一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，該發(fā)明將陶瓷粉末表面覆膜酚醛樹脂，加入粘結(jié)劑輔助成型，并加入適量短纖維增韌，利用增材制造技術(shù)將零件堆積成型；該發(fā)明提出對陶瓷零件進(jìn)行滲硅或浸漬處理，并通過化學(xué)氣相滲透技術(shù)填充零件內(nèi)部孔隙，提高致密度。該發(fā)明適用于燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，可極大地提高制造效率與成功率，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。
【專利說明】一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法
【【技術(shù)領(lǐng)域】】
[0001]本發(fā)明屬于快速鑄造領(lǐng)域，特別涉及一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法。
【【背景技術(shù)】】
[0002]隨著燃?xì)廨啓C(jī)冷卻系統(tǒng)不斷復(fù)雜化，其制造加工難度不斷加大，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式已經(jīng)很難滿足其加工要求。新型、有效的制造方法的開發(fā)研宄成為該領(lǐng)域科研工作者所追求的目標(biāo)。
[0003]目前國內(nèi)外主要采用熔模鑄造技術(shù)制備燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件:首先通過熱壓注等工藝制備出具有復(fù)雜形狀的陶瓷型芯；然后制造出金屬模具，將陶瓷型芯裝配在金屬模具中，用蠟將金屬模具和陶瓷型芯之間的間隙填充后將金屬模具去除，從而獲得具有內(nèi)部陶瓷型芯的蠟?zāi)?；最后，將蠟?zāi)＿M(jìn)行多次掛漿、干燥等工藝操作，制得一定厚度的型殼；在爐中將蠟熔化流出或蒸發(fā)，將型芯型殼一起燒結(jié)，獲得陶瓷鑄型，最后澆注金屬獲得零件。這種方法工藝周期長、難度大、成本高，不利于新產(chǎn)品的開發(fā)，并且型芯型殼通過裝配結(jié)合在一起，會(huì)引入裝配誤差導(dǎo)致零件的偏芯、穿孔等缺陷。
[0004]激光燒結(jié)技術(shù)是一種較成熟的增材制造技術(shù)，其適用材料必須具有適度的導(dǎo)熱性，經(jīng)激光燒結(jié)后要有足夠的粘接強(qiáng)度。而陶瓷的燒結(jié)溫度很高，很難用激光直接燒結(jié)。
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【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，該方法利用增材制造技術(shù)將復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件直接加工成型，通過滲硅或浸漬處理、化學(xué)氣相滲透等工藝提高機(jī)械性能以滿足使用要求。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0007]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0008]I)、將表面覆膜的陶瓷粉末、短纖維、粘結(jié)劑在攪拌機(jī)中混合均勻得到混合均勻的陶瓷粉末混合物；
[0009]2)、通過激光燒結(jié)技術(shù)將混合均勻的陶瓷粉末混合物燒結(jié)成型，得到燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的陶瓷坯體；
[0010]3)、在真空環(huán)境下，將陶瓷坯體中覆膜材料熱解碳化；
[0011]4)、在真空環(huán)境下，對陶瓷坯體進(jìn)行高溫滲硅/浸漬；
[0012]5)、利用化學(xué)氣相滲透技術(shù)在陶瓷坯體內(nèi)部孔隙進(jìn)行滲透沉積碳化硅/氧化硅。
[0013]優(yōu)選的，步驟I)中，所述陶瓷粉末為碳化硅陶瓷粉末或氧化物陶瓷粉末；所述表面覆膜的陶瓷粉末占陶瓷粉末混合物總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%?85%。
[0014]優(yōu)選的，所述碳化硅陶瓷粉末的粒徑為2?45 μ m，氧化物陶瓷粉末的粒徑為10?80 μ m0
[0015]優(yōu)選的，步驟I)中采用氧化物陶瓷粉末時(shí)，所述陶瓷粉末混合物中還包括助燒劑，所述助燒劑占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5 %?1 %;所述助燒劑氧化硅、氧化鋯、氧化鎂中一種或多種的混合物。
[0016]優(yōu)選的，步驟I)中，所述短纖維的材質(zhì)與陶瓷粉末的材質(zhì)相同，短纖維占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?15%。
[0017]優(yōu)選的，所述粘結(jié)劑為固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯，粘結(jié)劑占陶瓷粉末混合物總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?15%。
[0018]優(yōu)選的，步驟2)中激光燒結(jié)的參數(shù)設(shè)置為:激光功率20W，鋪粉厚度0.1mm，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm，預(yù)熱溫度100°C。
[0019]優(yōu)選的，步驟3)具體包括以下步驟:將陶瓷坯體放入加熱爐，在真空環(huán)境下，以3 0C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至320 °C，保溫2h，然后以2?3°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，覆膜在陶瓷粉末表面的酚醛樹脂分解。
[0020]優(yōu)選的，步驟I)中采用碳化硅陶瓷粉末時(shí)，步驟4)中采用高溫滲硅工藝；步驟4)中高溫滲硅的具體工藝為:首先將陶瓷葉片埋入硅粉中，在真空環(huán)境下經(jīng)3?5h將溫度升至1410°C，然后經(jīng)0.5h?2h將溫度升至1550°C，保溫0.5h，完成滲硅工藝，最后將溫度升至1600°C，保溫lh，完成排硅工藝。
[0021]優(yōu)選的，步驟I)中采用氧化物陶瓷粉末時(shí)，步驟4)中采用浸漬工藝；步驟4)中浸漬的具體工藝為:對于氧化物陶瓷葉片，進(jìn)行真空熱浸漬處理，浸漬壓強(qiáng)為0.02?0.04MPa，浸漬溫度為30?100°C，浸漬至浸漬液中不再產(chǎn)生氣泡，然后在真空條件下以10C /min的升溫速率升溫至1600°C進(jìn)行裂解處理。
[0022]優(yōu)選的，步驟5)中化學(xué)氣相滲透的具體工藝為:以甲基三氯硅烷為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，沉積溫度10500C ,氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min，氬氣流量350ml/min，氫氣流量與甲基三氯硅烷流量的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h ；
[0023]或者，步驟5)中化學(xué)氣相滲透的具體工藝為:以正硅酸乙酯為氣源物質(zhì)，正硅酸乙酯水浴恒溫65°C，氬氣為稀釋氣體，氧氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積氧化硅，沉積溫度680°C，氣氛壓力lkPa，氧氣流量15ml/min，氬氣流量350ml/min，沉積時(shí)間60h ;沉積完成后通過1400°C后處理使氧化硅與氧化物陶瓷顆粒完全反應(yīng)生成莫來石，提高陶瓷葉片力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。
[0024]優(yōu)選的，所述氧化物陶瓷粉末為氧化鋁陶瓷粉末或氧化鋯陶瓷粉末。
[0025]優(yōu)選的，所述短纖維為長度為1_的碳化硅纖維或氧化鋁纖維。
[0026]優(yōu)選的，步驟I)中采用氧化物陶瓷粉末時(shí)，步驟4)中采用浸漬工藝；步驟4)中浸漬的具體工藝為:對于氧化物陶瓷葉片進(jìn)行真空復(fù)合浸漬，在抽真空的條件下使復(fù)合浸漬液一一有機(jī)聚鋯和聚碳硅烷的二甲苯溶液浸入陶瓷葉片孔隙中，其中，有機(jī)聚鋯和聚碳硅烷質(zhì)量比為2:1，浸漬壓強(qiáng)為0.02MPa，復(fù)合浸漬液的溫度為80°C，浸漬時(shí)間為30min ;浸漬后的陶瓷葉片放入烘干機(jī)中烘干24h，烘干溫度50°C ;最后將陶瓷葉片放入高溫石墨電阻爐，真空環(huán)境下以10°C /min的升溫速率升溫至1600°C進(jìn)行裂解處理。
[0027]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0028]本發(fā)明利用激光燒結(jié)技術(shù)不受成型件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度限制的特點(diǎn)，將燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件直接加工成型，極大地提高了成型效率，避免了傳統(tǒng)制件鑄型制造過程中型芯、型殼裝配誤差和型芯易變形、斷裂的缺陷。
[0029]陶瓷粉末本身燒結(jié)溫度高，在激光燒結(jié)過程中很難燒結(jié)成型，本發(fā)明采用陶瓷粉末表面覆膜酚醛樹脂的方法，在激光的作用下，利用低熔點(diǎn)的酚醛樹脂將陶瓷粉末粘結(jié)成型，保證了激光燒結(jié)陶瓷的可行性。短纖維的加入提高了陶瓷零件的韌性，通過纖維橋聯(lián)作用，降低了區(qū)域應(yīng)力集中，減小了裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，提高了基體抗力。同時(shí)，陶瓷配方中添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，PMMA質(zhì)地優(yōu)異，性能穩(wěn)定、耐沖擊性強(qiáng)，燒失后可實(shí)現(xiàn)造孔功能，為后續(xù)滲硅或浸漬作準(zhǔn)備。
[0030]為提高陶瓷零件力學(xué)性能，本發(fā)明利用反應(yīng)熔滲法，在真空、高溫條件下，對陶瓷零件進(jìn)行熔融滲硅處理，原位反應(yīng)生成碳化硅結(jié)合陶瓷基體，提高了陶瓷零件的機(jī)械性能；或者通過真空浸漬后處理填充陶瓷零件孔隙，使其致密化，并提高陶瓷零件的強(qiáng)度。
[0031]為提高致密度，對陶瓷零件進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，實(shí)現(xiàn)陶瓷零件的致密化。
[0032]本發(fā)明將難熔的陶瓷粒子包覆上高分子粘結(jié)劑，應(yīng)用到激光燒結(jié)設(shè)備上，激光熔化粘結(jié)劑以燒結(jié)各層陶瓷粉末，從而制備出陶瓷生坯，通過粘結(jié)劑燒失、滲硅或浸漬、化學(xué)氣相滲透致密化等后處理，得到最終的陶瓷零件。該方法可成型復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷件，通過工藝優(yōu)化、強(qiáng)化處理可使陶瓷件滿足使用要求。
[0033]傳統(tǒng)熔模鑄造方法需預(yù)先制備型芯型殼，然后進(jìn)行金屬澆注，工藝復(fù)雜，且型芯易變形、斷裂，失敗率高。本發(fā)明利用激光燒結(jié)技術(shù)不受成型件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度限制的特點(diǎn)，無需支撐，將燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件一次加工成型，能有效消除傳統(tǒng)熔模鑄造型芯、型殼裝配過程中產(chǎn)生的誤差；本發(fā)明利用激光燒結(jié)成型技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的直接成型，制造工藝簡單，成型速度快，效率可得到極大提高。
【【具體實(shí)施方式】】
[0034]本發(fā)明一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0035]I)、將表面覆膜的陶瓷粉末、短纖維、粘結(jié)劑在攪拌機(jī)中混合均勻得到混合均勻的陶瓷粉末混合物；
[0036]2)、通過激光燒結(jié)技術(shù)將混合均勻的陶瓷粉末混合物燒結(jié)成型，得到燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的陶瓷坯體；
[0037]3)、在真空環(huán)境下，將陶瓷坯體中覆膜材料熱解碳化；
[0038]4)、在真空環(huán)境下，對陶瓷坯體進(jìn)行高溫滲硅/浸漬；
[0039]5)、利用化學(xué)氣相滲透技術(shù)在陶瓷坯體內(nèi)部孔隙進(jìn)行滲透沉積碳化硅/氧化硅。
[0040]實(shí)施例1:
[0041]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0042]I)、陶瓷粉末的準(zhǔn)備
[0043]陶瓷粉末基體材料為表面包覆有酚醛樹脂的碳化硅粉末，粒徑為2?45 μ m，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%。添加Imm短碳化硅纖維改善葉片的韌性，占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。為保證激光燒結(jié)成型后以及脫脂過程中陶瓷葉片的強(qiáng)度，添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。將上述稱量好的粉末放入球磨機(jī)中混合均勾得到陶瓷粉末混合物，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min，球磨時(shí)間Ih。
[0044]2)、激光燒結(jié)成型
[0045]將混合均勻的陶瓷粉末混合物在激光燒結(jié)設(shè)備上沿三維模型成型的高度方向?qū)訉永奂映尚?，成型完成后清粉處理制得陶瓷坯體。層層累加成型的參數(shù)設(shè)置如下:激光功率20W，鋪粉厚度0.1mm，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm，預(yù)熱溫度100°C。
[0046]3)、脫脂
[0047]將清粉處理后的陶瓷坯體加熱到一定溫度進(jìn)行脫脂，通過熱解的方式將碳化硅粉末表面所包覆的酚醛樹脂碳化。脫脂工藝如下:將陶瓷坯體放入電阻式加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至320°C，保溫2h，然后以2?3°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，酚醛樹脂基本分解完全，然后隨爐冷卻至室溫。
[0048]4)、滲硅
[0049]為提高陶瓷葉片的力學(xué)性能，對脫脂后的陶瓷葉片進(jìn)行強(qiáng)化處理。本發(fā)明中對陶瓷葉片進(jìn)行高溫滲硅:將陶瓷葉片埋入2.5倍于其質(zhì)量的硅粉中，在真空環(huán)境下，以6°C /min的升溫速率升至1410°C，隨后經(jīng)過Ih升溫至1550°C，保溫0.5h，液硅在毛細(xì)管力作用下自發(fā)滲入陶瓷葉片孔隙與微孔碳反應(yīng)制得實(shí)體碳化硅。微孔碳由酚醛樹脂經(jīng)熱解制得，其產(chǎn)物為無定形碳，滲硅后將溫度升至1600°C，保溫Ih進(jìn)行高溫排硅。
[0050]5)、化學(xué)氣相滲透
[0051]為提高致密度，對步驟4)處理后的陶瓷葉片進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理。以甲基三氯硅烷(MTS)為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。沉積溫度1050°C，氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min,氬氣流量350ml/min，氫氣與MTS的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h。
[0052]實(shí)施例2:
[0053]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0054]I)、陶瓷粉末的準(zhǔn)備
[0055]陶瓷粉末基體材料為表面包覆有酚醛樹脂的碳化硅粉末，粒徑為2?45 μ m，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%。添加Imm短碳化硅纖維改善葉片的韌性，占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。為保證激光燒結(jié)成型后以及脫脂過程中陶瓷葉片的強(qiáng)度，添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%。將上述稱量好的粉末放入球磨機(jī)中混合均勾得到陶瓷粉末混合物，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min，球磨時(shí)間Ih。
[0056]2)、激光燒結(jié)成型
[0057]將混合均勻的陶瓷粉末混合物在激光燒結(jié)設(shè)備上沿三維模型成型的高度方向?qū)訉永奂映尚停尚屯瓿珊笄宸厶幚碇频锰沾膳黧w。層層累加成型的參數(shù)設(shè)置如下:激光功率20W，鋪粉厚度0.1mm，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm，預(yù)熱溫度100°C。
[0058]3)、脫脂
[0059]將清粉處理后的陶瓷坯體加熱到一定溫度進(jìn)行脫脂，通過熱解的方式將碳化硅粉末表面所包覆的酚醛樹脂碳化。脫脂工藝如下:將陶瓷坯體放入電阻式加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至320°C，保溫2h，然后以2?3°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，酚醛樹脂基本分解完全，然后隨爐冷卻至室溫。
[0060]4)、滲硅
[0061]為提高陶瓷葉片的力學(xué)性能，對脫脂后的陶瓷葉片進(jìn)行強(qiáng)化處理。本發(fā)明中對陶瓷葉片進(jìn)行高溫滲硅:將陶瓷葉片埋入2.5倍于其質(zhì)量的硅粉中，在真空環(huán)境下，以6°C /min的升溫速率升至1410°C，隨后經(jīng)過Ih升溫至1550°C，保溫0.5h，液硅在毛細(xì)管力作用下自發(fā)滲入陶瓷葉片孔隙與微孔碳反應(yīng)制得實(shí)體碳化硅。微孔碳由酚醛樹脂經(jīng)熱解制得，其產(chǎn)物為無定形碳，滲硅后將溫度升至1600°C，保溫Ih進(jìn)行高溫排硅。
[0062]5)、化學(xué)氣相滲透
[0063]為提高致密度，對步驟4)處理后的陶瓷葉片進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理。以甲基三氯硅烷(MTS)為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。沉積溫度1050°C，氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min,氬氣流量350ml/min，氫氣與MTS的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h。
[0064]實(shí)施例3:
[0065]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0066]I)、陶瓷粉末的準(zhǔn)備
[0067]陶瓷粉末基體材料為表面包覆有酚醛樹脂的碳化硅粉末，粒徑為2?45 μ m，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%。添加Imm短碳化硅纖維改善葉片的韌性，占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。為保證激光燒結(jié)成型后以及脫脂過程中陶瓷葉片的強(qiáng)度，添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%。將上述稱量好的粉末放入球磨機(jī)中混合均勾得到陶瓷粉末混合物，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min，球磨時(shí)間Ih。
[0068]2)、激光燒結(jié)成型
[0069]將混合均勻的陶瓷粉末混合物在激光燒結(jié)設(shè)備上沿三維模型成型的高度方向?qū)訉永奂映尚?，成型完成后清粉處理制得陶瓷坯體。層層累加成型的參數(shù)設(shè)置如下:激光功率20W，鋪粉厚度0.1mm，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm，預(yù)熱溫度100°C。
[0070]3)、脫脂
[0071]將清粉處理后的陶瓷坯體加熱到一定溫度進(jìn)行脫脂，通過熱解的方式將碳化硅粉末表面所包覆的酚醛樹脂碳化。脫脂工藝如下:將陶瓷坯體放入電阻式加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至320°C，保溫2h，然后以2?3°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，酚醛樹脂基本分解完全，然后隨爐冷卻至室溫。
[0072]4)、滲硅
[0073]為提高陶瓷葉片的力學(xué)性能，對脫脂后的陶瓷葉片進(jìn)行強(qiáng)化處理。本發(fā)明中對陶瓷葉片進(jìn)行高溫滲硅:將陶瓷葉片埋入2.5倍于其質(zhì)量的硅粉中，在真空環(huán)境下，以6°C /min的升溫速率升至1410°C，隨后經(jīng)過Ih升溫至1550°C，保溫0.5h，液硅在毛細(xì)管力作用下自發(fā)滲入陶瓷葉片孔隙與微孔碳反應(yīng)制得實(shí)體碳化硅。微孔碳由酚醛樹脂經(jīng)熱解制得，其產(chǎn)物為無定形碳，滲硅后將溫度升至1600°C，保溫Ih進(jìn)行高溫排硅。
[0074]5)、化學(xué)氣相滲透
[0075]為提高致密度，對步驟4)處理后的陶瓷葉片進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理。以甲基三氯硅烷(MTS)為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。沉積溫度1050°C，氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min,氬氣流量350ml/min，氫氣與MTS的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h。
[0076]實(shí)施例4:
[0077]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟:
[0078]I)、陶瓷粉末的準(zhǔn)備
[0079]陶瓷粉末基體材料為表面包覆有酚醛樹脂的碳化硅粉末，粒徑為2?45 μ m，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%?85%。添加Imm短碳化硅纖維改善葉片的韌性，占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?15%。為保證激光燒結(jié)成型后以及脫脂過程中陶瓷葉片的強(qiáng)度，添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10?15%。將上述稱量好的粉末放入球磨機(jī)中混合均勻得到陶瓷粉末混合物，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min，球磨時(shí)間Ih。
[0080]2)、激光燒結(jié)成型
[0081]將混合均勻的陶瓷粉末混合物在激光燒結(jié)設(shè)備上沿三維模型成型的高度方向?qū)訉永奂映尚?，成型完成后清粉處理制得陶瓷坯體。層層累加型參數(shù)的設(shè)置如下:激光功率20W，鋪粉厚度0.1mm，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm，預(yù)熱溫度100°C。
[0082]3)、脫脂
[0083]將清粉處理后的陶瓷坯體加熱到一定溫度進(jìn)行脫脂，通過熱解的方式將碳化硅粉末表面所包覆的酚醛樹脂碳化。脫脂工藝如下:將陶瓷坯體放入電阻式加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至3200C，保溫2h，然后以2°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，酚醛樹脂基本分解完全，然后隨爐冷卻至室溫。
[0084]4)、浸漬
[0085]為提高陶瓷葉片的力學(xué)性能和致密性，對脫脂后的陶瓷葉片進(jìn)行浸漬處理。本發(fā)明中對陶瓷葉片進(jìn)行真空復(fù)合浸漬，在抽真空的條件下使復(fù)合浸漬液一一有機(jī)聚鋯(POZ)和聚碳硅烷(PCS)的二甲苯溶液浸入陶瓷葉片孔隙中，其中，POZ與PCS質(zhì)量比為2:1(復(fù)合浸漬液中POZ與PCS質(zhì)量之和占復(fù)合浸漬液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20-40% )，浸漬壓強(qiáng)為0.02MPa，為提高浸漬液流動(dòng)性和浸滲性，采取熱浸漬，加熱溫度為80°C，最小浸漬壓強(qiáng)和溫度必須保證浸漬液不沸騰，浸漬時(shí)間以浸漬液中不再產(chǎn)生氣泡為準(zhǔn)，浸漬時(shí)間為30min。將浸漬后的陶瓷葉片放入烘干機(jī)中烘干24h，烘干溫度50°C。最后將葉片放入高溫石墨電阻爐，真空環(huán)境下以10 °C /min的升溫速率升溫至1600 °C進(jìn)行裂解處理。
[0086]5)、化學(xué)氣相滲透
[0087]為提高致密度，對步驟4)處理后的陶瓷葉片進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理。以甲基三氯硅烷(MTS)為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。沉積溫度1050°C，氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min,氬氣流量350ml/min，氫氣與MTS的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h。
[0088]實(shí)施例5:
[0089]一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，包括以下步驟
[0090]I)、陶瓷粉末的準(zhǔn)備
[0091]陶瓷粉末基體材料為表面包覆有酚醛樹脂的氧化鋁粉末，粒徑為10?80 μπι，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%?85%。添加氧化硅、氧化鋯、氧化鎂作為助燒劑，助燒劑所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?10%。添加Imm短氧化鋁纖維改善葉片的韌性，占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?15%。為保證激光燒結(jié)成型后以及脫脂過程中陶瓷葉片的強(qiáng)度，添加固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作為粘結(jié)劑，所占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5?10%。將上述稱量好的粉末放入球磨機(jī)中混合均勻得到陶瓷粉末混合物，球磨機(jī)轉(zhuǎn)速120r/min，球磨時(shí)間Ih。
[0092]2)、激光燒結(jié)成型
[0093]將混合均勻的陶瓷粉末混合物在激光燒結(jié)設(shè)備上沿三維模型成型的高度方向?qū)訉永奂映尚停尚屯瓿珊笄宸厶幚碇频锰沾膳黧w。層層累加成型的參數(shù)設(shè)置如下:激光功率20W,鋪粉厚度0.05mm,激光掃描速度1500mm/s，掃描間距0.05mm,預(yù)熱溫度100°C。
[0094]3)、脫脂
[0095]將清粉處理后的陶瓷坯體加熱到一定溫度進(jìn)行脫脂，通過熱解的方式將碳化硅粉末表面所包覆的酚醛樹脂碳化。脫脂工藝如下:將陶瓷坯體放入電阻式加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至3200C，保溫2h，然后以2°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，酚醛樹脂基本分解完全，然后隨爐冷卻至室溫。
[0096]4)、浸漬
[0097]為提高陶瓷葉片的力學(xué)性能和致密性，對脫脂后的陶瓷葉片進(jìn)行浸漬處理。本發(fā)明中對陶瓷葉片進(jìn)行真空浸漬，在抽真空的條件下使浸漬液一一硅溶膠浸入陶瓷葉片孔隙中，浸漬壓強(qiáng)為0.01?0.03MPa，最小浸漬壓強(qiáng)必須保證浸漬液不沸騰；為提高浸漬液流動(dòng)性和浸滲性，采取熱浸漬，加熱溫度為80°C，最小浸漬壓強(qiáng)和溫度必須保證浸漬液不沸騰，浸漬時(shí)間為30?45min。將浸漬后的陶瓷葉片放入烘干機(jī)中烘干24h，烘干溫度40°C。最后將葉片放入高溫石墨電阻爐，真空環(huán)境下以10°C /min升溫至1500°C進(jìn)行裂解處理。
[0098]5)、化學(xué)氣相滲透
[0099]為提高致密度，對步驟4)處理后的陶瓷葉片進(jìn)行化學(xué)氣相滲透處理。以正硅酸乙酯(TEOS)為氣源物質(zhì)，TEOS水浴恒溫65°C，氬氣為稀釋氣體，氧氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積氧化硅，并通過1400°C后處理使氧化硅與氧化鋁完全反應(yīng)生成莫來石，提高力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。沉積溫度680°C，氣氛壓力lkPa，氧氣流量15ml/min,氬氣流量350ml/min,沉積時(shí)間60h。
[0100]本發(fā)明通過對陶瓷粉末表面涂覆酚醛樹脂，提供碳源并增強(qiáng)了粉末粘結(jié)性，PMMA在實(shí)現(xiàn)粘結(jié)劑功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了造孔功能，短纖維的加入不僅有助于燒結(jié)，還提高了制件的韌性，然后通過激光燒結(jié)成型，通過滲硅或浸漬進(jìn)行強(qiáng)化處理，通過化學(xué)氣相滲透進(jìn)行致密化處理，獲得所需部件。該發(fā)明克服了傳統(tǒng)熔模鑄造方法制造型芯易變形、斷裂、失敗率高的缺陷，提高了成型效率，致密性良好，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠滿足使用要求。
【權(quán)利要求】
1.一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)、將表面覆膜的陶瓷粉末、短纖維、粘結(jié)劑在攪拌機(jī)中混合均勻得到混合均勻的陶瓷粉末混合物； 2)、通過激光燒結(jié)技術(shù)將混合均勻的陶瓷粉末混合物燒結(jié)成型，得到燃?xì)廨啓C(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的陶瓷坯體； 3)、在真空環(huán)境下，將陶瓷坯體中覆膜材料熱解碳化； 4)、在真空環(huán)境下，對陶瓷坯體進(jìn)行高溫滲硅/浸漬； 5)、利用化學(xué)氣相滲透技術(shù)在陶瓷坯體內(nèi)部孔隙進(jìn)行滲透沉積碳化硅/氧化硅。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟I)中，所述陶瓷粉末為碳化硅陶瓷粉末或氧化物陶瓷粉末；所述表面覆膜的陶瓷粉末占陶瓷粉末混合物總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%?85%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟I)中采用氧化物陶瓷粉末時(shí)，所述陶瓷粉末混合物中還包括助燒劑，所述助燒劑占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?10% ;所述助燒劑氧化硅、氧化鋯、氧化鎂中一種或多種的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟I)中，所述短纖維的材質(zhì)與陶瓷粉末的材質(zhì)相同，短纖維占陶瓷粉末混合物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%?15%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，所述粘結(jié)劑為固態(tài)顆粒聚甲基丙烯酸甲酯，粘結(jié)劑占陶瓷粉末混合物總質(zhì)量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%?15%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟2)中激光燒結(jié)的參數(shù)設(shè)置為:激光功率20W，鋪粉厚度0.1_，激光掃描速度2000mm/s，掃描間距0.1mm,預(yù)熱溫度100°C。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟3)具體包括以下步驟:將陶瓷坯體放入加熱爐，在真空環(huán)境下，以3°C /min的升溫速率升溫至240°C，保溫2h ;隨后以1°C /min的升溫速率升溫至320°C，保溫2h，然后以2?3°C /min的升溫速率升溫至800°C，保溫2h，在此溫度下，覆膜在陶瓷粉末表面的酚醛樹脂分解。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟I)中采用碳化硅陶瓷粉末時(shí)，步驟4)中采用高溫滲硅工藝；步驟4)中高溫滲硅的具體工藝為:首先將陶瓷葉片埋入硅粉中，在真空環(huán)境下經(jīng)3?5h將溫度升至1410°C，然后經(jīng)0.5h?2h將溫度升至1550°C，保溫0.5h，完成滲硅工藝，最后將溫度升至1600°C，保溫lh，完成排硅工藝。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟I)中采用氧化物陶瓷粉末時(shí)，步驟4)中采用浸漬工藝；步驟4)中浸漬的具體工藝為:對于氧化物陶瓷葉片，進(jìn)行真空熱浸漬處理，浸漬壓強(qiáng)為0.02?0.04MPa，浸漬溫度為30?100°C，浸漬至浸漬液中不再產(chǎn)生氣泡，然后在真空條件下以10°C /min的升溫速率升溫至1600°C進(jìn)行裂解處理。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種面向燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷零件制造方法，其特征在于，步驟5)中化學(xué)氣相滲透的具體工藝為:以甲基三氯硅烷為氣源物質(zhì)，氬氣為稀釋氣體，氫氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積碳化硅，沉積溫度10500C ,氣氛壓力5kPa，氫氣流量300ml/min，氬氣流量350ml/min，氫氣流量與甲基三氯硅烷流量的摩爾質(zhì)量比為10，沉積時(shí)間120h ； 或者，步驟5)中化學(xué)氣相滲透的具體工藝為:以正硅酸乙酯為氣源物質(zhì)，正硅酸乙酯水浴恒溫65°C，氬氣為稀釋氣體，氧氣為載氣，通過氣體擴(kuò)散進(jìn)行深孔沉積，在葉片內(nèi)沉積氧化硅，沉積溫度680°C，氣氛壓力lkPa，氧氣流量15ml/min，氬氣流量350ml/min，沉積時(shí)間60h ;沉積完成后通過1400°C后處理使氧化硅與氧化物陶瓷顆粒完全反應(yīng)生成莫來石，提高陶瓷葉片力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)陶瓷葉片的致密化。
【文檔編號(hào)】C04B35/622GK104496507SQ201410721025
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】魯中良, 白樹釗, 劉濤, 曹繼偉, 李滌塵 申請人:西安交通大學(xué)