一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉及后处理方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉及后处理方法，以钼丝构成的加热电阻片对烧结环境进行预升温，在烧结环境温度达到烧结温度的70%~80%后对磁感应线圈通高压交流电，利用自热氧化铝/氧化锆材料随温度提升，导电率提升的特点，使陶瓷型芯能够自发热加速脱脂烧结的同时，型芯内部呈一定流动性，脱脂烧结结束后，加热电阻片先停止工作，仅由磁感应线圈继续工作保持陶瓷型芯温度，随着烧结环境温度的不断下降，陶瓷型芯的电阻率不断提升，磁感应线圈逐渐对陶瓷型芯失去加热作用，随着陶瓷型芯可控的缓慢降温，最终完成脱脂烧结。通过优化的烧结炉结构及流程，能够实现陶瓷型芯的高效可控脱脂烧结和精确成形。芯的高效可控脱脂烧结和精确成形。芯的高效可控脱脂烧结和精确成形。

【技术实现步骤摘要】
一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉及后处理方法


[0001]本专利技术本专利技术属于3D打印领域，特别是涉及一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉及后处理方法。

技术介绍

[0002]航空发动机和重型燃气机正朝着高推重比和大功率的方向发展，要求提高发动机涡轮前温度。为了提高涡前温度，现有技术从原来的多晶叶片发展到现在的单晶叶片、从实心叶片向复杂空心内腔叶片发展，目的就是为了不断提高发动机叶片的耐温能力，从而提升发动机的涡前温度。由于受金属熔点的限制，合金材料耐温能力的提升遇到了瓶颈，而叶片的复杂气冷内腔结构则成为提升叶片耐温能力的重要途径。陶瓷型芯是形成叶片复杂气冷内腔结构的关键，因此，陶瓷型芯的性能和质量直接影响叶片的合格率。对于陶瓷型芯而言，其较为关键的几个指标包括抗弯强度、开孔隙率、烧成收缩率、高温抗蠕变性能。随着陶瓷型芯的复杂程度越来越高，传统热压注的制备工艺已经难以制备更复杂结构的陶瓷型芯。
[0003]陶瓷以其较高的机械强度和硬度、良好的化学稳定性以及优异的声光电磁热等特性，被广泛应用于化工、机械、电子、航空航天和生物医学等领域。然而，这些传统制造工艺大多需要事先制造模具，使得整体生产周期较长，且无法成形具有高度复杂结构的陶瓷零件。此外，由于陶瓷具有极高硬度和脆性，使得其加工异常困难。而光固化3D打印陶瓷技术的出现，由于无需模具，为更复杂陶瓷型芯的制备提供了一种可靠的制备方式。
[0004]光固化3D打印技术是基于光敏材料的一类新型3D打印技术，具有精度高、成形快等特点，光固化成形工艺主要分为两大类：立体光刻（SL）与数字光处理（DLP）均是基于光聚合原理的3D打印，一般立体光刻工艺由位于成形平台上方的激光器提供紫外光束，而数字光处理技术则由位于成形平台下方的LED提供紫外能量。将陶瓷粉末均匀分散在光敏树脂中，经由光固化工艺3D打印成形的陶瓷型芯技术已日趋成熟，但初步成形的陶瓷型芯强度等力学性能仍不适用，需要进一步处理提升致密性。
[0005]在陶瓷型芯光固化成形后，采用常压热脱脂方法，随着烧结温度的升高，晶粒尺寸逐渐长大，而内部孔洞不断减少，陶瓷型芯致密度提升，力求在不破坏陶瓷坯体的情况下，尽快将其中固态有机物，如树脂等去除。但这一过程，由于模型的不规则面以及光固化增材制造模型的大壁厚区域，各点烧结收缩率不同、内外受热不均等原因，易出现开裂等现象造成不合格品。另一方面，由于陶瓷材料导电性能差，无法使用导电金属材料磁感应加热的方式，电阻片加热方式能量转化效率低。因此，如何提高烧结效率的同时，减少光固化陶瓷型芯后处理过程中的开裂等现象，是亟需解决的一个问题。

技术实现思路

[0006]为解决上述问题，本专利技术公开了本专利技术所阐述的一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉装置，包含烧结炉炉体、磁感应线圈、隔热层、加压气泵、炉门及电控界面等。
[0007]烧结炉炉体内壁有加热电阻片，采用高熔点的钼丝，装置通电后的烧结过程中，用于提升并维持烧结环境的温度。在烧结炉的内部有磁感应线圈，在加热电阻片将烧结环境温度提升至一定水平后，磁感应线圈上通交流电，不断改变电场方向，配合氧化铝/氧化锆随着温度升高，电阻率不断降低的特点，使高温下，导电率提升的陶瓷型芯熔融态的内部呈一定的流动性，保证陶瓷的各类材料在烧结结束后均匀的分布在各个位置，以实现陶瓷型芯的各位置力学性能稳定。
[0008]另一方面，3D打印的模型Z轴强度由于层层堆积的原理，往往比XY水平面上的强度更低，因此，通过电磁感应持续“搅动”陶瓷型芯内部，使得打印的层与层有更好的融合效果，提升烧结完成的陶瓷型芯强度。磁感应线圈的外圈由隔热层包裹，隔热层内部有高温传感器，实时反馈烧结环境温度，与磁感应线圈上交流电压值构成负反馈控制机制，随着温度上升，电压值下降，减少能量供给；温度下降，电压值上升，增加能量供给，确保陶瓷型芯始终在目标温度下脱脂烧结。
[0009]炉门位于烧结炉的上表面，通过锁扣结构实现炉门在烧结过程中的闭锁，同时安装有透明隔热玻璃，便于实验过程中随时观察陶瓷型芯的烧结程度，避免实验过程中可能发生的危险，以免发生意外。
[0010]烧结炉下表面设有炉脚，将装置整体垫高，便于烧结过程中的炉体外散热，降低危险发生可能。
[0011]在烧结炉的前表面有电控界面，设有“安全开关”，必要时快速强制断电。同时，在烧结前可设置需要的烧结温度与内部气压，上有仪表盘实时显示烧结过程中，烧结炉内部的温度及气压变化。
[0012]烧结炉右侧的加压气泵用于在烧结前抽出烧结炉内部的空气，提升烧结炉内部气压。
[0013]本专利技术的有益效果：1、与常规烧结相比，在15MPa的压力下烧结使纯氧化铝陶瓷的烧结温度降低了200℃，同时致密度提高2%，并且这种趋势随着压力的增加而提高。对于纯氧化铝陶瓷，常规烧结需要1800℃以上的温度；而20MPa的热压烧结只需要1500℃。热压烧结提供的压力促进了颗粒内原子的流动，同时压力和表面能一起作为驱动力，加强了扩散作用。由于热压烧结能在较低温度下烧结，因而抑制了晶粒的长大，得到的样品致密均匀、晶粒小、强度高。除此以外，氧化锆陶瓷也表现出同样特征。因此，在烧结过程中，提高烧结炉内部的气压十分重要，但另一方面，过高的热压也易使结构复杂模型在烧结过程中出现开裂等情况，导致烧结失败，合理的烧结温度与炉内压力，能够有效提高烧结效果。
[0014]2、对大壁厚的陶瓷样件，传统烧结工艺由于传导热问题，无法对大壁厚特征结构内部有较好的烧结效果，良品率低。利用氧化铝/氧化锆陶瓷高温下电导率提升的特性，使其能实现电磁感应的自发热烧结，对大壁厚区域有更好的烧结效果。
[0015]3、能够提升陶瓷型芯的烧结效率10%
‑
30%，增强层与层间的粘接强度，优化改性材料在陶瓷型芯中的分布。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一种应用于氧化铝/氧化锆陶瓷型芯的烧结炉示意图。其中有“锁扣
结构1”、“炉门2”、“磁感应线圈3”、“加压气泵4”、“电控界面5”、“加热电阻片6”、“隔热层7”。
[0017]图2为本专利技术一种应用于氧化铝/氧化锆陶瓷型芯的烧结炉工作状态下，去炉门的俯视图。其中有“锁扣结构插槽101”、“磁感应线圈3”、“加压气泵4
”ꢀ
、“电控界面急停开关501”、“加热电阻片6”。
[0018]图3为隔热层截面示意图。其中有“隔热层壁701”、“高温传感器702”。
实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本专利技术，应理解下述具体实施方式仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
[0020]如图1
‑
3所示，以光固化打印完成的氧化铝陶瓷法兰盘为例，详细说明其后处理的烧结过程。将打印完成的法兰盘放置在本专利技术一种应用于氧化铝/氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉，包括烧结炉，其特征在于：所述烧结炉的顶部设有炉门（2）；其中所述烧结炉的内壁均匀排布加热电阻片（6）；所述烧结炉的中央空间设有隔热层（7）；所述隔热层（7）的外侧缠绕磁感应线圈（3）；所述烧结炉的前侧设有电控界面（5）且侧边与加压气泵（4）连接。2.根据权利要求1所述的一种应用于氧化铝/氧化锆陶瓷型芯的烧结炉，其特征在于：所述加热电阻片（6）由钼丝构成。3.根据权利要求1所述的一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉，其特征在于：所述炉门（2）上设有透明隔热观察窗且通过锁扣结构（1）将炉门（2）与烧结炉锁紧。4.根据权利要求1中所述的一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉，其特征在于：所述电控界面（5）位于烧结炉的正面，电控界面安有急停开关（501）。5.根据权利要求1中所述的一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉，其特征在于：加压气泵（4）通过管道与烧结炉的 炉内相通，通过气泵抽取炉内空气的方式为炉内加压。6.根据权利要求1中所述的一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结炉，其特征在于：所述隔热层（7）包括隔热层壁（701）和设置隔热层壁（701）内部的高温传感器（702）。7.一种电磁微搅拌自热陶瓷型芯烧结后处理方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨浩秦，单忠德，黄睿涛，
申请(专利权)人：南京航空航天大学无锡研究院，
类型：发明
国别省市：