶瓷浆料打印陶瓷铸型实体；预热支撑材料喷头至45℃，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位；
步骤四，打印完成后进行在室温固化2h，完成陶瓷铸型素坯的制备；
步骤五，将陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，在30000℃温度范围内保温2h，脱除支撑材料，然后升温至900℃温度范围内保温1.5h，对陶瓷铸型素坯进行脱脂；
步骤六，将脱脂后的陶瓷铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为30分钟；
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯进行高温烧结，得到陶瓷铸型；
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造；
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳；若有陶瓷内芯，则将铸件放入脱芯液中进行脱芯，脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到复杂结构精密铸件。
实施例4：
步骤一，通过计算机设计陶瓷铸型三维模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机中；
步骤二，根据质量分数取85％的陶瓷粉末，再称取10％的分散剂、12％的固化剂，2％的烧结助剂，余量为去离子水；将分散剂、固化剂和去离子水混合均匀后，再加入陶瓷粉末及烧结助剂，球磨5h后真空除泡，制备成陶瓷浆料，将陶瓷浆料倒入陶瓷浆料料筒中；
根据质量分数称取90％的石蜡、5％的EVA和5％的低分子量聚乙烯；将石蜡、EVA和低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料，将石蜡支撑材料倒入支撑材料料筒中；
步骤三，预热陶瓷浆料喷头至45℃，挤出陶瓷浆料打印陶瓷铸型实体；预热支撑材料喷头至75℃，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位；
步骤四，打印完成后进行在室温固化4h，完成陶瓷铸型素坯的制备；
步骤五，将陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，在400℃温度范围内保温4h，脱除支撑材料，然后升温至1100℃温度范围内保温2h，对陶瓷铸型素坯进行脱脂；
步骤六，将脱脂后的陶瓷铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为40分钟；
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯进行高温烧结，得到陶瓷铸型；
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造；
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳；若有陶瓷内芯，则将铸件放入脱芯液中进行脱芯，脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到复杂结构精密铸件。
实施例5：
步骤一，通过计算机设计陶瓷铸型三维模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机中；
步骤二，根据质量分数取78％的陶瓷粉末，再称取1％的分散剂、20％的固化剂，0.5％的烧结助剂，余量为去离子水；将分散剂、固化剂和去离子水混合均匀后，再加入陶瓷粉末及烧结助剂，球磨4h后真空除泡，制备成陶瓷浆料，将陶瓷浆料倒入陶瓷浆料料筒中；
根据质量分数称取85％的石蜡、7.5％的EVA和7.5％的低分子量聚乙烯；将石蜡、EVA和低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料，将石蜡支撑材料倒入支撑材料料筒中；
步骤三，预热陶瓷浆料喷头至40℃，挤出陶瓷浆料打印陶瓷铸型实体；预热支撑材料喷头至60℃，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位；
步骤四，打印完成后进行在室温固化3h，完成陶瓷铸型素坯的制备；
步骤五，将陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内，在350℃温度范围内保温3h，脱除支撑材料，然后升温至1000℃温度范围内保温2h，对陶瓷铸型素坯进行脱脂；
步骤六，将脱脂后的陶瓷铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为35分钟；
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯进行高温烧结，得到陶瓷铸型；
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造；
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳；若有陶瓷内芯，则将铸件放入脱芯液中进行脱芯，脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到复杂结构精密铸件。

Claims (10)

1.一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，通过计算机设计陶瓷铸型三维模型，确定成型取向并添加支撑，转化为STL格式，并导入快速成型机中；
步骤二，制备陶瓷浆料，将陶瓷浆料倒入陶瓷浆料料筒中；制备石蜡支撑材料，将石蜡支撑材料倒入支撑材料料筒中；
步骤三，预热陶瓷浆料喷头，挤出陶瓷浆料打印陶瓷铸型实体；预热支撑材料喷头，挤出石蜡支撑材料打印支撑部位；
步骤四，打印完成后进行固化，完成陶瓷铸型素坯的制备；
步骤五，将陶瓷铸型素坯置于高温烧结炉内脱除石蜡支撑材料，并对陶瓷铸型素坯进行脱脂；
步骤六，对脱脂后陶瓷铸型素坯进行浸渍强化处理；
步骤七，将浸渍强化处理后的陶瓷铸型素坯进行高温烧结，得到陶瓷铸型；
步骤八，采用定向凝固工艺进行铸造；
步骤九，金属冷却后，敲碎陶瓷外壳；若有陶瓷内芯，则将铸件放入脱芯液中进行脱芯，脱芯完成后，采用X射线无损检测是否存有残芯，最终得到复杂结构精密铸件。
2.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤二中，陶瓷浆料的制备方法如下：
第一步，根据质量分数取70～85％的陶瓷粉末，再称取0.5～10％的分散剂、0.5～20％的固化剂，0.5～2％的烧结助剂，余量为去离子水；
第二步，将分散剂、固化剂和去离子水混合均匀后，再加入陶瓷粉末及烧结助剂，球磨3～5h后真空除泡，制备成陶瓷浆料。
3.根据权利要求2所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，陶瓷粉末采用氧化铝。
4.根据权利要求2所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，氧化铝陶瓷粉末的粒径为0.1μm～100μm，采用级配方式混合。
5.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤二中，石蜡支撑材料的制备方法如下：
第一步，根据质量分数称取80～90％的石蜡、5～10％的EVA和5～10％的低分子量聚乙烯；
第二步，将石蜡、EVA和低分子量聚乙烯加入密炼机中进行热熔混合密炼，混合均匀后机械搅拌除气，制备成石蜡支撑材料。
6.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤三中，陶瓷浆料喷头预热至30～45℃，支撑材料喷头预热至45～75℃。
7.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤四中，固化环境为室温，固化时间为2～4h。
8.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤五中，脱除石蜡支撑材料是在高温烧结炉内，在300～400℃温度范围内保温2～4h。
9.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤五中，脱脂是在高温烧结炉内900～1100℃温度范围内保温1.5～2h。
10.根据权利要求1所述的一种用于复杂结构零件定向凝固成形的陶瓷铸型制备方法，其特征在于，步骤六中，浸渍强化处理方法如下：
将脱脂后的铸型素坯放入40％浓度的硅溶胶溶液中，进行真空压力浸渍，真空度为-0.08MPa，浸渍时间为30～40分钟。
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