一種陶瓷零件的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種陶瓷零件的制備方法，將陶瓷粉末與有機粘接劑在避光條件下混合均勻，然后再加入消泡劑混勻，待氣泡消退后去除表面雜質，得到混合漿料；將混合漿料裝入3D打印成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光或點掃描的方式，根據零件三維模型逐層打印，制成陶瓷零件粗坯。再將陶瓷零件粗坯進行低溫脫脂處理，使粗坯中的有機粘接劑蒸發溢出；再進行熱等靜壓處理，獲得致密的陶瓷零件。本發明采用3D打印技術制造陶瓷零件，零件的形狀不受約束，并且致密性較好，解決了現有熱壓成型制備方法依賴模具，不適合小批量生產的問題。
【專利說明】
一種陶瓷零件的制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于材料制備技術領域，具體涉及一種陶瓷零件的制備方法。
【背景技術】
[0002]陶瓷顆粒具有抗氧化性強，耐磨性能好，硬度高，熱穩定性好，高溫強度高，熱膨脹系數小，熱導率大以及抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性，在石油、化工、機械、航天、核能等領域廣泛應用，如:陶瓷軸承、滾珠、噴嘴、密封件、切削工具、燃汽渦輪機葉片、渦輪增壓器轉子、反射屏和火箭燃燒室內襯等。
[0003]現有技術中制備陶瓷零件的方法主要是模壓燒結法，S卩:首先將陶瓷粉體和粘結劑按照一定比例混合調制成漿料，再將漿料注入特定模具，通過熱壓燒結的方法成形得到陶瓷零件。該方法必須通過模具將陶瓷粉末進行熱壓燒結，而制造模具的周期過長，模具費用高昂。同時，現有粉末熱壓燒結制造技術僅能制造簡單形狀，不適用于帶有定制化特點的單件/小批量產品的制造。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種陶瓷零件的制備方法，該方法可以制造任意復雜形狀的零件，解決了現有熱壓成型制備方法依賴模具，不適合小批量生產的問題。并且該方法制備周期短，得到的產品致密度高。
[0005]本發明所采用的技術方案是，一種陶瓷零件的制備方法，包括以下步驟:
[0006]步驟I，原料配制
[0007]將陶瓷粉末與有機粘接劑在避光條件下混合均勻，然后再加入消泡劑混勻，待氣泡消退后去除表面雜質，得到混合漿料。
[0008]步驟2，粗坯制造
[0009]將混合漿料裝入3D打印成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光或點掃描的方式，根據零件三維模型逐層打印，制成陶瓷零件粗坯。
[0010]步驟3，后處理
[0011]將陶瓷零件粗坯進行低溫脫脂處理，使粗坯中的有機粘接劑蒸發溢出；再進行熱等靜壓處理，獲得致密的陶瓷零件。
[0012]本發明的特點還在于:
[0013]陶瓷粉末與有機粘接劑的體積比為3:7?3:2。
[0014]有機粘接劑采用光敏樹脂，將陶瓷粉末粘接固化成形陶瓷零件。優選為環氧丙烯酸樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸樹脂或氨基丙烯酸樹脂。
[0015]消泡劑可采用為低級醇、有機改性化合物、有機聚合物、有機硅樹脂、礦物油等。優選乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金屬皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷之
O
[0016]優選地，消泡劑占混合漿料總體積的0.05%?1.0%。
[0017]優選地，逐層打印的層厚控制在20?80μπι，光源波長為200?400nm。
[0018]優選地，采用面曝光時，曝光時間為0.l_3s;采用點掃描時，光斑直徑為0.1?
0.15_，光斑移動速度1-300_/111；[11。
[0019]優選地，低溫脫脂處理的溫度100°C?700°C，時間2_4h。
[0020]優選地，熱等靜壓處理溫度1550 °C?1650 °C、壓強10MPa?500MPa、時間2_5h。
[0021]本發明陶瓷，優選高熔點陶瓷，如WC、TiC、TiN、氧化鋁或氧化鋯等。
[0022]本發明的有益效果是，本發明采用3D打印技術制造陶瓷零件，零件的形狀不受約束，縮短了傳統方法的制造周期，提高了陶瓷零件的制造效率，降低了制造成本。
【具體實施方式】
[0023]下面結合【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細說明，但本發明并不限于這些實施方式。
[0024]本發明提供了一種陶瓷零件的制備方法，該方法可以用于制備高熔點陶瓷零件，尤其適用于如:WC、TiC、TiN、氧化鋁、氧化鋯等陶瓷零件。具體制備方法如下:
[0025]步驟I，原料配制
[0026]將球形陶瓷粉末與有機粘接劑按照3:7?3: 2的體積比混合均勻，得到混合漿料。有機粘接劑為環氧丙烯酸樹脂、不飽和聚酯樹脂、氨基丙烯酸樹脂、聚酯丙烯酸樹脂、聚氨酯丙烯酸酯或聚酯丙烯酸酯。為保證漿料良好的流動性，混合過程和存儲過程應避免見光，尤其避免紫外光照射，混合過程盡量避免混入過多雜質氧，確保高溫燒結質量。
[0027]為了減少攪拌過程中產生的氣泡，上述混合液中再加入消泡劑，緩慢攪拌，以降低氣泡周圍的液體表面張力，使小的氣泡聚集成大的氣泡，最終使氣泡破裂，起到抑制或消除漿料中氣泡的作用。待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料。消泡劑可選用低級醇、有機改性化合物、礦物油、有機聚合物、有機硅樹脂等，優選乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金屬皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷之一，其加入量占混合漿料總體積的0.05 %?1.0 %。
[0028]步驟2，粗坯制造
[0029]將步驟I的混合漿料裝入3D打印成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光或點掃描的方式，根據零件三維模型逐層打印，層厚控制在20?80μπι，光源波長為200?400nm，若米用面曝光，每層曝光時間為0.l_3s;若米用點掃描，光斑直徑為0.1?0.15mm，光斑移動速度為l-300mm/min。制成陶瓷零件粗還。
[0030]步驟3，后處理
[0031]為了降低有機粘接劑對陶瓷制件強度的影響，將陶瓷零件粗坯進行低溫脫脂處理，溫度控制在100°C?700°C，時間2_4h，使粗坯中的有機粘接劑蒸發溢出；之后，為了使陶瓷零件粗坯致密化，將脫脂后的陶瓷零件粗坯再進行熱等靜壓處理，燒結過程中采用氬氣保護，處理溫度1550 °C?1650 °C、壓強10MPa?500MPa、時間2_5h，獲得致密的陶瓷零件。
[0032]本發明制備出的陶瓷零件精密度較高，質量穩定，對原材料的利用率高，并且制造速度快，能成型形狀特別復雜、特別精細的零件，適合小批量生產。
[0033]實施例1
[0034]一種WC陶瓷零件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0035](I)原料配制
[0036]制備有機粘接劑聚氨酯丙稀酸酯:以聚氨酯丙稀酸酯(polyurethaneacrylate，PUA)為有機粘接劑，聚氨酯丙烯酸酯的合成是利用異氰酸酯中異氰酸根與長鏈二醇和丙烯酸羥基酯中的羥基反應，形成氨酯鍵而制得的。其合成方法具體為:將2mol 二異氰酸酯和一定量的月桂酸二丁基錫加入反應器中，升溫到40?50°C，慢慢滴加Imol聚乙二醇，反應Ih后，升溫到60°C，測定一 NCO值到計算值，加入2mol丙烯酸羥基酯和一定量的阻聚劑對苯二酚，升溫至70?80 °C，直至一 NCO值為零。鑒于一 NCO有較大毒性，反應時可以適當使丙烯酸羥基酯稍微過量，使一 NCO基團反應完全，即得。
[0037]將WC陶瓷粉末和合成的聚氨酯丙烯酸酯按照體積比為3:2在避光條件下進行混合，然后向其中加入消泡劑磷酸三丁酯，緩慢攪拌，待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料;消泡劑占混合漿料總體積的0.5%。
[0038](2)粗坯制造
[0039]將混合漿料裝入3D打印光固化成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光的方法根據零件三維模型逐層打印，光斑直徑為0.1mm，光源波長為200nm，層厚20μπι，每層曝光時間為0.1s，逐層制成WC陶瓷零件粗坯。
[0040](3)后處理
[0041]將所制成的WC陶瓷零件粗坯置入低溫燒結爐內，在100°C進行低溫脫脂處理2h，使有機粘接劑溢出/揮發。再將脫脂后的陶瓷零件粗坯置入熱等靜壓爐內，氬氣保護下，在1550°C、150MPa下，進行熱等靜壓處理3.5h，獲得致密的WC陶瓷零件。
[0042]實施例2
[0043]一種TiC陶瓷零件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0044](I)原料配制
[0045]將TiC陶瓷粉末和環氧丙烯酸樹脂按照體積比為1:1在避光條件下進行混合，然后向其中加入消泡劑正丁醇，緩慢攪拌，待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料;消泡劑占混合漿料總體積的I %。
[0046](2)粗坯制造
[0047]將上述混合漿料裝入3D打印成型設備中，利用可控紫外線光束，采用點掃描法根據零件三維模型逐層打印，光源波長為300nm，層厚50μπι，光斑直徑為0.15mm，光斑移動速度為300mm/min，逐層制成TiC陶瓷零件粗還。
[0048](3)后處理
[0049]將所制成的TiC陶瓷零件粗坯置入低溫燒結爐內，在300°C進行低溫脫脂處理4h，使有機粘接劑溢出/揮發。再將脫脂后的TiC陶瓷零件粗坯置入熱等靜壓爐內，氬氣保護下，在1650°C、200MPa下，進行熱等靜壓處理2h，獲得致密的TiC陶瓷零件。
[0050]實施例3
[0051]一種TiN陶瓷零件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0052](I)原料配制
[0053]將TiN陶瓷粉末和氨基丙烯酸樹脂按照體積比為3:7在避光條件下進行混合，然后向其中加入消泡劑金屬皂，緩慢攪拌，待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料;消泡劑占混合漿料總體積的0.8 V0 O
[0054](2)粗坯制造
[0055]將上述混合漿料裝入3D打印光固化成型設備中，利用可控紫外線光束，采用點掃描法根據零件三維模型逐層打印，光源波長為400nm，層厚80μπι，光斑直徑為0.12mm，光斑移動速度為lmm/min，制成TiN陶瓷零件粗還。
[0056](3)后處理
[0057]將所制成的TiN陶瓷零件粗坯置入低溫燒結爐內，在650°C進行低溫脫脂處理3h，使有機粘接劑溢出/揮發。再將脫脂后的TiN陶瓷零件粗坯置入熱等靜壓爐內，氬氣保護下，在1600°C、100MPa下，進行熱等靜壓處理5h，獲得致密的TiN陶瓷零件。
[0058]實施例4
[0059]一種氧化鋁陶瓷零件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0060](I)原料配制
[0061]將氧化鋁陶瓷粉末和環氧丙烯酸樹脂按照體積比為3:5在避光條件下進行混合，然后向其中加入消泡劑金屬皂，緩慢攪拌，待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料;消泡劑占混合漿料總體積的0.5%。
[0062](2)粗坯制造
[0063]將混合漿料裝入3D打印光固化成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光法根據零件三維模型逐層打印，光源波長為300nm，層厚50μπι，每層曝光時間為3s，逐層制成氧化鋁陶瓷零件粗坯。
[0064](3)后處理
[0065]將所制成的氧化鋁陶瓷零件粗坯置入低溫燒結爐內，在400°C進行低溫脫脂處理4h，使有機粘接劑溢出/揮發。再將脫脂后的氧化鋁陶瓷零件粗坯置入熱等靜壓爐內，氬氣保護下，在1550 °C、10MPa下，進行熱等靜壓處理2h，獲得致密的氧化鋁陶瓷零件。
[0066]實施例5
[0067]一種氧化鋯陶瓷零件的制備方法，具體包括以下步驟:
[0068](I)原料配制
[0069]將氧化鋯陶瓷粉末和氨基丙烯酸樹脂按照體積比為3:7在避光條件下進行混合，然后向其中加入消泡劑金屬皂，緩慢攪拌，待漿料內部氣泡消退后，去除漿料表面漂浮物或殘渣，獲得均勻無氣泡的混合漿料;消泡劑占混合漿料總體積的I %。
[0070](2)粗坯制造
[0071]將上述混合漿料裝入3D打印光固化成型設備中，利用可控紫外線光束，采用點掃描法根據零件三維模型逐層打印，光源波長為200nm，層厚50μπι，光斑直徑為0.1mm，光斑移動速度為100mm/min，制成氧化錯陶瓷零件粗還。
[0072](3)后處理
[0073]將所制成的氧化鋯陶瓷零件粗坯置入低溫燒結爐內，在700°C進行低溫脫脂處理3h，使有機粘接劑溢出/揮發。再將脫脂后的氧化鋯陶瓷零件粗坯置入熱等靜壓爐內，氬氣保護下，在1600°C、500MPa下，進行熱等靜壓處理5h，獲得致密的氧化鋯陶瓷零件。
[0074]本發明實施例1-5制備出的陶瓷零件的致密性和韌性良好，均能滿足市場產品需求，也形狀各異，能滿足不同形狀零件的需求。
[0075]本發明采用3D打印技術制造陶瓷零件，零件的形狀不受約束，縮短了傳統方法的制造周期，提高了陶瓷零件的制造效率，降低了制造成本。
[0076]本發明以上描述只是部分實施例，但是本發明并不局限于上述的【具體實施方式】。上述的【具體實施方式】是示意性的，并不是限制性的。凡是采用本發明的材料和方法，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍情況下，所有具體拓展均屬本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種陶瓷零件的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，原料配制 將陶瓷粉末與有機粘接劑在避光條件下混合均勻，然后再加入消泡劑混勻，待氣泡消退后去除表面雜質，得到混合漿料； 步驟2，粗坯制造 將混合漿料裝入3D打印光固化成型設備中，利用可控紫外線光束，采用面曝光或點掃描的方式，根據零件三維模型逐層打印，制成陶瓷零件粗坯； 步驟3，后處理 將陶瓷零件粗坯進行低溫脫脂處理，使粗坯中的有機粘接劑蒸發溢出；再進行熱等靜壓處理，獲得致密的陶瓷零件。2.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述陶瓷粉末與所述有機粘接劑的體積比為3:7?3:2。3.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述有機粘接劑為環氧丙烯酸樹脂、不飽和聚酯樹脂、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯、聚酯丙烯酸樹脂或氨基丙烯Ife樹脂。4.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述消泡劑為乙醇、正丁醇、磷酸三丁酯、金屬皂、聚醚、聚丙烯酸酯、聚二甲基硅油或改性聚硅氧烷。5.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述消泡劑占混合漿料總體積的0.05%?1.0%。6.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述逐層打印的層厚控制在20?80μπι，光源波長為200?400nm。7.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述打印方式采用面曝光時，曝光時間為0.l_3s;所述打印方式米用點掃描時，光斑直徑為0.1?0.15mm，光斑移動速度l-300mm/min。8.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述低溫脫脂處理的溫度100°C ?700°C，時間2-4h。9.根據權利要求1所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述熱等靜壓處理溫度1550 °C ?1650 °C，壓強 10MPa?500MPa，時間 2_5h。10.根據權利要求1-9中任一項所述的陶瓷零件的制備方法，其特征在于，所述陶瓷為高熔點陶瓷。
【文檔編號】C04B35/634GK105837216SQ201610164472
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月22日
【發明人】薛蕾, 王俊偉, 趙曉明, 楊東輝
【申請人】西安鉑力特激光成形技術有限公司