一种梯度功能材料型芯型壳一体化陶瓷铸型的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种梯度功能材料型芯型壳一体化陶瓷铸型制造方法，该方法首先采用光固化成形技术制造出树脂负型；然后将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合制备成陶瓷浆料，在真空注型过程中通过真空度调节浆料流动性；最后，对陶瓷坯体进行冷冻、真空干燥、脱脂和高温烧结，制造出高性能一体化陶瓷铸型。本发明专利技术可以保证一体化型芯型壳之间的位置精度；通过冷冻过程中树脂负型的腐蚀去除，致使陶瓷铸型内部固态冰快速升华，可以减小干燥过程陶瓷坯体的应力集中，避免裂纹；通过涂覆陶瓷浆料可以保证型壳的透气性、退让性和合适的高温强度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于陶瓷铸型制备
，涉及。
技术介绍
在燃气轮发动机工作过程中，燃气轮发动机叶片要能够长时间地承受高温、高压气流冲击，随着燃气轮发动机功率不断增大和涡轮前温度持续提高，其服役温度往往超过燃气轮发动机叶片母金属熔点，所以在燃气轮发动机叶片设计过程中要在其内部设计复杂的冷却通道，通过冷却介质如空气、蒸汽对叶片(特别是动叶片)进行高效冷却。由于燃气轮发动机叶片外形与内腔相对位置精度要求高，属于薄壁结构件，最小壁厚可达0.3mm 0.5mm,因此熔模铸造技术广泛应用于燃气轮发动机叶片的制造。传统的叶片熔模铸造的基本过程是:首先通过压模机制备陶瓷型芯；其次将陶瓷型芯装配到蜡模模具中，接着注入石蜡，形成包含有陶瓷型芯的蜡模(蜡模的外形与叶片外形相同)；再次在蜡模表面涂覆陶瓷浆料制备型壳，在高压蒸汽炉中熔化石蜡，获得带有型芯的型壳，最后浇注高温金属液体，待其冷却后，采用机械方式或化学方式或者两种相结合的方式除去陶瓷型芯、型壳获得铸件。陶瓷型芯装配到蜡模模具过程中存在定位误差和装配误差，同时稳定性较差，在后续注蜡、脱蜡过程中及高温金属液体作用下会偏离原有的位置，从而直接影响陶瓷型芯和型壳的相互位置精度，造成偏芯现象，影响最终的铸件尺寸精度，对于薄壁结构的叶片极易穿孔。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，该方法将一体化陶瓷型芯、型壳制造技术应用到熔模铸造生产中，保证薄壁、精细结构的生产质量。本专利技术是通过以下技术方案来实现:，包括以下步骤:I)采用光固化成形方法制备陶瓷铸型的树脂负型，该树脂负型包含其内腔结构和外形结构；2)将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合制备成陶瓷浆料，添加催化剂、引发齐U，迅速搅拌均匀后，在真空条件下将陶瓷浆料注入到树脂负型中，使陶瓷浆料充满整个树脂负型，待陶瓷浆料固化后得到型芯和型壳一体化的陶瓷坯体；3)在冷冻条件下通过化学腐蚀去除陶瓷坯体中的部分树脂负型，其中冷冻温度为(TC -5°c，冷冻时间I 4小时；腐蚀完成后，继续在-30°c -60°c环境下冷冻I 3小时，待水分完全凝结成冰晶之后于真空度20 lOOPa、温度15°C 30°C下将冰晶升华为水蒸气后去除，然后再通过热解的方法除去陶瓷坯体中剩余的树脂负型；4)在除去树脂负型的陶瓷坯体上，在型壳外部涂覆粘结剂后再涂覆石英砂、刚玉砂或锆英砂颗粒，反复涂覆多层，其中由内向外所用颗粒的目数逐渐减小，形成梯度功能材料；待涂覆层完全干燥后，得到型芯和型壳一体化的陶瓷铸型。采用光固化成形方法制备陶瓷铸型的树脂负型，包括以下操作:对陶瓷铸型进行三维实体造型设计，并在陶瓷铸型上设计浇铸用的浇口和冒口 ；再将三维实体造型割成薄层平面图形数据，导入到光固化快速成形机中；在光固化快速成形开始时，激光逐层按照薄层平面图形数据对光敏树脂液面扫描，直至整个树脂负型制作完成。所述的陶瓷浆料的制备为:按有机物:去离子水=10 20:100的质量比，分散剂:去离子水=3 8:100的质量比配置预混液，并按氨水:去离子水=3 10:100的体积比加入质量浓度为27%的氨水；按(氧化铝陶瓷基料+矿化剂):去离子水=60:40 40:60的体积比将陶瓷颗粒加入到预混液，充分进行球磨，得到陶瓷浆料；陶瓷颗粒包括陶瓷基料和矿化剂，以质量份数计，陶瓷基料为89% 94.5%，矿化剂为微米氧化镁、纳米氧化钇和氧化钛，其所占质量比分别为2% 4%、3% 6%和0.5% L 0%。所述的有机物是按照丙烯酰胺:N，N’-亚甲基二丙烯酰胺=20 25:1的质量比的混合；分散剂为质量浓度为30%的聚丙烯酸钠；所述的陶瓷基料为40微米的氧化铝:2微米的氧化铝按照I 2:0.6 I的质量比的混合。按催化剂:预混液=0.1 0.3:100的质量比、引发剂:预混液=1 3:100的质量比分别加入催化剂、引发剂，迅速搅拌均匀后，在真空度为-0.05 -0.09MPa、振动频率30 50Hz环境下浇注到树脂负型中；催化剂为25%质量浓度的四甲基乙二胺溶液；引发剂为30%质量浓度的过硫酸铵。所述的化学腐蚀是将陶瓷坯体放置在化学腐蚀液中于冷冻条件下腐蚀，所用的化学腐蚀液为:氢氧化钾与乙醇溶液的混合，其中溶剂为乙醇和水的混合溶液，乙醇在溶剂中的质量分数为45% 80%，氢氧化钾在化学腐蚀液中的质量分数为5% 35%，将氢氧化钾缓慢加入溶剂中；或者为:氢氧化钾与甲醇溶液的混合，其中溶剂为甲醇与水的混合溶液，甲醇在溶剂中的质量分数为45% 80%,氢氧化钾在化学腐蚀液中的质量分数为5% 45%,将氢氧化钾缓慢加入溶剂中。所述热解去除树脂包括以下操作:将陶瓷坯体自室温以15°C/h 30°C/h升温至300°C 400°C，保温0.5 2小时；接着以50°C /h 70°C /h升温至600°C 700°C，保温0.5 2小时；再以100°C /h 150°C /h升温至1000°C 1350°C，保温I 2小时；随炉冷却至室温。所述的陶 瓷坯体上涂覆多层功能材料，由内向外所用材料颗粒的目数由220目 80目逐渐减小。所述的陶瓷坯体上功能材料的涂覆包括:首先，在陶瓷铸型表面涂覆硅溶胶，然后采用180目 220目高岭土、电熔刚玉粉或锆英砂制备第一层梯度功能材料，然后干燥；其次，在第一层涂覆层上，继续涂覆硅溶胶，采用130目 150目高岭土、电熔刚玉粉或锆英砂制备第二层梯度功能材料，然后干燥；其三，在第二层涂覆层上，继续涂覆硅溶胶，然后采用80目 100目高岭土、电熔刚玉粉或锆英砂制备第三层梯度功能材料，然后干燥；所述的干燥采用风干或者氨干,每层涂覆层的厚度均为0.5mm Imm,涂覆至型壳厚度达到6 9_。将型芯和型壳一体化的陶瓷铸型烧结后，型芯高温强度在8MPa 16MPa，型壳高温强度在IOMPa 20MPa。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果:本专利技术提供的梯度功能材料型芯和型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，该方法首先采用光固化成形技术制造出树脂负型，该负型包含复杂内腔和外形结构；然后将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合制备成陶瓷浆料，在真空注型过程中通过真空度调节浆料流动性，同时，采用机械振动方法保证陶瓷浆料充满整个树脂负型，实现陶瓷型芯和型壳坯体一体化成形；最后，对陶瓷坯体进行冷冻、真空干燥、脱脂和高温烧结，制造出高性能一体化陶瓷铸型。由于定向凝固过程型芯型壳强度通常要求不同，其中，陶瓷型芯需要较高的高温强度，以避免高温金属液浸泡中发生断裂，而型壳需要较好的透气性、退让性以及一定的高温强度，所以根据需求，在型壳外部依次涂覆较大粒度的陶瓷浆料，形成功能梯度材料，以满足通气性、退让性和强度等技术要求，通过上述方法，可以保证一体化型芯型壳之间的位置精度；通过涂覆陶瓷浆料可以保证型壳的透气性、退让性和合适的高温强度，该陶瓷铸型尤其适用于薄壁、精细结构、复杂内腔定向晶、单晶铸件的制造，可以极大提闻精密铸件的合格率。本专利技术提供的梯度功能材料型芯和型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，采用同一种材料制造陶瓷型芯、型壳，二者有相同膨胀收缩系数，有利于保证铸件的尺寸精度；型芯和型壳在成形过程自然成为一体，保证了它们之间有很高的位置精度，极大地提高薄壁、复杂内腔、对铸型强度要求较高的定向晶、单晶铸件的合格本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯度功能材料型芯型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）采用光固化成形方法制备陶瓷铸型的树脂负型，该树脂负型包含其内腔结构和外形结构；2）将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合制备成陶瓷浆料，添加催化剂、引发剂，迅速搅拌均匀后，在真空条件下将陶瓷浆料注入到树脂负型中，使陶瓷浆料充满整个树脂负型，待陶瓷浆料固化后得到型芯和型壳一体化的陶瓷坯体；3）在冷冻条件下通过化学腐蚀去除陶瓷坯体中的部分树脂负型，其中冷冻温度为0℃～?5℃，冷冻时间1～4小时；腐蚀完成后，继续在?30℃～?60℃环境下冷冻1～3小时，待水分完全凝结成冰晶之后于真空度20～100Pa、温度15℃～30℃下将冰晶升华为水蒸气后去除，然后再通过热解的方法除去陶瓷坯体中剩余的树脂负型；4）在除去树脂负型的陶瓷坯体上，在型壳外部涂覆粘结剂后再涂覆石英砂、刚玉砂或锆英砂颗粒，反复涂覆多层，其中由内向外所用颗粒的目数逐渐减小，形成梯度功能材料；待涂覆层完全干燥后，得到型芯和型壳一体化的陶瓷铸型。

【技术特征摘要】
1.一种梯度功能材料型芯型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)采用光固化成形方法制备陶瓷铸型的树脂负型，该树脂负型包含其内腔结构和外形结构； 2)将陶瓷颗粒、有机物和去离子水均匀混合制备成陶瓷浆料，添加催化剂、引发剂，迅速搅拌均匀后，在真空条件下将陶瓷浆料注入到树脂负型中，使陶瓷浆料充满整个树脂负型，待陶瓷浆料固化后得到型芯和型壳一体化的陶瓷坯体； 3)在冷冻条件下通过化学腐蚀去除陶瓷坯体中的部分树脂负型，其中冷冻温度为(TC -5°C，冷冻时间I 4小时；腐蚀完成后，继续在-30°C -60°C环境下冷冻I 3小时，待水分完全凝结成冰晶之后于真空度20 lOOPa、温度15°C 30°C下将冰晶升华为水蒸气后去除，然后再通过热解的方法除去陶瓷坯体中剩余的树脂负型； 4)在除去树脂负型的陶瓷坯体上，在型壳外部涂覆粘结剂后再涂覆石英砂、刚玉砂或锆英砂颗粒，反复涂覆多层，其中由内向外所用颗粒的目数逐渐减小，形成梯度功能材料；待涂覆层完全干燥后，得到型芯和型壳一体化的陶瓷铸型。2.如权利要求1所述的梯度功能材料型芯和型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，其特征在于，采用光固化成形方法制备陶瓷铸型的树脂负型，包括以下操作: 对陶瓷铸型进行三维实体造型设计，并在陶瓷铸型上设计浇铸用的浇口和冒口；再将三维实体造型割成薄层平面图形数据，导入到光固化快速成形机中；在光固化快速成形开始时，激光逐层按照薄层平面图形数据对光敏树脂液面扫描，直至整个树脂负型制作完成。3.如权利要求1所 述的梯度功能材料型芯和型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，其特征在于，所述的陶瓷浆料的制备为: 按有机物:去尚子水=10 20:100的质量比,分散剂:去尚子水=3 8:100的质量比配置预混液，并按氨水:去离子水=3 10:100的体积比加入质量浓度为27%的氨水； 按(氧化铝陶瓷基料+矿化剂):去离子水=60:40 40:60的体积比将陶瓷颗粒加入到预混液，充分进行球磨，得到陶瓷浆料；陶瓷颗粒包括陶瓷基料和矿化剂，以质量份数计，陶瓷基料为89% 94.5%，矿化剂为微米氧化镁、纳米氧化钇和氧化钛，其所占质量比分别为2% 4%、3% 6% 和 0.5% L 0%。4.如权利要求3所述的梯度功能材料型芯和型壳一体化陶瓷铸型的制备方法，其特征在于，所述的有机物是按照丙烯酰胺:N，N’ -亚甲基二丙烯酰胺=20 25:1的质量比的混合；分散剂为质量浓度为30%的聚丙烯酸钠； 所述的陶瓷基料为40微米的氧化铝:2微米的氧化铝按照I 2:0.6 I的质量比的混合。5.如权利要求3所述的梯度功能材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁中良，李涤尘，庞师坤，李奕宁，刘涛，
申请(专利权)人：西安交通大学，西安瑞特快速制造工程研究有限公司，
类型：发明
国别省市：