一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法技术

本发明专利技术公开了一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，属于快速精密铸造技术领域。该方法应用光固化3D打印技术快速制造所需的模具，同时应用粉末覆膜技术对氧化钙粉末表面进行抗水化材料覆膜，有效的避免了水基凝胶注模过程中氧化钙粉末的水化难题，可成功用于具有复杂内部结构的氧化钙基陶瓷铸型的制备。通过添加适量的矿化剂，提高了氧化钙基陶瓷铸型的烧结性能与抗水化能力。本发明专利技术制造的氧化钙基陶瓷铸型综合性能良好，可满足新一代铌硅基高温合金或者钛铝合金叶片的铸造要求，并且型芯易于脱除，解决了氧化硅基和氧化铝基型芯脱除困难、废品率高的技术难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于快速精密铸造
，具体涉及一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法。
技术介绍
随着高性能航空航天飞行器的发展，航空发动机热端部件的工作温度不断提高，已经逐渐超过现有的镍基、钴基高温合金的极限温度，新型的超高温合金材料如铌硅基合金、钛铝金属间化合物等有望成为未来新一代涡轮叶片的材料。然而铌硅基合金的熔点将超过1800℃，已经超过了目前常用的氧化硅基、氧化铝基陶瓷型芯和铸型的最高使用温度。钛铝金属间化合物在熔融态下具有很高的化学活性，很容易与现有的氧化硅基、氧化铝基陶瓷铸型材料反应，在铸件表面形成污染层，恶化铸件的内在和外观质量。此外，随着空心叶片内部冷却结构的复杂化，氧化硅基、氧化铝基陶瓷型芯的脱芯异常困难，需要反复经过碱液蒸煮才能脱除，脱芯周期长，且对叶片的腐蚀很大，影响了叶片的精度。因此，专利技术一种新型的高性能陶瓷铸型，对于航空航天工业的精铸铸造有着非常重大的意义。氧化钙熔点为2572℃，可承受很高的使用温度；化学稳定性好，不与钛等金属反应；氧化钙陶瓷热膨胀系数与高温合金相近，金属液凝固时能与金属同步收缩，能避免由于应力产生的热胀裂；氧化钙易溶于热水，脱芯速率快，不会对铸件造成任何损伤。因此，氧化钙可以作为未来空心叶片陶瓷型芯和铸型的理想材料。但是氧化钙在空气中容易吸潮水化，不宜搬运与储存，严重影响了氧化钙陶瓷的制备与使用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，该方法有效的避免了水基凝胶注模过程中氧化钙粉末的水化难题，可成功用于具有复杂内部结构的氧化钙基陶瓷铸型的制备，经本专利技术方法制造的氧化钙基陶瓷铸型综合性能良好，可满足新一代铌硅基高温合金或者钛铝合金叶片的铸造要求。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，包括以下步骤：1)采用光固化快速成型方法制备出陶瓷铸型的树脂模具；2)按照1:1的质量比取氧化钙粗粉和氧化钙细粉，将氧化钙粗粉和氧化钙细粉混合均匀后进行表面抗水化覆膜处理，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末；3)将表面抗水化覆膜氧化钙粉末与水基凝胶注模预混液混合均匀，球磨制得固相体积分数为60％、表观粘度低于1Pa·s的水基氧化钙陶瓷浆料；4)在真空和振动环境下，向陶瓷铸型的树脂模具中浇注水基氧化钙陶瓷浆料，完成凝胶注模，制得陶瓷铸型素坯，然后进行干燥；5)将干燥后的陶瓷铸型素坯进行烧结强化，制得具有抗水化性能的氧化钙基陶瓷铸型。所述氧化钙粗粉的粒度为40μm，氧化钙细粉的粒度为5μm。步骤2)所述表面抗水化覆膜处理，具体操作为：(1)将硅烷偶联剂与无水乙醇均匀混合，配制成有机化溶液，有机化溶液中硅烷偶联剂的质量分数为5％，无水乙醇的质量分数为95％；(2)将氧化钙粗粉和氧化钙细粉混合后，得到混合粉末，按3:1的质量比将混合粉末与有机化溶液充分均匀混合，制得混合浆料；(3)将混合浆料在室温下静置3～5h，再将其干燥，得到表面有机化处理的氧化钙陶瓷粉末；(4)将乙醇、乙二醇及丙二醇均匀混合，制得混合溶剂，混合溶剂中乙醇的质量分数为90％，乙二醇的质量分数为5％，丙二醇的质量分数为5％；(5)将表面有机化处理的氧化钙粉末、抗水化覆膜材料、混合溶剂和抗氧化剂加入高压反应釜中，以2℃～3℃/min的升温速率，升温至抗水化覆膜材料熔点温度之上10℃～20℃，保温2～3h后停止加热，冷却至室温，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末悬浮液；(6)将表面抗水化覆膜氧化钙粉末悬浮液进行减压蒸馏，得到表面抗水化覆膜氧化钙粉末聚集体，然后于50～60℃下干燥，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末。步骤(5)中各反应物的用量配比为：抗水化覆膜材料的用量为：表面有机化处理的氧化钙粉末与抗水化覆膜材料的质量比为25:1；混合溶剂的用量为：表面有机化处理的氧化钙粉末与混合溶剂的质量比为2:3；抗氧化剂的用量为：每100g表面有机化处理的氧化钙粉末，所需受阻酚类抗氧化剂为0.6g，亚磷酸酯类抗氧化剂为0.4g。步骤(5)中抗水化覆膜材料为尼龙、聚四氟乙烯等非水解性的有机树脂材料。步骤3)所述水基凝胶注模预混液是由矿化剂、有机单体、交联剂、分散剂、增塑剂及去离子水配制而成，其中：有机单体：交联剂：去离子水的质量比为＝24:1:100；分散剂加入量为表面覆膜氧化钙粉末质量的3％，增塑剂加入量为表面覆膜氧化钙粉末质量的1％；有机单体为丙烯酰胺，交联剂为NN-亚甲基双丙烯酰胺，分散剂为聚丙烯酸钠，增塑剂为聚乙二醇。所述矿化剂为氧化锆与氧化钇按质量比1:1混合制得，矿化剂加入量为表面覆膜氧化钙粉末质量的2％～5％。步骤3)中，球磨时间为40～60min。步骤5)中，是将干燥后的陶瓷铸型素坯置于大气炉中，于1500～1600℃下进行烧结强化。烧结强化的升温过程为：自室温起，以150℃/h的升温速率，升温至900℃，保温0.5h；然后以150℃/h的升温速率，升温至1200℃，保温0.5h；再以100℃/h的升温速率，升温至1500～1600℃，保温3h。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术公开的粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，考虑到在氧化钙陶瓷铸型的制备过程中有两个关键问题，一是要能够成型复杂结构，二是要有效避免氧化钙的水化，包括氧化钙粉末和最终陶瓷铸型都需要有效避免其水化，这也是本专利技术专利重点要解决的两个问题与创新点。本专利技术采用粉末覆膜技术成功为氧化钙粉末覆上一层抗水化薄膜，利用表面抗水化覆膜的氧化钙粉末作为原料，有效地避开了氧化钙粉末的水化，可以有效利用水基凝胶注模方法快速成型具有复杂结构的陶瓷铸型素坯。该方法同样适用于其他一些在空气中不宜存放的粉末，采用此方法可以提高粉末的抗水化或者抗氧化能力，使得粉末能够易于存储与保存。本专利技术采用光固化快速成型技术与凝胶注模技术相结合，可以制造出任意复杂的形状与结构，尤其适用于航空发动机和燃气轮机的空心涡轮叶片等内部冷却流道多，结构复杂的零件，可以大大降低生产周期，节约制造成本。经本专利技术方法制得的氧化钙基陶瓷铸型具有使用温度高，高温性能优异；化学稳定性好，不与合金中的元素发生化学反应；热膨胀系数与高温合金接近，与合金的膨胀与收缩达到一致，避免铸型的热胀裂；易于脱除，不会对铸件造成损伤等显著的优点。进一步地，本专利技术选择氧化锆与氧化钇组成的矿化剂添加物能有效提高氧化钙基陶瓷铸型制造完成后在空气中的抗水化能力，有利于氧化钙基陶瓷铸型的搬运、储存以及使用。附图说明图1为本专利技术的粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法流程图。具体实施方式下面结合具体的实施例对本专利技术做进一步的详细说明，所述是对本专利技术的解释而不是限定。参见图1，本专利技术提供的一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，具体步骤如下：步骤一：制备树脂模具，采用光固化快速成型技术，制备出陶瓷铸型的树脂模具；步骤二：将粗细氧化钙粉末混合，将氧化钙粉末粗(40μm)、细(2μm)粉末按质量比为1:1均匀混合；步骤三：配制粉末有机化溶液，将硅烷偶联剂与无水乙醇按照质量比为5％和95％均匀混合，配制成有机化溶液；步骤四：氧化钙粉末有机化，将混合均匀的氧化钙粉末加入有机化溶液中均匀混合，再将混合物料置于室温中干燥3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用光固化快速成型方法制备出陶瓷铸型的树脂模具；2)按照1:1的质量比取氧化钙粗粉和氧化钙细粉，将氧化钙粗粉和氧化钙细粉混合均匀后进行表面抗水化覆膜处理，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末；3)将表面抗水化覆膜氧化钙粉末与水基凝胶注模预混液充分混合均匀，球磨制得固相体积分数为60％、表观粘度低于1Pa·s的水基氧化钙陶瓷浆料；4)在真空和振动环境下，向陶瓷铸型的树脂模具中浇注水基氧化钙陶瓷浆料，完成凝胶注模，制得陶瓷铸型素坯，然后进行干燥；5)将干燥后的陶瓷铸型素坯进行烧结强化，制得具有抗水化性能的氧化钙基陶瓷铸型。

【技术特征摘要】
1.一种粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，其特征在于，包括以下步骤：1)采用光固化快速成型方法制备出陶瓷铸型的树脂模具；2)按照1:1的质量比取氧化钙粗粉和氧化钙细粉，将氧化钙粗粉和氧化钙细粉混合均匀后进行表面抗水化覆膜处理，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末；3)将表面抗水化覆膜氧化钙粉末与水基凝胶注模预混液充分混合均匀，球磨制得固相体积分数为60％、表观粘度低于1Pa·s的水基氧化钙陶瓷浆料；4)在真空和振动环境下，向陶瓷铸型的树脂模具中浇注水基氧化钙陶瓷浆料，完成凝胶注模，制得陶瓷铸型素坯，然后进行干燥；5)将干燥后的陶瓷铸型素坯进行烧结强化，制得具有抗水化性能的氧化钙基陶瓷铸型。2.根据权利要求1所述的粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，其特征在于，所述氧化钙粗粉的粒度为40μm，氧化钙细粉的粒度为5μm。3.根据权利要求1所述的粉末覆膜氧化钙基陶瓷铸型的快速制造方法，其特征在于，步骤2)所述表面抗水化覆膜处理，具体操作为：(1)将硅烷偶联剂与无水乙醇均匀混合，配制成有机化溶液，有机化溶液中硅烷偶联剂的质量分数为5％，无水乙醇的质量分数为95％；(2)将氧化钙粗粉和氧化钙细粉混合后，得到混合粉末，按3:1的质量比将混合粉末与有机化溶液充分均匀混合，制得混合浆料；(3)将混合浆料在室温下静置3～5h，再将其干燥，得到表面有机化处理的氧化钙陶瓷粉末；(4)将乙醇、乙二醇及丙二醇均匀混合，制得混合溶剂，混合溶剂中乙醇的质量分数为90％，乙二醇的质量分数为5％，丙二醇的质量分数为5％；(5)将表面有机化处理的氧化钙粉末、抗水化覆膜材料、混合溶剂和抗氧化剂加入高压反应釜中，以2℃～3℃/min的升温速率，升温至抗水化覆膜材料熔点温度10℃～20℃以上，保温2～3h后停止加热，冷却至室温，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末悬浮液；(6)将表面抗水化覆膜氧化钙粉末悬浮液进行减压蒸馏，得到表面抗水化覆膜氧化钙粉末聚集体，然后于50～60℃下干燥，制得表面抗水化覆膜氧化钙粉末。...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涤尘，杨强，鲁中良，黄福享，陈义，张航，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61