一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，屬于精密鑄造【技術領域】，首先制備用于形成內嵌空腔結構的具有一定強度及韌性的預置金屬型芯，然后將金屬型芯放入陶瓷型芯模具中；采用注射成型方式制備整體陶瓷型芯素坯；將金屬型芯作為陽極，采用電解腐蝕方法脫除金屬型芯，得到內嵌空腔結構的陶瓷型芯素坯；將陶瓷型芯素坯置入燒結爐中進行燒結，最后獲得內嵌空腔結構的陶瓷型芯。本發明采用電化學腐蝕方法使預置金屬型芯能夠柔和脫除且不破壞陶瓷型芯素坯，有效保證內嵌空腔結構陶瓷型芯的完整性，適于工業應用。
【專利說明】一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于精密鑄造【技術領域】，主要涉及陶瓷型芯的制備工藝，特別是涉及一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝。
【背景技術】
[0002]熔模精密鑄造是生產高精度、低粗糙度、復雜幾何形狀鑄件的有效方法，特別適合鑄造昂貴金屬及難加工的金屬構件。因此，熔模精密鑄造已成為生產發動機高溫合金葉片和復雜結構件的主要方法。高溫合金葉片和復雜結構鑄件的內腔通常采用陶瓷型芯形成，由于陶瓷型芯結構日趨復雜化，特別是具有內嵌空腔結構的陶瓷型芯，加上內嵌空腔結構具有薄、長、彎曲、窄等特點，所以，這一類陶瓷型芯制備非常困難。
[0003]目前，工業生產中常常采用預置水基可溶型芯(羰基類或鹽類等)方法制備尺寸厚大且結構簡單的內嵌空腔陶瓷型芯，但在制備具有薄、長、彎曲、窄等特點內嵌空腔復雜結構陶瓷型芯時，由于水基可溶型芯本身強度低韌性差的原因，陶瓷料漿的高壓沖擊使其非常容易斷裂，致使陶瓷型芯難以成型，因此限制了其實際應用。因此，如何制備復雜內嵌空腔結構的陶瓷型芯是目前生產中急需解決的難題。
【發明內容】
[0004]發明目的:
本發明涉及一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其目的是為了滿足實際生產中的需求。
[0005]技術方案:
本發明是通過以下技術方案來實現的:
一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:該工藝方法步驟如下:首先制備用于形成內嵌空腔結構的具有一定強度的預置金屬型芯，使預置金屬型芯的強度高于陶瓷型芯素坯的成型壓力強度，然后將預置金屬型芯放入陶瓷型芯模具中；采用注射成型方式制備整體陶瓷型芯素坯；將預置金屬型芯作為陽極，采用電解腐蝕方法脫除預置金屬型芯，得到內嵌空腔結構的陶瓷型芯素坯；將陶瓷型芯素坯置入燒結爐中進行燒結，最后獲得內嵌空腔結構的陶瓷型芯。
[0006]預置金屬型芯制備材料為普通碳素鋼或鋁合金。
[0007]陶瓷型芯材料為二氧化硅基陶瓷材料或氧化鋁基陶瓷材料。
[0008]制備整體陶瓷型芯素坯時，陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4-8MPa，注射時間為10-120秒，保壓時間為10-120秒。
[0009]預置金屬型芯做為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為質量濃度10%_20%高氯酸的酒精溶液、10-20%草酸溶液或30-50%硝酸溶液，電解腐蝕電壓為5-20伏特，電流為0.2-0.8安培，腐蝕時間為1-50小時。
[0010]陶瓷型芯燒結用的填料為工業用氧化鋁粉，粒度為100-300目。[0011]陶瓷型芯素坯脫蠟階段采用緩慢升溫方式升溫，升溫速度為0.5-2°C /分鐘；脫蠟結束后，快速升溫至燒結溫度，升溫速度為1-10°C /分鐘；二氧化硅基陶瓷型芯燒結溫度為1150°C _1190°C，保溫時間為3-10小時，然后爐冷至室溫。
[0012]陶瓷型芯素坯脫蠟階段采用緩慢升溫方式升溫，升溫速度為0.5-20C /分鐘；脫蠟結束后，快速升溫至燒結溫度，升溫速度為1-10°C /分鐘；氧化鋁基陶瓷型芯燒結溫度為13000C -1450°c，保溫時間為3-10小時，然后爐冷至室溫。
[0013]陶瓷型芯燒結后，將陶瓷型芯浸入環氧樹脂和聚酰胺的丙酮溶液中進行浸泡，環氧樹脂和聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5-10%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比為浸泡時間為1-3小時，然后取出在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間1-3小時。
[0014]優點及效果:
本發明涉及一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，具有如下優點:
Cl)工藝流程簡單，陶瓷型芯素坯成品率遠高于現有的制備工藝；
(2)內嵌空腔結構陶瓷型芯成品率高，價格適宜，可規模化生產，具有良好的工程化背景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為預置金屬型芯結構示意圖；
圖2為含預置金屬型芯的陶瓷型芯素坯示意圖；
圖3為電解腐蝕掉預置金屬型芯的陶瓷型芯素坯示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和具體的實施例對本發明做進一步的說明，但本發明的保護范圍不受實施例的限制。
[0017]本發明的原理是采用高強度的(強度高于陶瓷型芯素坯成型的壓力強度)預置金屬型芯保證陶瓷型芯的順利成型，采用電化學腐蝕方法使預置金屬型芯能夠柔和脫除且不破壞陶瓷型芯素坯，保證內嵌空腔結構陶瓷型芯的完整性。
[0018]本發明提出了一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，首先制備用于形成內嵌空腔結構的具有一定強度的預置金屬型芯，一定強度是指使預置金屬型芯的強度高于陶瓷型芯素坯的成型壓力強度，然后將預置金屬型芯放入陶瓷型芯模具中；采用注射成型方式制備整體陶瓷型芯素坯；將預置金屬型芯作為陽極，采用電解腐蝕方法脫除金屬型芯，得到內嵌空腔結構的陶瓷型芯素坯；將陶瓷型芯素坯置入燒結爐中進行燒結，最后獲得內嵌空腔結構的陶瓷型芯。
[0019]具體工藝如下:
1、制備與內嵌空腔結構完全對應相反結構的預置金屬型芯，見圖1;
2、將預置金屬型芯置入陶瓷型芯模具中；
3、采用注射成型方式進行陶瓷型芯素坯成型，制備的陶瓷型芯素坯見圖2；
4、將陶瓷型芯素坯中的預置金屬型芯作為陽極用電解腐蝕方法腐蝕掉；腐蝕去預置金屬型芯的陶瓷型芯素坯見圖3;
5、將失去金屬型芯的陶瓷型芯素坯裝入氧化鋁粉填料中進行焙燒，最后獲得內嵌空腔結構的陶瓷型芯。
[0020]預置金屬型芯制備材料為普通碳素鋼或鋁合金。
[0021]陶瓷型芯(陶瓷型芯成品)材料為二氧化硅基陶瓷材料或氧化鋁基陶瓷材料。
[0022]制備整體陶瓷型芯素坯時，陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4-8MPa，注射時間為10-120秒，保壓時間為10-120秒。
[0023]預置金屬型芯做為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為質量濃度10%_20%高氯酸的酒精溶液、10-20%草酸溶液或30-50%硝酸溶液，電解腐蝕電壓為5-20伏特，電流為0.2-0.8安培，腐蝕時間為1-50小時。
[0024]陶瓷型芯燒結用的填料為工業用氧化鋁粉，粒度為100-300目。
[0025]陶瓷型芯素坯脫蠟階段采用緩慢升溫方式升溫，升溫速度為0.5-20C /分鐘；脫蠟結束后，快速升溫至燒結溫度，升溫速度為1-10°C /分鐘；二氧化硅基陶瓷型芯燒結溫度為1150°C _1190°C，氧化鋁基陶瓷型芯燒結溫度為1300°C _1450°C，保溫時間均為3_10小時，然后爐冷至室溫。
[0026]陶瓷型芯燒結后，將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中進行浸泡，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5-10%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比為浸泡時間為1-3小時，然后取出在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間1-3小時。
[0027]實施例1
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為普通碳素鋼；選用二氧化硅基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4MPa，注射時間為20秒，保壓時間為20秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度10%的高氯酸酒精溶液，腐蝕電壓為5伏特，電流為0.2安培，腐蝕時間10小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度200目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.5°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為3°C /分鐘，燒結溫度為1190°C，保溫時間6小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為2:1，浸泡時間為I小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間I小時，制得陶瓷型芯成品。
[0028]實施例2
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為鋁合金；選用氧化鋁基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型,成型壓力為4MPa，注射時間為20秒，保壓時間為30秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度15%的高氯酸酒精溶液，腐蝕電壓為5伏特，電流為0.2安培，腐蝕時間5小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度200目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.5°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為5°C /分鐘，燒結溫度為1400°C，保溫時間4小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為2:1，浸泡時間為3小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間I小時，制得陶瓷型芯成品。
[0029]實施例3
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為鋁合金；選用二氧化硅基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為6MPa，注射時間為10秒，保壓時間為10秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度15%的草酸溶液，腐蝕電壓為6伏特，電流為0.4安培，腐蝕時間20小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度150目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.8°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為5°C /分鐘，燒結溫度為1180°C，保溫時間8小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為8%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為1:1，浸泡時間為3小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間3小時，制得陶瓷型芯成品。
[0030]實施例4
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為普通碳素鋼；選用二氧化硅基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為5MPa，注射時間為10秒，保壓時間為20秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度40%的硝酸溶液，腐蝕電壓為5伏特，電流為0.6安培，腐蝕時間2小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度300目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.6V /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為8°C /分鐘，燒結溫度為1190°C，保溫時間4小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為10%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為2:1，浸泡時間為2小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間2小時，制得陶瓷型芯成品。
[0031]實施例5
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為普通碳素鋼；選用二氧化硅基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為8MPa，注射時間為120秒，保壓時間為120秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度20%的高氯酸酒精溶液，腐蝕電壓為20伏特，電流為0.8安培，腐蝕時間50小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度100目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為2°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為1°C /分鐘，燒結溫度為1150°C，保溫時間3小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為6%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為1.5:1，浸泡時間為I小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間2小時，制得陶瓷型芯成品。
[0032]實施例6
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為普通碳素鋼；選用氧化鋁基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4MPa，注射時間為20秒，保壓時間為30秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度10%的草酸溶液，腐蝕電壓為10伏特，電流為0.6安培，腐蝕時間I小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度300目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.5°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為5°C /分鐘，燒結溫度為1450°C，保溫時間10小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為1:1，浸泡時間為2小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間I小時，制得陶瓷型芯成品。
[0033]實施例7
制備與內嵌空間結構反對應結構的金屬型芯，材料為普通碳素鋼；選用氧化鋁基陶瓷粉料為陶瓷型芯材料；陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4MPa，注射時間為20秒，保壓時間為30秒；電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度30%的硝酸溶液，腐蝕電壓為10伏特，電流為0.6安培，腐蝕時間5小時；腐蝕結束后將陶瓷型芯素坯埋入填料粉中，填料為三氧化二鋁粉末，粒度100目。陶瓷型芯素坯脫蠟階段升溫速度為0.5°C /分鐘，升至500°C時，保溫I小時；脫蠟工序結束后，升溫至燒結溫度對陶瓷型芯進行燒結，升溫速度為5°C /分鐘，燒結溫度為1300°C，保溫時間6小時，然后隨爐冷卻；冷卻結束后對陶瓷型芯進行清理，然后將陶瓷型芯浸入環氧樹脂/聚酰胺的丙酮溶液中，環氧樹脂/聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比例為1:1，浸泡時間為2小時，然后將陶瓷型芯在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間I小時，制得陶瓷型芯成品。
[0034]實施例8
電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度50%的硝酸溶液，其它條件同實施例7。
[0035]實施例9
電解腐蝕過程中，金屬型芯為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為濃度20%的草酸溶液，其它條件同實施例3。
【權利要求】
1.一種復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:該工藝方法步驟如下:首先制備用于形成內嵌空腔結構的具有一定強度的預置金屬型芯，使預置金屬型芯的強度高于陶瓷型芯素坯成型壓力強度，然后將預置金屬型芯放入陶瓷型芯模具中；采用注射成型方式制備整體陶瓷型芯素坯；將預置金屬型芯作為陽極，采用電解腐蝕方法脫除預置金屬型芯，得到內嵌空腔結構的陶瓷型芯素坯；將該陶瓷型芯素坯置入燒結爐中進行燒結，最后獲得內嵌空腔結構的陶瓷型芯。
2.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:預置金屬型芯制備材料為普通碳素鋼或鋁合金。
3.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:陶瓷型芯材料為二氧化硅基陶瓷材料或氧化鋁基陶瓷材料。
4.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:制備整體陶瓷型芯素坯時，陶瓷漿料成型采用注射成型的方式成型，成型壓力為4-8MPa，注射時間為10-120秒，保壓時間為10-120秒。
5.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:預置金屬型芯做為電解腐蝕的陽極，腐蝕液為質量濃度10%-20%高氯酸的酒精溶液、10-20%草酸溶液或30-50%硝酸溶液，電解腐蝕電壓為5-20伏特，電流為0.2-0.8安培，腐蝕時間為1-50小時。
6.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:陶瓷型芯燒結用的填料為工業用氧化鋁粉，粒度為100-300目。
7.根據權利要求1或3所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:陶瓷型芯素坯脫蠟階段采用緩慢升溫方式升溫，升溫速度為0.5-20C /分鐘；脫蠟結束后，快速升溫至燒結溫度，升溫速度為1-1o°c /分鐘；二氧化硅基陶瓷型芯燒結溫度為1150°C _1190°C，保溫時間為3-10小時，然后爐冷至室溫。
8.根據權利要求1或3所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:陶瓷型芯素坯脫蠟階段采用緩慢升溫方式升溫，升溫速度為0.5-20C /分鐘；脫蠟結束后，快速升溫至燒結溫度，升溫速度為1-1o°c /分鐘；氧化鋁基陶瓷型芯燒結溫度為13000C -1450°c，保溫時間為3-10小時，然后爐冷至室溫。
9.根據權利要求1所述復雜內嵌空腔結構陶瓷型芯的制備工藝，其特征在于:陶瓷型芯燒結后，將陶瓷型芯浸入環氧樹脂和聚酰胺的丙酮溶液中進行浸泡，環氧樹脂和聚酰胺在丙酮溶液中的濃度為5-10%，環氧樹脂與聚酰胺的質量比為1:1-2:1，浸泡時間為1-3小時，然后取出在空氣中150°C條件下進行干燥，干燥時間1-3小時。
【文檔編號】B22C9/24GK104014737SQ201410210181
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月19日 優先權日:2014年5月19日
【發明者】毛萍莉, 姜衛國, 劉正, 王峰, 于波 申請人:沈陽工業大學