專利名稱：一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法
技術領域：
本發明屬于陶瓷鑄型制備技術領域，涉及一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法。
背景技術：
在燃氣輪發動機工作過程中，燃氣輪發動機葉片要能夠長時間地承受高溫、高壓氣流沖擊，隨著燃氣輪發動機功率不斷增大和渦輪前溫度持續提高，其服役溫度往往超過燃氣輪發動機葉片母金屬熔點，所以在燃氣輪發動機葉片設計過程中要在其內部設計復雜的冷卻通道，通過冷卻介質如空氣、蒸汽對葉片(特別是動葉片)進行高效冷卻。由于燃氣輪發動機葉片外形與內腔相對位置精度要求高，屬于薄壁結構件，最小壁厚可達0.3mm
0.5mm,因此熔模鑄造技術廣泛應用于燃氣輪發動機葉片的制造。傳統的葉片熔模鑄造的基本過程是:首先通過壓模機制備陶瓷型芯；其次將陶瓷型芯裝配到蠟模模具中，接著注入石蠟，形成包含有陶瓷型芯的蠟模(蠟模的外形與葉片外形相同)；再次在蠟模表面涂覆陶瓷漿料制備型殼，在高壓蒸汽爐中熔化石蠟，獲得帶有型芯的型殼，最后澆注高溫金屬液體，待其冷卻后，采用機械方式或化學方式或者兩種相結合的方式除去陶瓷型芯、型殼獲得鑄件。陶瓷型芯裝配到蠟模模具過程中存在定位誤差和裝配誤差，同時穩定性較差，在后續注蠟、脫蠟過程中及高溫金屬液體作用下會偏離原有的位置，從而直接影響陶瓷型芯和型殼的相互位置精度，造成偏芯現象，影響最終的鑄件尺寸精度，對于薄壁結構的葉片極易穿孔。
發明內容
本發明的目的在于提供一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，該方法將一體化陶瓷型芯、型殼制造技術應用到熔模鑄造生產中，保證薄壁、精細結構的生
產質量。本發明是通過以下技術方案來實現:一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，包括以下步驟:I)采用光固化成形方法制備陶瓷鑄型的樹脂負型，該樹脂負型包含其內腔結構和外形結構；2)將陶瓷顆粒、有機物和去離子水均勻混合制備成陶瓷漿料，添加催化劑、引發齊U，迅速攪拌均勻后，在真空條件下將陶瓷漿料注入到樹脂負型中，使陶瓷漿料充滿整個樹脂負型，待陶瓷漿料固化后得到型芯和型殼一體化的陶瓷坯體；3)在冷凍條件下通過化學腐蝕去除陶瓷坯體中的部分樹脂負型，其中冷凍溫度為(TC -5°c，冷凍時間I 4小時；腐蝕完成后，繼續在-30°c -60°c環境下冷凍I 3小時，待水分完全凝結成冰晶之后于真空度20 lOOPa、溫度15°C 30°C下將冰晶升華為水蒸氣后去除，然后再通過熱解的方法除去陶瓷坯體中剩余的樹脂負型；
4)在除去樹脂負型的陶瓷坯體上，在型殼外部涂覆粘結劑后再涂覆石英砂、剛玉砂或鋯英砂顆粒，反復涂覆多層，其中由內向外所用顆粒的目數逐漸減小，形成梯度功能材料；待涂覆層完全干燥后，得到型芯和型殼一體化的陶瓷鑄型。采用光固化成形方法制備陶瓷鑄型的樹脂負型，包括以下操作:對陶瓷鑄型進行三維實體造型設計，并在陶瓷鑄型上設計澆鑄用的澆口和冒口 ；再將三維實體造型割成薄層平面圖形數據，導入到光固化快速成形機中；在光固化快速成形開始時，激光逐層按照薄層平面圖形數據對光敏樹脂液面掃描，直至整個樹脂負型制作完成。所述的陶瓷漿料的制備為:按有機物:去離子水=10 20:100的質量比，分散劑:去離子水=3 8:100的質量比配置預混液，并按氨水:去離子水=3 10:100的體積比加入質量濃度為27%的氨水；按(氧化鋁陶瓷基料+礦化劑):去離子水=60:40 40:60的體積比將陶瓷顆粒加入到預混液，充分進行球磨，得到陶瓷漿料；陶瓷顆粒包括陶瓷基料和礦化劑，以質量份數計，陶瓷基料為89% 94.5%，礦化劑為微米氧化鎂、納米氧化釔和氧化鈦，其所占質量比分別為2% 4%、3% 6%和0.5% L 0%。所述的有機物是按照丙烯酰胺:N，N’-亞甲基二丙烯酰胺=20 25:1的質量比的混合；分散劑為質量濃度為30%的聚丙烯酸鈉；所述的陶瓷基料為40微米的氧化鋁:2微米的氧化鋁按照I 2:0.6 I的質量比的混合。按催化劑:預混液=0.1 0.3:100的質量比、引發劑:預混液=1 3:100的質量比分別加入催化劑、引發劑，迅速攪拌均勻后，在真空度為-0.05 -0.09MPa、振動頻率30 50Hz環境下澆注到樹脂負型中；催化劑為25%質量濃度的四甲基乙二胺溶液；引發劑為30%質量濃度的過硫酸銨。所述的化學腐蝕是將陶瓷坯體放置在化學腐蝕液中于冷凍條件下腐蝕，所用的化學腐蝕液為:氫氧化鉀與乙醇溶液的混合，其中溶劑為乙醇和水的混合溶液，乙醇在溶劑中的質量分數為45% 80%，氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為5% 35%，將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中；或者為:氫氧化鉀與甲醇溶液的混合，其中溶劑為甲醇與水的混合溶液，甲醇在溶劑中的質量分數為45% 80%,氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為5% 45%,將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中。所述熱解去除樹脂包括以下操作:將陶瓷坯體自室溫以15°C/h 30°C/h升溫至300°C 400°C，保溫0.5 2小時；接著以50°C /h 70°C /h升溫至600°C 700°C，保溫
0.5 2小時；再以100°C /h 150°C /h升溫至1000°C 1350°C，保溫I 2小時；隨爐
冷卻至室溫。所述的陶 瓷坯體上涂覆多層功能材料，由內向外所用材料顆粒的目數由220目 80目逐漸減小。所述的陶瓷坯體上功能材料的涂覆包括:首先，在陶瓷鑄型表面涂覆硅溶膠，然后采用180目 220目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第一層梯度功能材料，然后干燥；其次，在第一層涂覆層上，繼續涂覆硅溶膠，采用130目 150目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第二層梯度功能材料，然后干燥；其三，在第二層涂覆層上，繼續涂覆硅溶膠，然后采用80目 100目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第三層梯度功能材料，然后干燥；所述的干燥采用風干或者氨干,每層涂覆層的厚度均為0.5mm Imm,涂覆至型殼厚度達到6 9_。將型芯和型殼一體化的陶瓷鑄型燒結后，型芯高溫強度在8MPa 16MPa，型殼高溫強度在IOMPa 20MPa。與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果:本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，該方法首先采用光固化成形技術制造出樹脂負型，該負型包含復雜內腔和外形結構；然后將陶瓷顆粒、有機物和去離子水均勻混合制備成陶瓷漿料，在真空注型過程中通過真空度調節漿料流動性，同時，采用機械振動方法保證陶瓷漿料充滿整個樹脂負型，實現陶瓷型芯和型殼坯體一體化成形；最后，對陶瓷坯體進行冷凍、真空干燥、脫脂和高溫燒結，制造出高性能一體化陶瓷鑄型。由于定向凝固過程型芯型殼強度通常要求不同，其中，陶瓷型芯需要較高的高溫強度，以避免高溫金屬液浸泡中發生斷裂，而型殼需要較好的透氣性、退讓性以及一定的高溫強度，所以根據需求，在型殼外部依次涂覆較大粒度的陶瓷漿料，形成功能梯度材料，以滿足通氣性、退讓性和強度等技術要求，通過上述方法，可以保證一體化型芯型殼之間的位置精度；通過涂覆陶瓷漿料可以保證型殼的透氣性、退讓性和合適的高溫強度，該陶瓷鑄型尤其適用于薄壁、精細結構、復雜內腔定向晶、單晶鑄件的制造，可以極大提聞精密鑄件的合格率。本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，采用同一種材料制造陶瓷型芯、型殼，二者有相同膨脹收縮系數，有利于保證鑄件的尺寸精度；型芯和型殼在成形過程自然成為一體，保證了它們之間有很高的位置精度，極大地提高薄壁、復雜內腔、對鑄型強度要求較高的定向晶、單晶鑄件的合格率。本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，通過冷凍過程中樹脂負型的腐蝕去除，致使陶瓷鑄型內部固態冰快速升華，可以減小干燥過程陶瓷坯體的應力集中，避免裂紋。本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，由于陶瓷漿料有良好的流動性和充型能力，所以可以大大縮短型殼制備時間，復型性好，克服了傳統的熔模鑄造制殼過程中無法復制深溝、凹槽等細節特征的缺點。本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，所生產的鑄件屬于薄壁結構件，具有復雜的內腔結構，能夠構成冷卻通道。在型殼外部依次涂覆較大粒度的陶瓷漿料，形成梯度功能材料，以滿足通氣性、退讓性和強度等技術要求。
具體實施方式
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下面結合具體的實施例對本發明做進一步的詳細說明，所述是對本發明的解釋而不是限定。本發明提供的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，下面具有以空心渦輪葉片梯度功能材料非等強為例具體來說明。該方法先采用光固化成形技術制造空心渦輪葉片的樹脂負型，該負型包含復雜內腔和外形結構；然后將陶瓷顆粒、有機物和去離子水均勻混合制備成陶瓷漿料，在真空注型過程中通過真空度調節漿料流動性，同時，采用機械振動方法保證陶瓷漿料充滿整個樹脂負型，實現陶瓷型芯和型殼坯體一體化成形；最后，對陶瓷坯體進行冷凍、真空干燥、脫脂和高溫燒結，制造出高性能一體化陶瓷鑄型。由于定向凝固過程型芯型殼強度通常要求不同，其中，陶瓷型芯需要較高的高溫強度，以避免高溫金屬液浸泡中發生斷裂，而型殼需要較好的透氣性、退讓性以及一定的高溫強度，所以根據需求，在型殼外部依次涂覆較大粒度的陶瓷漿料，形成梯度功能材料，以滿足通氣性、退讓性和強度等技術要求。通過上述方法，可以保證一體化型芯型殼之間的位置精度，通過冷凍過程中樹脂負型的腐蝕去除，致使陶瓷鑄型內部固態冰快速升華，可以減小干燥過程陶瓷坯體的應力集中，避免裂紋；通過涂覆陶瓷漿料可以保證型殼的透氣性、退讓性和合適的高溫強度，該陶瓷鑄型尤其適用于薄壁、精細結構、復雜內腔定向晶、單晶鑄件的制造，可以極大提高精密鑄件的合格率。具體包括以下幾個方面 的操作:制備一套樹脂負型，樹脂負型上設計有用于保證陶瓷型殼壁厚均勻的部分，陶瓷鑄型上設計有澆鑄高溫金屬的澆口和冒口。將陶瓷漿料在一定真空度下注入樹脂負型中，真空度值在-0.05MPa -0.09MPa范圍內。經固化成形、冷凍、真空干燥、脫脂、高溫燒結，獲得一體化的陶瓷型芯、型殼，為具有薄壁、精細結構、復雜內腔定向晶、單晶鑄件的制造提供鑄型。型芯和型殼成型時一體形成陶瓷鑄型，通過脫脂的方法將氧化物一定程度地燒結成形，使陶瓷型芯、型殼具有一定的強度。脫脂過后，陶瓷型芯、型殼具有一定的強度，為了滿足對型殼強度要求較高的鑄件的制造，待脫脂過后的陶瓷冷卻至室溫后，再對型殼外部進行涂覆，形成梯度功能材料，待涂覆層完全干燥后，得到型芯和型殼一體化的陶瓷鑄型。在一體化的陶瓷鑄型使用時的燒結時，則燒結過程中透氣性良好，避免了型殼的開裂。利用激光快速固化光敏樹脂制造樹脂負型，該樹脂具有可腐蝕性，可以通過化學方法基本除去。本發明通過在冷凍過程中用腐蝕液腐蝕的方法基本去除樹脂負型，樹脂殘留量不超過1/3。此方法基本保證了在真空干燥過程中固態冰快速升華，可以減小干燥過程中快速升華陶瓷坯體的應力集中，避免坯體出現裂紋。陶瓷漿料是由去離子水、有機物和陶瓷顆粒均勻混合而成，其中，陶瓷顆粒占漿料的質量比為78% 83%，余量為有機物和去離子水溶液；其中氧化鋁顆粒所占陶瓷顆粒質量比為89% 94.5%，礦化劑為微米氧化鎂、納米氧化釔和氧化鈦等，各部分所占陶瓷顆粒質量比為2% 4%、3% 6%和0.5% 0.7% ;有機物(由丙烯酰胺單體和N，N' —亞甲基二丙烯酰胺組成(組分質量比為20 24:1))在去離子水中濃度為10% 20%，漿料具有良好的流動性和充型能力。1.樹脂負型的制備在本發明中采用光固化快速成形技術準備樹脂負型，其基本過程是首先利用商用CAD系統對準備制造的燃氣輪發動機葉片進行三維實體造型設計，再由計算機切片軟件將三維CAD模型切割成若干薄層平面圖形數據。光固化快速成形開始時，升降臺通常下降到距液面不到0.1mm(約十分之幾毫米，相當于CAD模型最下一層切片的厚度)處，隨后χ-y激光掃描器根據第一層(即最下一層)切片的平面圖形數據對液面掃描，液面這一層被激光照射到的那部分液態樹脂由于光聚合作用而固化在升降臺上。接著升降裝置又帶動升降臺使其下降相當于第二層切片厚度的高度，x-y激光掃描器再按照第二層切片的平面圖形數據對液面掃描，使新一層液態樹脂固化并緊緊粘在前一層已固化的樹脂上，如此重復進行直至整個樹脂負型制作完成。由于光聚合反應是基于光的作用而不是基于熱的作用，故在工作時只需功率較低的激光源。此外，因為沒有熱擴散，加上鏈式反應能夠很好地控制，能保證聚合反應不發生在激光點之外，因而樹脂負型加工精度高，表面質量好，能制造形狀復雜、精細的零件，生產效率高。2.陶瓷漿料陶瓷漿料的主要組成是氧化鋁陶瓷顆粒、礦化劑、有機物和去離子水。氧化鋁陶瓷顆粒粒徑為40_60um和2_5um,體積比為60:40 64:36,礦化劑為30um 40um氧化鎂,氧化鈦，IOnm 20nm氧化釔，100毫升的去離子水配置570g 600g陶瓷漿料，有機物在去離子水中濃度為10% 20%。配置好的陶瓷漿料具有高固相(質量分數大于50%)和低粘度(其粘度小于IPa.S)，良好的流動性和充型能力為陶瓷漿料填充復雜的內腔提供了保證。在本發明中通過精確控制真空度以保證陶瓷漿料充滿整個葉片內腔，邊注漿邊振動以實現陶瓷型芯和型殼的一體化。3.真空冷凍干燥通過加入催化劑引發劑的方式使陶瓷漿料固化后，接下來的工藝是去除陶瓷漿料中水分。脫水是否均勻，直 接影響到后續脫脂或燒結過程中，陶瓷型芯、型殼是否開裂、破損。本發明中本發明中采取真空冷凍干燥的方式進行干燥，真空度在20Pa lOOPa，干燥室溫度15°C 30°C。在冷凍過程中通過腐蝕基本去除樹脂負型(樹脂負型殘留量不超過1/3)，冷凍溫度0°C _5°C，冷凍時間I 4小時，腐蝕完成后，繼續在-30 _60°C環境冷凍I 3小時，待水分完全凝結成冰晶之后把物品放在真空箱里進行干燥，冰直接升華為水蒸氣，真空干燥時間根據樣品大小持續時間不同。由于在冷凍階段基本去除了樹脂負型，干燥升華效率大為提高，同時可以減小陶瓷坯體的應力集中，避免了開裂。4.脫脂本發明中脫脂是指通過熱解的方法除去陶瓷漿料中有機物和殘留樹脂負型。由于陶瓷漿料中有機物含量較少，僅占陶瓷漿料重量的2% 5%，比較容易去除。為了脫脂完全，使型芯型殼在燒結前有一定的強度，采取先慢后快的加熱方式。其具體工藝如下，加熱設備為箱式電阻加熱爐，室溫入爐以15°C /h 30°C /h升溫至300°C 400°C，保溫I小時；接著以50°C /h 70°C /h升溫至600°C 700°C，保溫I小時；再以100°C /h 150°C /h升溫至1000°C 1350°C，保溫I 2小時；隨爐冷卻至室溫。5.梯度功能材料制備由于后續澆注時高溫金屬對型芯、型殼產生熱沖擊，因此要適度強化陶瓷型芯、型殼，使其具有較高的高溫強度。本發明中通過高溫燒結陶瓷顆粒，型芯高溫強度可達8MPa 16MPa，型殼高溫強度可達IOMPa 20MPa ；為了保證型殼強度滿足定向晶或者單晶凝固要求，可在型殼外部涂覆高嶺土、電熔剛玉粉、或者鋯英砂，由內向外所用顆粒的目數逐漸減小，220目 80目不等。首先，在陶瓷鑄型表面涂覆硅溶膠等，然后采用180目 220目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第一層梯度功能材料，然后干燥；其次，在第一層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠等，采用130目 150目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第二層梯度功能材料，然后干燥；最后，在第二層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠等，然后80目 100目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第三層梯度功能材料，然后干燥。每層厚度均為約0.5mm 1_ ;直至型殼厚度達到6_9_。實施例11、配制漿料( I)預混液配置按有機物:去尚子水=10:100 (質量比)，分散劑:去尚子水=3:100 (質量比)配置預混液，按氨水:去離子水=3:100 (體積比)加入濃度為27%的氨水。其中有機物:丙烯酰胺單體(AM):N，N’ -亞甲基二丙烯酰胺(MBAM) =24:1 (質量比);分散劑:30%濃度的聚丙烯酸鈉。(2)加入陶瓷顆粒并球磨按陶瓷顆粒(氧化鋁陶瓷基料+礦化劑):去離子水=60:40 (體積比)秤取陶瓷粉末,并加入預混液進行球磨,360r/min,時間lh。陶瓷顆粒中,其中陶瓷基料40微米氧化招60%wt, 2微米氧化招32%wt,礦化劑為40微米氧化鎂2.3%wt、氧化鈦0.7%wt、20納米氧化宇乙5%wt ο
2、真空澆注在漿料中按催化劑:預混液=0.2:100、引發劑:預混液=1:100分別加入催化劑、引發劑，迅速攪拌均勻后，在真空(真空度:-0.09MPa)振動(頻率:30Hz)環境下澆注到負型中。其中，催化劑:四甲基乙二胺(TEMED)，濃度為25%;引發劑:過硫酸銨(APS)，濃度為30%wto3、冷凍腐蝕待陶瓷鑄型完全固化后(約2min 5min)，將陶瓷鑄型放在盛有化學腐蝕液的容器內，在-5°C冰箱里冷凍腐蝕，持續時間約為I 4個小時；之后放在-30 -60°C冷凍室冷凍I 3小時，以使游離態液相水完全變成固態冰。所用的化學腐蝕液為:氫氧化鉀與乙醇溶液的混合，其中溶劑為乙醇和水的混合溶液，乙醇在溶劑中的質量分數為45% 80%，氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為5% 35%，將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中4、真空干燥待樹脂負型基本腐蝕去除后，將陶瓷鑄型置于真空干燥機干燥室內進行真空干燥30h 48h。干燥工藝參數:真空度IOPa 200Pa，干燥室窗口 0.7*0.7m2，四周環繞鋁質加熱板，加熱板溫度20°C 50°C。5、脫脂采用熱解法去除有機物和殘留樹脂負型，加熱設備為箱式電阻加熱爐。脫脂工藝:室溫入爐以15°C /h升溫至300°C，保溫I小時；然后以50°C /h升溫至600°C，保溫I小時；再以100°C /h升溫至1350°C，保溫2小時；隨爐冷卻至室溫。6、梯度功能材料制備將脫脂冷卻后的陶瓷鑄型型殼外部涂覆陶瓷材料。首先，在陶瓷鑄型表面涂覆硅溶膠，然后采用180目 220目高嶺土制備第一層梯度功能材料，然后干燥；其次，在第一層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠，采用130目 150目高嶺土制備第二層梯度功能材料，然后干燥；最后，在第二層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠，然后80目 100目高嶺土制備第三層梯度功能材料，然后干燥。每層厚度均為約0.5mm 1_ ;然后反復進行，直至型殼厚度增至6 9mm。若有需要則還可以在第三層的基礎之上再進行下一層的涂覆。實施例21、配制漿料( I)預混液配置按有機物:去離子水=20:100 (質量比)，分散劑:去離子水=2.5:100 (質量比)配置預混液，按氨水:去離子水=3:100 (體積比)加入濃度為27%的氨水。其中有機物:丙烯酰胺單體(AM):N，N’ -亞甲基二丙烯酰胺(MBAM) =24:1 (質量比);分散劑:30%濃度的聚丙烯酸鈉。(2)加入陶瓷顆粒并球磨按陶瓷顆粒(氧化鋁陶瓷基料+礦化劑):去離子水=55:45 (體積比)秤取陶瓷粉末,并加入預混液進行球磨,360r/min,時間lh。陶瓷顆粒中,其中陶瓷基料40微米氧化招64%wt, 5微米氧化招32.5%wt,礦化劑為40微米氧化鎂4%wt、30納米氧化娃0.5%wt。2、真空澆注在漿料中按催化劑:預混液=0.2:100、引發劑:預混液=1:100分別加入催化劑、引發劑，迅速攪拌均勻后，在真空(真空度:-0.0SMPa)振動(頻率:50Hz)環境下澆注到負型中。其中，催化劑:四甲基乙二胺(TEMED)，濃度為25%;引發劑:過硫酸銨(APS)，濃度為30%wto3、冷凍腐蝕待陶瓷鑄型完全固化后(約2min 5min)，將陶瓷鑄型放在盛有化學腐蝕液的容器內，在-5°C冰箱里冷凍腐蝕，持續時間約為I 4個小時；之后放在-30 -60°C冷凍室冷凍I 3小時。所用的化學腐蝕液為:氫氧化鉀與乙醇溶液的混合，其中溶劑為乙醇和水的混合溶液，乙醇在溶劑中的質量分數為45%，氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為10%，將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中而得到；4、真空干燥
待樹脂負型基本腐蝕去除后，將陶瓷鑄型置于真空干燥機干燥室內進行真空干燥30h 48h。干燥工藝參數:真空度IOPa 200Pa，干燥室窗口 0.7*0.7m2，四周環繞鋁質加熱板，加熱板溫度25°C 45 °C。5、脫脂采用熱解法去除有機物和殘留樹脂負型，加熱設備為箱式電阻加熱爐。脫脂工藝:室溫入爐以20°C /h升溫至300°C，保溫I小時；然后以50°C /h升溫至600°C，保溫I小時；再以100°C /h升溫至1250°C，保溫2小時；隨爐冷卻至室溫。6.真空浸潰將預燒后具有一定室溫強度的陶瓷鑄型浸入硅溶膠中，進行真空浸潰，真空度約為1200Pa，浸潰時間為lOmin。浸潰結束后對陶瓷鑄型重新進行真空冷凍干燥。7、梯度功能材料制備對陶瓷鑄型型殼外部涂覆陶瓷材料，首先，在陶瓷鑄型表面涂覆硅溶膠，然后采用180目 220目高嶺土制備第一層梯度功能材料，然后干燥；其次，在第一層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠，采用130目 150目高嶺土制備第二層梯度功能材料，然后干燥；最后，在第二層基礎之上，繼續涂覆硅溶膠，然后80目 100目高嶺土制備第三層梯度功能材料，然后干燥。每層厚度均為約0.5mm 1mm ;然后反復進行,直至型殼厚度增至6 9_。若有需要則還可以在第三層的基礎之上·再進行下一層的涂覆。
權利要求
1.一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)采用光固化成形方法制備陶瓷鑄型的樹脂負型，該樹脂負型包含其內腔結構和外形結構； 2)將陶瓷顆粒、有機物和去離子水均勻混合制備成陶瓷漿料，添加催化劑、引發劑，迅速攪拌均勻后，在真空條件下將陶瓷漿料注入到樹脂負型中，使陶瓷漿料充滿整個樹脂負型，待陶瓷漿料固化后得到型芯和型殼一體化的陶瓷坯體； 3)在冷凍條件下通過化學腐蝕去除陶瓷坯體中的部分樹脂負型，其中冷凍溫度為(TC -5°C，冷凍時間I 4小時；腐蝕完成后，繼續在-30°C -60°C環境下冷凍I 3小時，待水分完全凝結成冰晶之后于真空度20 lOOPa、溫度15°C 30°C下將冰晶升華為水蒸氣后去除，然后再通過熱解的方法除去陶瓷坯體中剩余的樹脂負型； 4)在除去樹脂負型的陶瓷坯體上，在型殼外部涂覆粘結劑后再涂覆石英砂、剛玉砂或鋯英砂顆粒，反復涂覆多層，其中由內向外所用顆粒的目數逐漸減小，形成梯度功能材料；待涂覆層完全干燥后，得到型芯和型殼一體化的陶瓷鑄型。
2.如權利要求1所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，采用光固化成形方法制備陶瓷鑄型的樹脂負型，包括以下操作: 對陶瓷鑄型進行三維實體造型設計，并在陶瓷鑄型上設計澆鑄用的澆口和冒口；再將三維實體造型割成薄層平面圖形數據，導入到光固化快速成形機中；在光固化快速成形開始時，激光逐層按照薄層平面圖形數據對光敏樹脂液面掃描，直至整個樹脂負型制作完成。
3.如權利要求1所 述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述的陶瓷漿料的制備為: 按有機物:去尚子水=10 20:100的質量比,分散劑:去尚子水=3 8:100的質量比配置預混液，并按氨水:去離子水=3 10:100的體積比加入質量濃度為27%的氨水； 按(氧化鋁陶瓷基料+礦化劑):去離子水=60:40 40:60的體積比將陶瓷顆粒加入到預混液，充分進行球磨，得到陶瓷漿料；陶瓷顆粒包括陶瓷基料和礦化劑，以質量份數計，陶瓷基料為89% 94.5%，礦化劑為微米氧化鎂、納米氧化釔和氧化鈦，其所占質量比分別為2% 4%、3% 6% 和 0.5% L 0%。
4.如權利要求3所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述的有機物是按照丙烯酰胺:N，N’ -亞甲基二丙烯酰胺=20 25:1的質量比的混合；分散劑為質量濃度為30%的聚丙烯酸鈉； 所述的陶瓷基料為40微米的氧化鋁:2微米的氧化鋁按照I 2:0.6 I的質量比的混合。
5.如權利要求3所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，按催化劑:預混液=0.1 0.3:100的質量比、引發劑:預混液=1 3:100的質量比分別加入催化劑、引發劑，迅速攪拌均勻后，在真空度為-0.05 -0.09MPa、振動頻率30 50Hz環境下澆注到樹脂負型中；催化劑為25%質量濃度的四甲基乙二胺溶液；引發劑為30%質量濃度的過硫酸銨。
6.如權利要求1所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述的化學腐蝕是將陶瓷坯體放置在化學腐蝕液中于冷凍條件下腐蝕，所用的化學腐蝕液為: 氫氧化鉀與乙醇溶液的混合，其中溶劑為乙醇和水的混合溶液，乙醇在溶劑中的質量分數為45% 80%,氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為5% 35%,將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中； 或者為:氫氧化鉀與甲醇溶液的混合，其中溶劑為甲醇與水的混合溶液，甲醇在溶劑中的質量分數為45% 80%，氫氧化鉀在化學腐蝕液中的質量分數為5% 45%，將氫氧化鉀緩慢加入溶劑中。
7.如權利要求1所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述熱解去除樹脂包括以下操作:將陶瓷坯體自室溫以15°C /h 30°C /h升溫至300°C 400°C，保溫0.5 2小時；接著以50°C /h 70°C /h升溫至600°C 700°C，保溫0.5 2小時；再以100°C /h 150°C /h升溫至1000°C 1350°C，保溫I 2小時；隨爐冷卻至室溫。
8.如權利要求1所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述的陶瓷坯體上涂覆多層功能材料，由內向外所用材料顆粒的目數由220目 80目逐漸減小。
9.如權利要求1或8所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，所述的陶瓷坯體上功能材料的涂覆包括: 首先，在陶瓷鑄型表面涂覆硅溶膠，然后采用180目 220目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第一層梯度功能材料，然后干燥； 其次，在第一層涂覆層上，繼續涂覆硅溶膠，采用130目 150目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第二層梯度功能材料，然后干燥； 其三，在第二層涂覆層上，繼續涂覆硅溶膠，然后采用80目 100目高嶺土、電熔剛玉粉或鋯英砂制備第三層梯度功能材料，然后干燥； 所述的干燥采用風干或者氨干，每層涂覆層的厚度均為0.5_ 1_，涂覆至型殼厚度達到6 9mm。
10.如權利要求1所述的梯度功能材料型芯和型殼一體化陶瓷鑄型的制備方法，其特征在于，將型芯和型殼一體化的陶瓷鑄型燒結后，型芯高溫強度在8MPa 16MPa，型殼高溫強度在IOMPa 20MPa。
全文摘要
本發明公開了一種梯度功能材料型芯型殼一體化陶瓷鑄型制造方法，該方法首先采用光固化成形技術制造出樹脂負型；然后將陶瓷顆粒、有機物和去離子水均勻混合制備成陶瓷漿料，在真空注型過程中通過真空度調節漿料流動性；最后，對陶瓷坯體進行冷凍、真空干燥、脫脂和高溫燒結，制造出高性能一體化陶瓷鑄型。本發明可以保證一體化型芯型殼之間的位置精度；通過冷凍過程中樹脂負型的腐蝕去除，致使陶瓷鑄型內部固態冰快速升華，可以減小干燥過程陶瓷坯體的應力集中，避免裂紋；通過涂覆陶瓷漿料可以保證型殼的透氣性、退讓性和合適的高溫強度。
文檔編號B29C67/00GK103223689SQ20131013245
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月16日 優先權日2013年4月16日
發明者魯中良, 李滌塵, 龐師坤, 李奕寧, 劉濤 申請人:西安交通大學, 西安瑞特快速制造工程研究有限公司