CN113458399A - 一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法 - Google Patents

一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法 Download PDF

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Abstract

一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，属于大尺寸异形件制备领域。本发明优化设计螺旋桨的开模方式，以凝胶体系和钛粉末为原料，配制悬浮浆料，通过振动台保证坯体成形质量，并结合冷等静压成形进一步实现致密化，最终经脱胶烧结，获得高质量、高性能的大尺寸钛合金螺旋桨。本发明中，为了实现大尺寸钛合金螺旋桨的凝胶注模成形并保证坯体质量和烧结性能，采用上下开模方式结合振动台振动，保证坯体成形质量，同时为了减少坯体孔隙，通过冷等静压成形实现坯体的进一步致密化，最终有利于实现坯体的烧结致密化，保证其最终性能，并有利于控制坯体的烧结收缩变形，保证其成形质量。该方法制备工艺简单，成本低，可操作性强，适合生产大尺寸的复杂零部件。

Description

一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法
技术领域
本发明属于大尺寸异形件制备领域，提供了一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法。
背景技术
螺旋桨是指依靠桨叶在空气或水中旋转，将发动机转动功率转化为推进力的装置，可有两个或较多的叶与毂相连，叶的向后一面为螺旋面或近似于螺旋面的一种推进器。目前，主要应用于飞机、轮船等领域。目前，市售的螺旋桨主要有不锈钢和塑料的两大类。然而，无论是在飞机还是轮船领域，螺旋桨轻量化发展是追求的目标，虽然塑料螺旋桨密度低，但是存在使用寿命短的问题。钛合金具有轻质、高强、耐腐蚀的特点，其密度是钢的60％，耐腐蚀性远大于钢的，因此发展钛合金螺旋桨是飞机、轮船领域的重点发展方向之一，尤其适用于船舶领域。但是，螺旋桨的形状复杂，尺寸较大，如何实现钛合金螺旋桨的制备是钛工业领域面临的技术难题。
传统的熔铸工艺可实现钛合金的复杂成形，但是钛合金晶粒尺寸粗大，必须经过繁复的锻造成形才能获得有性能的钛合金制品，且传统熔铸钛合金的热变形温度低，不超过1000℃，不利于实现复杂形状钛合金螺旋桨的锻造成形。因此，发展大尺寸钛合金螺旋桨的制备技术迫在眉睫。凝胶注模成形技术巧妙的结合了传统湿法胶态成形工艺和高分子化学，将高分子单体聚合的方法引入到粉末成形技术中，通过制备低黏度、高固相体积分数的悬浮液来实现高强度、高密度均匀坯体，经过脱胶烧结后得到所需的陶瓷或金属零部件。因此，该技术适用于大尺寸复杂形状螺旋桨的制备成形。但是针对螺旋桨的凝胶注模成形，如何设计模具的开模方式、控制成形质量及保证烧结密度是技术难点，目前也尚未见相关报道。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法。该方法优化设计螺旋桨的开模方式，以凝胶体系和钛粉末为原料，配制悬浮浆料，通过振动台保证坯体成形质量，并结合冷等静压成形进一步实现致密化，最终经脱胶烧结，获得高质量、高性能的大尺寸钛合金螺旋桨。首先，提出将螺旋桨的开模方式设计成上下开模，方便坯体从模具中取出，保证了坯体薄壁部分的质量，不易断裂；此外，悬浮浆料浇注过程中配合振动台使用，使悬浮浆料可均匀填充至模具的各个部分，保证了坯体的均匀性及表面质量；同时，为了实现坯体的冷等静压成形，优化设计固化时间，使其既可以保证坯体形状，又使坯体强度不至于过高，便于冷等静压成形实现坯体的进一步致密化；本发明中的原料粉末选择广，市售的各种形状钛粉末均可用于实现大尺寸钛合金螺旋桨的制备。本发明方法制备工艺简单，成本低，可操作性强，适合生产大尺寸的复杂零部件。
为了获得上述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)以市售的塑料螺旋桨为模型，根据螺旋桨的形状设计靠模型腔的形状，并将模具设计成上下开模，随后将添加1～5wt.％固化剂的硅胶倒入靠模型腔内，固化1～12h，将塑料螺旋桨取出，获得上下开模的硅胶模具；
(2)将步骤(1)中所述的硅胶模具固定在振动台上，振动频率可调，范围为500-3000次/min，振幅为0.2-1mm；
(3)将钛粉末、凝胶体系、油酸、消泡剂按照体积百分比进行混合，并放入行星球磨机中，进行打浆，其中球料比为1:1-1:10，球磨速度为100r/min-250r/min，球磨时间5-10min，获得悬浮浆料；
(4)在步骤(3)中所述的悬浮浆料中加入0.01～0.05wt.％催化剂，搅拌均匀后，倒入步骤(1)中的硅胶模具中，同时打开振动台，振动5-30min，随后在室温下固化10～60min，拆模后获得螺旋桨坯体；
(5)将步骤(4)中所述螺旋桨坯体用聚氯乙烯(PVC)膜或聚乙烯(PE)袋包装好，并装入真空袋中用真空封装机密封，随后进行冷等静压成形，压制压力为150-600MPa，保压时间为30-200s，获得螺旋桨试样；
(6)将步骤(5)中所述螺旋桨试样放入真空脱脂烧结炉中脱胶烧结，脱胶温度为300-800℃，保温4-12h，随后进行真空烧结，烧结温度为1200-1300℃，保温2-5h，真空度为10-3-10-2Pa，最终获得大尺寸钛合金螺旋桨。
进一步地，步骤(3)中所述的钛粉末为市售的纯钛粉或钛合金粉末，粉末粒径≤50μm。
进一步地，步骤(3)中所述的凝胶体系为水基或非水基凝胶体系。
进一步地，步骤(3)中所述的体积百分比为钛粉末占40～65vol.％，油酸占0.05～0.5vol.％，消泡剂占0.05～0.2vol.％，余量为凝胶体系。
进一步地，步骤(4)中所述的催化剂为步骤(3)中凝胶体系所对应的催化剂，根据凝胶体系不同而不同。
进一步地，步骤(1-6)中所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法不限于各种钛及钛合金，还适用于各种牌号的不锈钢、铁基及硬质合金。
本发明的技术关键点在于：(1)经过大量实验，并结合螺旋桨的成形质量及最终力学性能，确定了螺旋桨的开模方式、振动形式、固化时间、冷等成形工艺等，适用于各类不同形状的钛粉末成形大尺寸的螺旋桨，而不是传统的小尺寸零件。(2)以上下开模方式实现凝胶注模成形，并结合振动，保证悬浮浆料均匀充填至大尺寸模具内的各个部位，固化一定时间后通过冷等静压成形实现进一步的致密化，使粉末颗粒间的结合更紧密，即使悬浮浆料的固含量低至40vol.％，也可保证实现坯体高的压坯密度，进而保证产品的烧结收缩率及综合性能。(3)传统冷等静压成形一般采用硅胶、聚氨酯或橡胶为冷等包套，本发明中提出采用冷等静压实现凝胶注模坯体的进一步致密化，而传统的冷等包套不再适用于已成形的复杂坯体，为解决这一问题，本发明用聚氯乙烯(PVC)膜或聚乙烯(PE)袋包装好复杂坯体，并装入真空袋中用真空封装机密封，进而去冷等静压成形，既保护了坯体的复杂形状，又能实现冷等致密化。
本发明的优点：
1、原料粉末范围广，不仅适用于球形钛粉末，还适用于不规则的钛粉末，可降低原料成分，有利于实现低成本生产。
2、本发明不限于制备钛及钛合金螺旋桨，还适用于制备各种牌号的不锈钢、铁基及硬质合金类螺旋桨；不限于制备螺旋桨，还适用于制备各种不同形状的复杂零件。
3、通过冷等静压实现复杂坯体的进一步致密化，使粉末颗粒间更紧密，即使坯体的固含量低至40vol.％，也可实现坯体的均匀烧结致密化，减少烧结收缩变形，并可保证材料的高性能和高密度。
4、避免了传统低固含量坯体烧结过程中产生的坍塌、收缩变形不一致、孔洞等问题，可获得高质量和高性能的大尺寸复杂零部件。
5、该方法制备工艺简单，成本低，可操作性强，适合生产大尺寸的复杂零部件。
具体实施方式
实施例1：
一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，具体制备步骤如下：
(1)以市售的塑料螺旋桨为模型，根据螺旋桨的形状设计靠模型腔的形状，并将模具设计成上下开模，随后将添加1wt.％固化剂的硅胶倒入靠模型腔内，固化12h，将塑料螺旋桨取出，获得上下开模的硅胶模具；
(2)将步骤(1)中所述的硅胶模具固定在振动台上，振动频率为1000次/min，振幅为0.5mm；
(3)将45vol.％的25μm钛合金粉末、54.87vol.％非水基凝胶体系、0.05vol.％油酸、0.08vol.％消泡剂进行混合，并放入行星球磨机中，进行打浆，其中球料比为1:10，球磨速度为100r/min，球磨时间10min，获得悬浮浆料；
(4)在步骤(3)中所述的悬浮浆料中加入0.02wt.％催化剂，搅拌均匀后，倒入步骤(1)中的硅胶模具中，同时打开振动台，振动10min，随后在室温下固化30min，拆模后获得螺旋桨坯体；
(5)将步骤(4)中所述螺旋桨坯体用聚氯乙烯(PVC)膜包装好，并装入真空袋中用真空封装机密封，随后进行冷等静压成形，压制压力为300MPa，保压时间为30s，获得螺旋桨试样；
(6)将步骤(5)中所述螺旋桨试样放入真空脱脂烧结炉中脱胶烧结，脱胶工艺为300℃下保温2h，500℃下保温2h，700℃下保温3h，随后进行真空烧结，烧结温度为1250℃，保温4h，真空度为10-3Pa，最终获得大尺寸钛合金螺旋桨。
实施例2：
一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，具体制备步骤如下：
(1)以市售的塑料螺旋桨为模型，根据螺旋桨的形状设计靠模型腔的形状，并将模具设计成上下开模，随后将添加4wt.％固化剂的硅胶倒入靠模型腔内，固化7h，将塑料螺旋桨取出，获得上下开模的硅胶模具；
(2)将步骤(1)中所述的硅胶模具固定在振动台上，振动频率为2000次/min，振幅为0.8mm；
(3)将60vol.％的45μm纯钛粉末、39.65vol.％水基凝胶体系、0.2vol.％油酸钛粉末、0.15vol.％消泡剂进行混合，并放入行星球磨机中，进行打浆，其中球料比为1:5，球磨速度为200r/min，球磨时间6min，获得悬浮浆料；
(4)在步骤(3)中所述的悬浮浆料中加入0.04wt.％催化剂，搅拌均匀后，倒入步骤(1)中的硅胶模具中，同时打开振动台，振动20min，随后在室温下固化10min，拆模后获得螺旋桨坯体；
(5)将步骤(4)中所述螺旋桨坯体用聚乙烯(PE)袋包装好，并装入真空袋中用真空封装机密封，随后进行冷等静压成形，压制压力为500MPa，保压时间为100s，获得螺旋桨试样；
(6)将步骤(5)中所述螺旋桨试样放入真空脱脂烧结炉中脱胶烧结，脱胶工艺为350℃下保温3h，480℃下保温4h，750℃下保温2h，随后进行真空烧结，烧结温度为1300℃，保温5h，真空度为10-2Pa，最终获得大尺寸钛合金螺旋桨。

Claims (6)

1.一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(1)以市售的塑料螺旋桨为模型，根据螺旋桨的形状设计靠模型腔的形状，并将模具设计成上下开模，随后将添加1～5wt.％固化剂的硅胶倒入靠模型腔内，固化1～12h，将塑料螺旋桨取出，获得上下开模的硅胶模具；
(2)将步骤(1)中所述的硅胶模具固定在振动台上，振动频率可调，范围为500-3000次/min，振幅为0.2-1mm；
(3)将钛粉末、凝胶体系、油酸、消泡剂按照体积百分比进行混合，并放入行星球磨机中，进行打浆，其中球料比为1:1-1:10，球磨速度为100r/min-250r/min，球磨时间5-10min，获得悬浮浆料；
(4)在步骤(3)中所述的悬浮浆料中加入0.01～0.05wt.％催化剂，搅拌均匀后，倒入步骤(1)中的硅胶模具中，同时打开振动台，振动5-30min，随后在室温下固化10～60min，拆模后获得螺旋桨坯体；
(5)将步骤(4)中所述螺旋桨坯体用聚氯乙烯(PVC)膜或聚乙烯(PE)袋包装好，并装入真空袋中用真空封装机密封，随后进行冷等静压成形，压制压力为150-600MPa，保压时间为30-200s，获得螺旋桨试样；
(6)将步骤(5)中所述螺旋桨试样放入真空脱脂烧结炉中脱胶烧结，脱胶温度为300-800℃，保温4-12h，随后进行真空烧结，烧结温度为1200-1300℃，保温2-5h，真空度为10-3-10-2Pa，最终获得大尺寸钛合金螺旋桨。
2.根据权利要求1所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的钛粉末为市售的纯钛粉或钛合金粉末，粉末粒径≤50μm。
3.根据权利要求1所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的凝胶体系为水基或非水基凝胶体系。
4.根据权利要求1所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的体积百分比为钛粉末占40～65vol.％，油酸占0.05～0.5vol.％，消泡剂占0.05～0.2vol.％，余量为凝胶体系。
5.根据权利要求1所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的催化剂为步骤(3)中凝胶体系所对应的催化剂，根据凝胶体系不同而不同。
6.根据权利要求1所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法，其特征在于：步骤(1-6)中所述的一种短流程制备大尺寸钛合金螺旋桨的方法不限于各种钛及钛合金，还适用于各种牌号的不锈钢、铁基及硬质合金。
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