一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法及其产品技术

本发明专利技术属于陶瓷制备领域，并公开了一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法及其产品，该方法包括如下步骤：将不同粒径的Al2O3粉体与环氧树脂E12充分混合后获得Al2O3‑E12复合粉末，利用该粉末进行选择性激光烧结(SLS)快速成型，得到Al2O3‑E12铸型生坯，表面清粉后在真空下进行硅溶胶浸渗处理，然后对其脱脂和预烧得到Al2O3‑SiO2陶瓷铸型生坯，再次在真空下对其进行硅溶胶浸渗处理，最后高温烧结制得所述复相陶瓷铸型。本发明专利技术仅需采用简单的机械混合即能确保原料粉体具有良好的流动性能和SLS成型性能，并且通过引入二次硅溶胶真空浸渗工艺，在确保尺寸精度的同时提升所得陶瓷铸型的致密度。

A Laser Selective Rapid Prototyping Method for Duplex Ceramic Mold and Its Products

The invention belongs to the field of ceramic preparation, and discloses a laser selective rapid prototyping method and its products for multiphase ceramic casting. The method comprises the following steps: Al2O3 powder with different particle sizes is fully mixed with epoxy resin E12 to obtain Al2O3 E12 composite powder, which is used for selective laser sintering (SLS) rapid prototyping to obtain Al2O3 E12 green billet with clear surface. Silica sol infiltration treatment was carried out in vacuum after the powder was powdered, and then degreased and pre-fired to obtain the green billet of Al2O3_SiO2 ceramic casting. Silica sol infiltration treatment was carried out in vacuum again, and finally the composite ceramic casting was prepared by high temperature sintering. The invention only needs to adopt simple mechanical mixing to ensure that the raw material powder has good flowability and SLS forming performance, and by introducing secondary silica sol vacuum infiltration process, the density of the obtained ceramic casting can be improved while ensuring dimensional accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法及其产品
本专利技术属于陶瓷制备领域，更具体地，涉及一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法及其产品。
技术介绍
熔模铸造是一种几乎不受零件尺寸、形状及质量限制，能够制造重量轻、薄壁且形状复杂的铸件的生产技术，因此是制备耐高温精密合金铸件的主要技术之一，尤其适用于航空发动机涡轮叶片、涡轮盘、导向带和燃烧腔室等部件的生产。当前熔模精密铸造工艺存在着陶瓷铸型(型壳、型芯)制备过程复杂、冗长、成型率低的问题，同时由于传统熔模铸造的型芯、型壳分开成型，组合时易产生误差，极大地限制了熔模铸造工艺的生产效率和应用范围。选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)技术的出现给快速高效成型复杂陶瓷零部件带来了新的可能。作为3D打印(增材制造)技术中的一种，SLS技术适合于快速制造具有复杂结构和特异形状的零部件，能满足整体、分体等各种陶瓷部件的快速成形制造要求；且SLS技术成型过程中不需要设置支撑结构，简化了成型部件的后处理工序，从而有望解决传统熔模精密铸造在制造复杂形状陶瓷型芯、型壳时存在的生产周期长、模具费用高、不能满足新产品开发快速响应需求的突出问题。近年来，采用选择性激光烧结技术对陶瓷材料进行快速成型研究已有相关报道，如CN200510020015.5公开了一种激光烧结快速成型碳化硅陶瓷的制备方法，其采用激光烧结技术成型碳化硅粉末，然后熔渗金属硅并用碱液处理得到复杂形状碳化硅陶瓷，但是该方法所用的碳化硅粉末需要经由喷雾造粒来确保较好的流动性，原料的制备工艺繁琐，同时该方法采用的高温熔浸金属硅工艺较难控制，容易残留气孔等缺陷；此外CN201010222794.8公开了一种陶瓷型芯快速成形制造方法，其先采用SLS方法成型低温强化剂与陶瓷粉的混合粉体，而后刷涂或浸泡高温粘结剂(硅溶胶、氧化铝溶胶或磷酸溶液等)并分别进行预烧和高温烧结得到陶瓷型芯产品，但是该方法所得陶瓷试样体积密度较小，强度较低。因此，当前选择性激光烧结技术在陶瓷材料的快速成型方面还存在着成型试样的体积密度小，烧结收缩率大(尺寸精度差)，强度较低等问题尚未解决，这制约了该技术在熔模铸造行业的进一步应用。
技术实现思路
针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本专利技术提供了一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法及其产品，其中该方法利用不同粒径的Al2O3粉体获得流动性良好的原料粉体，并采用二次硅溶胶浸渗工艺提高陶瓷铸型的致密度和强度，因而尤其适用于制造陶瓷铸型之类的应用场合。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提出了一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将不同粒径的Al2O3粉体与环氧树脂E12充分混合后获得Al2O3-E12复合粉末；(b)利用上述Al2O3-E12复合粉末进行选择性激光烧结快速成型，得到Al2O3-E12铸型生坯；(c)将上述Al2O3-E12铸型生坯的表面清粉后在真空下进行硅溶胶浸渗处理，然后对其脱脂和预烧得到Al2O3-SiO2陶瓷铸型生坯；(d)将上述Al2O3-SiO2陶瓷铸型生坯再次在真空下进行硅溶胶浸渗处理，最后高温烧结制得所述复相陶瓷铸型。作为进一步优选地，所述步骤(a)中Al2O3-E12复合粉末的制备方法为：选择D50分别为5μm、20μm和90μm的三种Al2O3粉体，并按照计算得到的上述三种Al2O3粉体的掺混比例将其混合，然后将环氧树脂E12与混合后的Al2O3粉体以1:20～2:25的质量比掺混，机械混合2h～4h后制得所述Al2O3-E12复合粉末。作为进一步优选地，所述D50分别为5μm、20μm和90μm的三种Al2O3粉体的颗粒形度不小于0.7，其Al2O3含量大于97％，并且上述三种Al2O3粉体的D90分别小于11um、40um和190um。作为进一步优选地，所述步骤(b)中进行选择性激光烧结快速成型的过程中，所用的激光为波长9.4～10.6μm的连续激光，该激光的光斑直径优选为0.15mm～0.20mm，其功率优选为6W～9W，所述Al2O3-E12复合粉末的铺粉厚度优选为0.15mm～0.20mm，预热温度优选为40℃～50℃，扫描速率优选为1300mm/s～1700mm/s，其中在模型轮廓位置的激光功率为模型内部的0.5倍，模型轮廓位置的扫描速率为模型内部的2倍。作为进一步优选地，所述步骤(c)和步骤(d)中在真空下进行硅溶胶浸渗处理的过程为：将待浸渗的试样浸没于硅溶胶中，然后抽真空至绝对压力小于0.005MPa，并在该压力下连续抽真空不低于30min，最终完成浸渗处理工作。作为进一步优选地，所述步骤(c)和步骤(d)中硅溶胶优选为氨型氧化硅溶胶，其浓度不低于20wt％。作为进一步优选地，所述步骤(c)中脱脂和预烧过程中的升温程序为：以1.25℃/min～1.5℃/min的升温速率从常温升至200℃，然后再以1℃/min～1.25℃/min的升温速率升至480℃，并在该温度下保温0.5h～2h，接着以1.25℃/min～1.5℃/min的升温速率继续升温至650℃，在该温度下保温0.5h～2h，最后以不大于7℃/min的升温速率升至1000℃，在该温度下保温3h。作为进一步优选地，所述步骤(d)中高温烧结过程中烧结温度优选为1600℃～1650℃，烧结时间优选为3h～5h。按照本专利技术的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的复相陶瓷铸型。作为进一步优选地，所述复相陶瓷铸型的抗折强度大于8MPa，其长度方向的线收缩率小于1％。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术选择D50分别为5μm、20μm和90μm的三种Al2O3粉体，精细设计Al2O3粉体的粒度和颗粒球形分布，并通过颗粒堆积密度模型(如基于stovall线性堆积理论修正的多元Al2O3粉体颗粒堆积密度模型)优化原料粉体的堆积密度，并将环氧树脂E12与混合后的Al2O3粉体以1:20～2:25的质量比掺混，因此只需采用简单的机械混合即能确保原料粉体具有良好的流动性能和SLS成型性能，省略了目前陶瓷SLS快速成型时原料粉体制备所需的溶解沉淀法或溶剂蒸发法等繁琐工艺；2.此外，本专利技术综合考虑原料粉体烧结导致的收缩和生成莫来石导致的膨胀之间的匹配关系，引入了二次硅溶胶真空浸渗工艺，将待浸渗的试样浸没于浓度不低于20wt％的氧化硅溶胶中，在绝对压力小于0.005MPa的条件下浸渗30min以上，一方面可以有效弥补粉体烧结过程中的收缩，从而在确保尺寸精度的同时提升所得陶瓷铸型的致密度，另一方面由于渗透进材料孔隙内部的硅溶胶只在与基体材料中的刚玉(Al2O3)颗粒接触的边界部位形成Al2O3-SiO2二元体系，材料的骨架结构主要为Al2O3或SiO2，因此可以确保得到的复相陶瓷铸型(Al2O3-SiO2-莫来石复相陶瓷铸型)具有优异的高温力学性能。附图说明图1是本专利技术提供的复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法的工艺流程图；图2是本专利技术制备的复相陶瓷铸型的物相组成分布示意图；图3是本专利技术制备的复相陶瓷铸型的XRD衍射图谱。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将不同粒径的Al2O3粉体与环氧树脂E12充分混合后获得Al2O3‑E12复合粉末；(b)利用上述Al2O3‑E12复合粉末进行选择性激光烧结快速成型，得到Al2O3‑E12铸型生坯；(c)将上述Al2O3‑E12铸型生坯的表面清粉后在真空下进行硅溶胶浸渗处理，然后对其脱脂和预烧得到Al2O3‑SiO2陶瓷铸型生坯；(d)将上述Al2O3‑SiO2陶瓷铸型生坯再次在真空下进行硅溶胶浸渗处理，最后高温烧结制得所述复相陶瓷铸型。

【技术特征摘要】
1.一种复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(a)将不同粒径的Al2O3粉体与环氧树脂E12充分混合后获得Al2O3-E12复合粉末；(b)利用上述Al2O3-E12复合粉末进行选择性激光烧结快速成型，得到Al2O3-E12铸型生坯；(c)将上述Al2O3-E12铸型生坯的表面清粉后在真空下进行硅溶胶浸渗处理，然后对其脱脂和预烧得到Al2O3-SiO2陶瓷铸型生坯；(d)将上述Al2O3-SiO2陶瓷铸型生坯再次在真空下进行硅溶胶浸渗处理，最后高温烧结制得所述复相陶瓷铸型。2.如权利要求1所述的复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，所述步骤(a)中Al2O3-E12复合粉末的制备方法为：选择D50分别为5μm、20μm和90μm的三种Al2O3粉体，并按照计算得到的上述三种Al2O3粉体的掺混比例将其混合，然后将环氧树脂E12与混合后的Al2O3粉体以1:20～2:25的质量比掺混，机械混合2h～4h后制得所述Al2O3-E12复合粉末。3.如权利要求1或2所述的复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，所述D50分别为5μm、20μm和90μm的三种Al2O3粉体的颗粒形度不小于0.7，其Al2O3含量大于97％，并且上述三种Al2O3粉体的D90分别小于11um、40um和190um。4.如权利要求1～3任一项所述的复相陶瓷铸型的激光选区快速成型方法，其特征在于，所述步骤(b)中进行选择性激光烧结快速成型的过程中，所用的激光为波长9.4～10.6μm的连续激光，该激光的光斑直径优选为0.15mm～0.20mm，其功率优选为6W～9W，所述Al2O3-E12复合粉末的铺粉厚度优选为...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晨辉，邹阳，刘江安，史玉升，吴甲民，贺智勇，张启富，
申请(专利权)人：华中科技大学，北京钢研新冶精特科技有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42