CN109848363A - 一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料、可溶性陶瓷模具及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料、可溶性陶瓷模具及其应用。所述材料包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85:0～10:3:10:12:3；所述粘结剂为无水磷酸钠；所述增塑剂为聚乙二醇；所述矿化剂为氧化钙；其中所述聚乙二醇的分子量为600。由所述材料制备得到的可溶性陶瓷模具易于成型，且能够满足用于溶体浸渗法制备SiC3D/Al复合材料的机械性能，能在水中溃散，易于与SiC3D/Al复合材料分离，可以有效地提高SiC3D/Al复合材料的脱模效率，大幅度减少后续脱模的机械加工，从而降低复合材料的生产制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料的制备技术领域，更具体地，涉及一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料、可溶性陶瓷模具及其应用。
背景技术
三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料(Three-dimensional Co-continuousNetwork Ceramic-Metal Composite,简称为C4材料，其组成的陶瓷相和金属相均呈现空间拓扑结构，相比于传统的非连续相增强复合材料(颗粒增强或纤维增强等)而言，这种复合材料的每一个组成相的物理力学特征都能够有效地保留。三维连续网络结构的SiC3D/Al复合材料是一种典型的C4材料，因其既有SiC陶瓷高强度、高硬度及良好耐磨性的特点，又兼具了Al的高导热性和高导电性的优势，使得该种新型复合材料具有较为广阔的应用空间。
目前，SiC3D/Al复合材料的制备主要采用熔体浸渗法，根据熔体SiC浸渗过程中有无压力和浸渗时间的长短，可将该种制备方法分为三类，即无压浸渗法、真空压力浸渗法和挤压浸渗法，而真空压力浸渗法又分为正压法及反压法。为保证制备的SiC3D/Al复合材料具有较高的致密度和力学性能，通常选用真空压力浸渗法和挤压浸渗法制备SiC3D/Al复合材料。
对于采用真空压力浸渗法制备SiC3D/Al复合材料时，通常选用合金钢或者石墨作为模具材料。对于合金钢模具而言，由于熔融液态Al与模具的接触时间较长，而且熔融液态Al与合金钢的润湿角度相对较小，这就易造成Al与模具的粘连，导致冷却后复合材料脱模困难，同时也会使得合金钢中部分元素溶解至熔融液态Al中，从而增加了液态Al中的杂质含量，最终影响SiC3D/Al复合材料的力学物理性能。而对于石墨模具而言，虽然其化学性质稳定，但其成型困难且加工精度低、生产成本高，另外现有的石墨模具多数是拼接而成，在浸渗过程中，熔融液态Al部分浸渗入石墨模具接缝处，形成Al对石墨的包裹现象，造成其脱模困难，需要后续机加工辅助脱模。同时，对于尺寸复杂的SiC3D/Al复合材料工件，石墨模具加工精度低且成本高的缺点更加突出，这就造成了SiC3D/Al复合材料的生产成本居高不下，阻碍了SiC3D/Al复合材料的推广应用。
因此，需要寻找一种新的材料用作为熔体浸渗法的模具。现有技术中(专利201310488660.4)公开了一种可用于金属铸造用可溶性陶瓷型芯，该可溶性陶瓷型芯公开了一种可溶性陶瓷材料配方，但由该材料制备得到的模具，强度相对较低、收缩较大，并不适用于熔体浸渗法。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有用于溶体浸渗法制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的模具脱模难的问题，提供一种可用于制备可溶性陶瓷模具的材料，由该材料制备得到的模具强度高，收缩率适中，适用于熔体浸渗法。
本发明的另一目的是提供一种可用于溶体浸渗法制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的可溶性陶瓷模具，所述可溶性陶瓷模具不与复合材料粘连、脱模方便。
本发明的另一目的是提供上述可溶性陶瓷模具在制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料方面的应用。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
提供一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85:0～10:3:10:12:3；所述粘结剂为无水磷酸钠；所述增塑剂为聚乙二醇；所述矿化剂为氧化钙；其中所述聚乙二醇的分子量为600。
本发明所述的可溶性陶瓷模具由上述材料制备而成。通过利用所述材料，所述可溶性陶瓷模具易于成型，且能够满足用于溶体浸渗法制备C4复合材料的机械性能，在完成制备C4复合材料后，所述可溶性陶瓷模具能在水中溃散，易于与SiC3D/Al复合材料分离，可以有效地提高SiC3D/Al复合材料的脱模效率，大幅度减少后续脱模的机械加工，从而降低复合材料的生产制备成本。
本发明所述可溶性陶瓷模具采用烧结法或压制烧结法制备而成。优选地，所述烧结法的烧结温度为1573～1673K，烧结时间为30～40min。
优选地，所述压制烧结法的烧结温度为1573～1673K，烧结时间为30～40min，烧结压力为1～3MPa。
本发明还提供上述可溶性陶瓷模具在溶体浸渗法制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料中的应用。所述三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料包括但不限于SiC3D/Al复合材料。
进一步地，所述溶体浸渗法包括无压浸渗法、真空正压浸渗法、真空反压浸渗法、挤压浸渗法。
进一步地，所述可溶性陶瓷模具的密度≥2.8g/cm3；所述可溶性陶瓷模具的壁厚≥5mm。
根据不同熔体浸渗法的使用环境要求，控制所述可溶性陶瓷模具的强度，所述石英和电熔刚玉粉的配比用于调节可溶性陶瓷模具的机械强度。
进一步地，对于所述无压浸渗法，在所述可溶性陶瓷模具原料中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85:0～3:3:10:12:3。由上述原料制备得到的可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度≥2MPa。
对于所述真空正压浸渗法或真空反压浸渗法，所述气体压力浸渗小于15MPa；在所述可溶性陶瓷模具原料中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85:3～5:3:10:12:3。由上述原料制备得到的可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度≥20MPa。
对于所述挤压浸渗法，在所述可溶性陶瓷模具原料中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85:5～10:3:10:12:3。由上述原料制备得到的可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度≥50MPa。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明提供了一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，由该材料制备得到的可溶性陶瓷模具易于成型，且能够满足用于溶体浸渗法制备SiC3D/Al复合材料的机械性能要求。
2.本发明将所述可溶性陶瓷模具应用于溶体浸渗法制备SiC3D/Al复合材料中，解决了现有技术中合金钢模具在浸渗过程与金属液接触时间过长而造成的粘连问题，同时，避免将合金钢中的元素作为杂质元素引入复合材料中。此外，也解决了石墨模具在浸渗过程中，金属液容易浸渗入石墨模具接缝处而造成脱模困难的问题。另外，可溶性陶瓷模具易于与复合材料分离，能在水中溃散，可以有效地提高SiC3D/Al复合材料的脱模效率，大幅度减少后续脱模的机械加工，从而降低复合材料的生成制备成本。
附图说明
图1无压力浸渗法制备SiC3D/Al复合材料示意图。
图2真空压力浸渗正压法制备SiC3D/Al复合材料示意图。
图3真空压力浸渗反压法制备SiC3D/Al复合材料示意图。
图注：1：Al2O3坩埚；2：可溶性陶瓷模具；3：多孔SiC预制体；4：待浸渗铝或铝合金；5：高压Ar气；6：浸渍室；7：熔化室；8：可溶性陶瓷模具；9：多孔SiC预制体；10：引流管；11：熔融铝液或铝合金；12：熔铝坩埚。
具体实施方式
以下结合说明附图与具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。其中，电熔刚玉粉的型号为HB5347-1986，石英粉的粒径为325目，锆砂的型号为HB5349-1986。
三点弯曲强度的测试条件及方法参照《中华人民共和国航空行业标准熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第3部分：抗弯强度测的测定》(HB 5353.3-2004)。
可溶性陶瓷收缩率测试条件及方法参照《中华人民共和国航空行业标准熔模铸造陶瓷型芯性能试验方法第2部分：烧成收缩率的测定》(HB 5353.2-2004)。
实施例1
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:0:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，可溶性模具烧结工艺：无压烧结工艺，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
所制得的可溶性陶瓷模具的表面光洁，其表观体密度为2.9g/cm3，收缩适中，变形小，经测试可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为2MPa，能够满足无压浸渗法的需求。
利用所得可溶性陶瓷模具制备SiC3D/Al复合材料，本实施例采用无压浸渗法制备复合材料，复合材料制备的示意图如1所示。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中，然后将可溶性陶瓷模具放置在氧化铝陶瓷坩埚中，使得可溶性陶瓷模具外壁与坩埚内壁紧密贴合，保证坩埚对可溶性陶瓷模具起到支撑作用。
待浸渗的Al合金放置于多孔SiC预制体上方，然后加热、进行浸渗，SiC预制体的平均孔径大于等于500μm，浸渗过程要求高纯氮气保护，待浸渗合金为ZL101，浸渗的加热速度为2～5K/min，温度为1223K，保温20min，浸渗时间为40min；冷却速度2～4K/min。
S2.复合材料制备完成降至室温后，取出样品准备脱模。
S1～S2所述的复合材料制备工艺流程如下所示：
室温(298K)823K1023K1223K1223K 1223K853K813K513K室温(298K)。
S3.利用夹持工具将可溶性陶瓷模具从坩埚中提出，并将其放入足量373K的热水中，振动1.5小时后，可溶性陶瓷模具在水中溃散，将复合材料样品取出，没有发现复合材料粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除复合材料多余Al料。
检测SiC3D/Al复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.920，为合格产品。
实施例2
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:5:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，可溶性陶瓷模具的烧结工艺：采用压制烧结法制备模具，烧结压力为1MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
可溶性陶瓷模具的表面光洁，其表观体密度为3.0g/cm3，收缩适中，变形小，经测试可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为22MPa，能够满足真空压力正压浸渗法的需求。
采用真空压力正压浸渗法制备SiC3D/ZL202复合材料，真空压力正压浸渗法制备复合材料的示意图如图2所示。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中，然后将可溶性陶瓷模具放置在氧化铝陶瓷坩埚(壁厚为5mm)中，使得可溶性陶瓷模具外壁与坩埚内壁紧密贴合，保证坩埚对可溶性陶瓷模具起到支撑作用，再将待浸渗的ZL202合金放置于SiC预制体上方，SiC预制体的平均孔径大于等于300μm，如图2所示。
S2.使用ZYQ250/400型真空压力浸渗炉子制备SiC3D/ZL202复合材料，当真空度为10Pa时，开始加热。
S3.保温结束后开始加压浸渗，选择高纯Ar气作为加压气体，其加压压力5MPa，加压时间5min，保压时间为15min；
S4.保温保压结束后开始冷却凝固，冷却速率3～5K/min，当温度降至523K时，样品随炉冷却。当温度降至373K时，排除加压气体继续降温，降至室温后取样样品准备脱模。
S2～S4所述的SiC3D/ZL202复合材料制备工艺流程如下所示：
室温(298K)573K853K943K973K973K973K973K803K523K373K室温(298K)。
S5.利用夹持工具将可溶性陶瓷模具从坩埚中提出，并将其放入足量373K的热水中，振动1.5小时后，可溶性陶瓷模具在水中溃散后，将复合材料样品取出，没有发现复合材料粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除复合材料多余ZL202。
检测SiC3D/ZL202复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.965，复合材料为合格产品。
实施例3
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:5:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备的复合材料，形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，其中可溶性陶瓷模具的烧结工艺为：采用压制烧结法制备可溶性陶瓷模具，烧结压力为1MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
可溶性陶瓷模具的表面光洁，其表观体密度为3.0g/cm3，经测试该可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为22MPa，能够满足真空压力正压浸渗法的需求。
利用可溶性陶瓷模具，采用真空压力正压浸渗法制备SiC3D/Al复合材料，真空压力正压浸渗法制备复合材料示意图如图2所示。
S1.三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中，然后将可溶性陶瓷模具放置在氧化铝陶瓷坩埚(壁厚为5mm)中，使得可溶性陶瓷模具外壁与坩埚内壁紧密贴合，保证坩埚对模具起到支撑作用。再将待浸渗的铝合金(ZL101)放置于SiC预制体上方，SiC预制体的平均孔径大于等于50μm，如图2所示。
S2.使用ZYQ250/400型真空压力浸渗炉子制备复合材料，当真空度为10Pa时，开始加热。
S3.保温结束后开始加压浸渗，选择高纯Ar气作为加压气体，其加压压力8MPa，加压时间10min，保压时间为10min；
S4.保温保压结束后开始冷却凝固，冷却速率3～5K/min，当温度降至523K时，样品随炉冷却。当温度降至373K时，排除高压气体继续降温，降至室温后取样样品准备脱模。
S2～S4所述的复合材料制备工艺流程如下所示：
室温(298K)723K933K1013K1023K1023K 1023K1023K813K713K523K373K室温(298K)。
S5.利用夹持工具将模具从坩埚中提出，并将其放入足量373K的热水中，振动1.5后，模具在水中溃散后，将复合材料样品取出，没有发现复合材料粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除复合材料多余Al料。
检测SiC3D/Al复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.987，复合材料为合格产品。
实施例4
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:5:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备SiC3D/Al复合材料的外形尺寸设计可溶性辅助模具结构，可溶性陶瓷模具烧结工艺：采用压制烧结法制备模具，烧结压力为1MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
可溶性陶瓷模具的表面光洁，其表观体密度为3.0g/cm3，收缩适中，变形小，经测试该可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为22MPa，能够满足真空压力反压浸渗法的需求。
利用可溶性陶瓷模具，采用真空压力反压浸渗法制备SiC3D/Al复合材料。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中。然后利用钢制模具将可溶性陶瓷模具密封，以实现模具的气密性。同时，为保证钢制模具对可溶性陶瓷模具起到足够的支撑作用，钢制模具内壁紧贴可溶性陶瓷模具外壁。将模具和SiC预制体放入浸渍室，SiC预制体的平均孔径大于等于50μm，钢制模具的引流管至熔Al坩埚上方，待浸渗的纯Al(99.99wt.％)放置在融化室。
S2.使用ZYQ250/400型真空压力浸渗炉子制备复合材料，当真空度≤10Pa时，开始加热，升温速率为2～10K。浸渍室和熔化室分别达到指定温度后，在真空状态保温一段时间。
S3.真空保温段结束后提升熔化室中的坩埚，使得引流管下探至液态Al液面以下后，打开气阀开始逐渐注入高压气体，选择高纯Ar气作为加压气体，其加压压力10MPa，加压时间15min，保压时间为5min；
S4.保温保压结束后，浸渍室以3～5K/min的冷却速度降温，当温度降至513K时，样品随炉冷却。而熔化室在保温保压段结束后，关闭加热系统随炉冷却，当温度降至903-913K后，下降熔Al坩埚使得引流管与液态Al分离，避免粘连。当浸渍室温度降至373K以下时，排除高压气体继续降温，降至室温。
S2～S4所述的SiC3D/Al复合材料升温、浸渗及降温工艺流程如下所示(浸渍室和熔化室同时开始加热)：
浸渍室：
室温(298K)353K803K923K953K953K953K953K923K713K513K373K室温(298K)。
熔化室：
室温(298K)353K803K1028K1073K1073K1073K 1073K373K室温(298K)。
S5.SiC3D/Al复合材料降至室温后，利用机械法将钢制模具去除，然后再将可溶性陶瓷模具和复合材料放入足量373K的热水中，振动1.5小时后，可溶性陶瓷模具在水中溃散后，将复合材料样品取出，没有发现复合材料粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除复合材料多余Al料，即可得到SiC3D/Al复合材料；
检测SiC3D/Al复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.990，复合材料为合格产品。
实施例5
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:5:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备SiC3D/ZL101复合材料外形尺寸设计可溶性辅助模具结构，可溶性陶瓷模具烧结工艺：采用压制烧结法制备模具，烧结压力为1MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
可溶性陶瓷模具表面光洁，其表观体密度为3.0g/cm3，收缩适中，变形小，经测试该可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为22MPa，能够满足真空压力反压浸渗法的需求。
利用可溶性陶瓷模具，采用真空压力反压浸渗法制备SiC3D/ZL101复合材料。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中，然后利用钢制模具将可溶性陶瓷模具密封，以实现模具的气密性。同时，为保证钢制模具对可溶性陶瓷模具起到足够的支撑作用，钢制模具内壁紧贴可溶性陶瓷模具外壁。将模具和SiC预制体放入浸渍室，SiC预制体的平均孔径大于等于100μm，钢制模具的引流管至熔Al坩埚上方，待浸渗的ZL101(ZAlSi7Mg)放置在融化室。
S2.使用ZYQ250/400型真空压力浸渗炉子制备复合材料，当真空度≤10Pa时，开始加热，升温速率为2～10K。浸渍室和熔化室分别达到指定温度后，在真空状态保温一段时间。
S3.真空保温段结束后提升熔化室中的坩埚，使得引流管下探至液态合金液面以下后，打开气阀开始逐渐注入高压气体，选择高纯Ar气作为加压气体，其加压压力7MPa，加压时间5min，保压时间为30min；
S4.保温保压结束后，浸渍室以3～5K/min的冷却速度降温，当温度降至423K时，样品随炉冷却。而熔化室在保温保压段结束后，关闭加热系统随炉冷却，当温度降至803～823K后，下降熔Al坩埚使得引流管与液态合金分离，避免粘连。当浸渍室温度降至373K以下时，排除高压气体继续降温，降至室温。
S2～S4所述的SiC3D/ZL101复合材料升温、浸渗及降温工艺流程如下所示(浸渍室和熔化室同时开始加热)：
浸渍室：
室温(298K)353K703K823K833K833K833K833K823K673K423K373K室温(298K)。
熔化室：
室温(298K)353K703K953K953K953K953K373K室温(298K)。
S5.SiC3D/ZL101复合材料降至室温后，利用机械法将钢制模具去除，然后再将可溶性陶瓷模具和复合材料放入足量353K的热水中，振动3小时后，可溶性陶瓷模具在水中溃散后，将复合材料样品取出，没有发现复合材料表面粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除多余Al料，即可得到SiC3D/ZL101复合材料。
检测SiC3D/ZL101复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.975，复合材料为合格产品。
实施例6
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:5:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备SiC3D/ZL202复合材料的外形尺寸设计可溶性陶瓷模具，可溶性陶瓷模具烧结工艺：采用压制烧结法制备模具，烧结压力为3MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为40min。
可溶性陶瓷模具表面光洁，其表观体密度为3.2g/cm3，收缩适中，变形小，经测试该可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为31.5MPa，能够满足真空压力反压浸渗法的需求。
利用可溶性陶瓷模具，采用真空压力反压浸渗法制备SiC3D/ZL202复合材料。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中。然后利用钢制模具将可溶性陶瓷模具密封，以实现模具的气密性。同时，为保证钢制模具对可溶性陶瓷模具起到足够的支撑作用，钢制模具内壁紧贴可溶性陶瓷模具外壁(如图2所示)。将模具和SiC预制体放入浸渍室，SiC预制体的平均孔径大于等于50μm，钢制模具的引流管至熔Al坩埚上方，待浸渗的ZL202(ZAlCu10)放置在融化室。
S2.使用ZYQ250/400型真空压力浸渗炉子制备复合材料，当真空度≤10Pa时，开始加热，升温速率为2～10K。浸渍室和熔化室分别达到指定温度后，在真空状态保温一段时间。
S3.真空保温段结束后提升熔化室中的坩埚，使得引流管下探至液态Al液面以下后，打开气阀开始逐渐注入高压气体，选择高纯Ar气作为加压气体，其加压压力8MPa，加压时间10min，保压时间为20min；
S4.保温保压结束后，浸渍室以3～5K/min的冷却速度降温，当温度降至483K时，样品随炉冷却。而熔化室在保温保压段结束后，关闭加热系统随炉冷却，当温度降至873-883K后，下降熔Al坩埚使得引流管与液态Al分离，避免粘连。当浸渍室温度降至373K以下时，排除高压气体继续降温，降至室温。
S2～S4所述的SiC3D/ZL202复合材料升温、浸渗及降温工艺流程如下所示(浸渍室和熔化室同时开始加热)：
浸渍室：
室温(298K)353K653K903K923K923K923K923K893K733K483K373K室温(298K)。
熔化室：
室温(298K)353K853K1003K1023K1023K1023K1023K373K室温(298K)。
S5.SiC3D/ZL202复合材料降至室温后，利用机械法将钢制模具去除，然后再将可溶性陶瓷模具和复合材料放入足量373K的热水中，振动1.5小时后，待可溶性陶瓷模具在水中溃散后，将复合材料样品取出，没有发现复合材料表面粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除多余Al料，即可得到SiC3D/ZL202复合材料；
检测SiC3D/ZL202l复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.975，复合材料为合格产品。
实施例7
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:3:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，可溶性模具烧结工艺：无压烧结工艺，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
所制得的可溶性陶瓷模具的表面光洁，其表观体密度为3.0g/cm3，收缩适中，变形小，经测试可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为3MPa，能够满足无压浸渗法的需求。
利用所得可溶性陶瓷模具制备SiC3D/Al复合材料，本实施例采用无压浸渗法制备复合材料，复合材料制备的示意图如1所示。
S1.将三维连续的多孔SiC预制体放置在可溶性陶瓷模具中，然后将可溶性陶瓷模具放置在氧化铝陶瓷坩埚中，使得可溶性陶瓷模具外壁与坩埚内壁紧密贴合，保证坩埚对可溶性陶瓷模具起到支撑作用。
待浸渗的Al合金放置于多孔SiC预制体上方，然后加热、进行浸渗，SiC预制体的平均孔径大于等于500μm，浸渗过程要求高纯氮气保护，待浸渗合金为ZL101，浸渗的加热速度为2～5K/min，温度为1223K，保温20min，浸渗时间为40min；冷却速度2～4K/min。
S2.复合材料制备完成降至室温后，取出样品准备脱模。
S1～S2所述的复合材料制备工艺流程如下所示：
室温(298K)823K1203K1223K1223K 1223K853K813K513K室温(298K)。
S3.利用夹持工具将可溶性陶瓷模具从坩埚中提出，并将其放入足量373K的热水中，振动1.5小时后，可溶性陶瓷模具在水中溃散，将复合材料样品取出，没有发现复合材料粘连有可溶性陶瓷模具，之后去除复合材料多余Al料。
检测SiC3D/Al复合材料表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.942，为合格产品。
实施例8
一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)，电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂(无水磷酸钠)、增塑剂(聚乙二醇，分子量为600)、矿化剂(氧化钙)的质量比为85:10:3:10:12:3。
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，可溶性模具烧结工艺：烧结压力为3.0MPa，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
所制得的可溶性陶瓷模具的表面光洁，收缩适中，变形小，经测试可溶性陶瓷模具的三点弯曲强度为52.5MPa，能够满足挤压浸渗法的需求(收缩适中，变形小，三点弯曲强度大于50MPa)。
利用所得可溶性陶瓷模具制备SiC3D/Al复合材料，本实施例采用挤压浸渗法制备复合材料，步骤如下：
S1.根据所需SiC3D/Al复合材料工件结构和外形尺寸，分别设计可溶性陶瓷模具、钢制模具的结构和尺寸，加工制备可溶性陶瓷模具和钢制模具。
为保证多孔SiC预制体能够顺利放入，可溶性陶瓷模具内壁与多孔SiC预制体间留有0.5-1.0mm间隙；可溶性陶瓷模具的壁厚≥5mm而且在可溶性陶瓷模具的Al液的浸渗方向上设计引流孔，引流孔所占面板的面积的20％～30％。钢制模具的型腔与可溶性陶瓷模具之间预留0.5-1.0mm的间隙。
S2.多孔SiC预制体放入可溶性陶瓷模具内后，将其一同加热至指点温度预热；待预热保温结束后，将其迅速转移至挤压铸造机已经预热的钢制模具的定模内，然后迅速合模、锁模形成浇注系统，准备挤压浸渗。
S3.利用给汤机把熔融Al液从熔炼炉子给汤至挤压设备的倾斜的料筒处，随后料筒复位至浇注系统下方，熔融Al液在料筒中锤头的推动下，以一定速率填充至浇注系统的型腔内，并通过锤头施加机械压力，使得熔融Al液在高压下完成浸渗，并在机械压力作用下冷却凝固形成复合材料毛坯铸件。
S4.待Al合金完全凝固后再开模，使得动、定模具分开，随后借助钢制模具上的顶出机构顶出复合材料毛坯铸件。然后将复合材料毛坯铸件迅速转移至保温炉内，再以一定速率降温冷却至室温。
S5.将复合材料毛坯铸件放入足量的353～373K热水中，并附加机械振动，去除可溶性陶瓷模具。待可溶性陶瓷模具全部在水中溃散后，然后再利用机加工方法，去除复合材料毛坯铸件表面多余的Al料，得到最终的SiC3D/Al复合材料。
以上各步骤的参数：
在本实施例中，所使用的多孔SiC预制体的体积密度为2.86g/cm3；平均孔径为50μm，开孔孔隙率10.3vol％，闭孔孔隙率为0.3vol.％。
ZL102熔融温度：1073K。
在本实施例中，SiC预制体和可溶性陶瓷模具的预热温度：1073K，保温40min，钢制模具预热温度：573K；合模前SiC预制体和辅助模具温度：943K。
在本实施例中，锤头移动速度：0.2m/s；压射力：70MPa。
在本实施例中，开模后SiC预制体和可溶性陶瓷模具的温度：693K，保温炉693K保温20min，冷速2K/min。
制备完成后，对SiC3D/Al复合材料质量检测：表面没有裂纹出现，再利用阿基米德排水法，测量其表观密度，计算出复合材料致密为0.952，可知所得SiC3D/Al复合材料为合格产品。
对比例1～6
在对比例1～6中，各对比例用于制备可溶性陶瓷模具的材料的组分及配比如下表所示：
表1
制备可溶性陶瓷模具：
利用上述对比例1～6材料，根据所制备的复合材料外形尺寸设计并制备可溶性陶瓷模具，可溶性模具烧结工艺：无压烧结工艺，烧结温度为1673K，烧结时间为30min。
所制得的可溶性陶瓷模具的性能参数如下表所示，
表2
| 收缩/变形情况 | 三点弯曲强度 | |
| 对比例1 | 收缩率小，变形小 | 1.5MPa |
| 对比例2 | 收缩率大，变形大 | 1.3MPa |
| 对比例3 | 收缩率大，变形大 | 1.2MPa |
| 对比例4 | 收缩率小，变形小 | 0.8MPa |
| 对比例5 | 收缩率小，变形小 | 1.1MPa |
| 对比例6 | 收缩率大，变形大 | 2.1MPa |
通过上述对比例1～6的性能参数可知，材料的组分及配比对可溶性陶瓷模具的性能参数具有较大的影响。对比例1～6所获得的可溶性陶瓷模具的变形情况和三点弯曲强度都无法满足溶体浸渗法的需求。
Claims (10)
1.一种用于制备可溶性陶瓷模具的材料，其特征在于，包括以下组分：电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85: 0～10:3:10:12:3；所述粘结剂为无水磷酸钠；所述增塑剂为聚乙二醇；所述矿化剂为氧化钙；其中所述聚乙二醇的分子量为600。
2.一种适用于溶体浸渗法制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料的可溶性陶瓷模具，其特征在于，所述可溶性陶瓷模具由权利要求1所述的材料制备而成。
3.根据权利要求2所述的可溶性陶瓷模具，其特征在于，所述可溶性陶瓷模具采用烧结法或压制烧结法制备而成。
4.根据权利要求3所述的可溶性陶瓷模具，其特征在于，所述烧结法的烧结温度为1573～1673K，烧结时间为30～40min。
5.根据权利要求3所述的可溶性陶瓷模具，其特征在于，所述压制烧结法的烧结温度为1573～1673K ，烧结时间为30～40min，烧结压力为1～3MPa。
6.权利要求2~5任一项所述的可溶性陶瓷模具在溶体浸渗法制备三维连续网络结构陶瓷/金属复合材料中的应用。
7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，所述溶体浸渗法包括无压浸渗法、真空正压浸渗法、真空反压浸渗法、挤压浸渗法。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于所述无压浸渗法，所述可溶性陶瓷模具的成分中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85: 0～3:3:10:12:3。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于所述真空正压浸渗法或真空反压浸渗法，所述气体压力浸渗小于15MPa；所述可溶性陶瓷模具的成分中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85: 3～5:3:10:12:3。
10.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，对于所述挤压浸渗法，所述可溶性陶瓷模具的成分中，所述电熔刚玉粉、石英粉、锆砂、粘结剂、增塑剂、矿化剂的质量比为85: 5～10:3:10:12:3。
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